Täydellinen sisäinen heijastus

Sisäinen heijastus- ilmiö, jossa sähkömagneettiset aallot heijastuvat kahden läpinäkyvän väliaineen rajapinnalta, edellyttäen, että aalto putoaa väliaineesta, jolla on korkeampi taitekerroin.

Epätäydellinen sisäinen heijastus- sisäinen heijastus edellyttäen, että tulokulma on pienempi kuin kriittinen kulma. Tässä tapauksessa säde jakautuu taittuneeksi ja heijastuneeksi.

Täydellinen sisäinen heijastus- sisäinen heijastus edellyttäen, että tulokulma ylittää tietyn kriittisen kulman. Tässä tapauksessa tuleva aalto heijastuu kokonaan ja heijastuskertoimen arvo ylittää sen korkeimmat arvot kiillotetuille pinnoille. Lisäksi sisäisen kokonaisheijastuksen heijastuskerroin ei riipu aallonpituudesta.

Tämä optinen ilmiö havaitaan laajalla sähkömagneettisen säteilyn spektrillä, mukaan lukien röntgensädealue.

Geometrisen optiikan puitteissa ilmiön selitys on triviaali: Snellin lain perusteella ja ottaen huomioon, että taitekulma ei saa ylittää 90°, saadaan, että tulokulmassa, jonka sini on suurempi kuin pienempi taitekerroin suurempaan kertoimeen, sähkömagneettisen aallon tulee heijastua kokonaan ensimmäiseen väliaineeseen.

Ilmiön aaltoteorian mukaan sähkömagneettinen aalto kuitenkin tunkeutuu toiseen väliaineeseen - siellä etenee ns. "epätasainen aalto", joka vaimenee eksponentiaalisesti eikä kulje energiaa mukanaan. Epähomogeenisen aallon tyypillinen tunkeutumissyvyys toiseen väliaineeseen on aallonpituuden suuruusluokkaa.

Sisäisen valon kokonaisheijastus

Harkitse sisäistä heijastusta käyttämällä esimerkkiä kahdesta yksivärisestä säteestä, jotka osuvat kahden median väliseen rajapintaan. Säteet putoavat tiheämmän väliaineen vyöhykkeeltä (merkitty tummemman sinisellä), jonka taitekerroin on vähemmän tiheän väliaineen (merkitty vaaleansinisellä) rajalle, jolla on taitekerroin.

Punainen säde putoaa vinoon , eli median rajalla se kaksihaarautuu - se taittuu osittain ja osittain heijastuu. Osa säteestä taittuu kulmassa.

Vihreä säde putoaa ja heijastuu kokonaan src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Täydellinen sisäinen heijastus luonnossa ja tekniikassa

Röntgensäteiden heijastus

Röntgensäteiden taittumisen laiduntamisen ilmaantuvuudessa muotoili ensin M. A. Kumakhov, joka kehitti röntgenpeilin, ja Arthur Compton perusti sen teoreettisesti vuonna 1923.

Muut aaltoilmiöt

Taittumisen ja siten kokonaissisäisen heijastuksen vaikutuksen osoittaminen on mahdollista esimerkiksi ääniaalloilla nesteen pinnalla ja suurimmassa osassa siirtymävaiheessa eri viskositeetin tai tiheyden omaavien vyöhykkeiden välillä.

Hitaiden neutronien säteillä havaitaan sähkömagneettisen säteilyn sisäisen kokonaisheijastuksen vaikutuksen kaltaisia ​​ilmiöitä.

Jos pystysuunnassa polarisoitu aalto putoaa rajapinnalle Brewsterin kulmassa, havaitaan täydellisen taittumisen vaikutus - heijastunutta aaltoa ei ole.

Huomautuksia

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Täysi hengitys
• Täydellinen muutos

Katso, mitä "Total sisäinen heijastus" on muissa sanakirjoissa:

YHTEENSÄ SISÄINEN HEIJAUS- heijastussähköposti. magn. säteilyä (erityisesti valoa), kun se putoaa kahden läpinäkyvän väliaineen rajapinnalle korkean taitekertoimen omaavasta väliaineesta. P. sisään noin. suoritetaan, kun tulokulma i ylittää tietyn rajoittavan (kriittisen) kulman ... Fyysinen tietosanakirja

Täydellinen sisäinen heijastus- Täydellinen sisäinen heijastus. Kun valo kulkee väliaineesta, jonka n1 > n2, sisäinen kokonaisheijastus tapahtuu, jos tulokulma a2 > apr; tulokulmassa a1 Illustrated Encyclopedic Dictionary

Täydellinen sisäinen heijastus- optisen säteilyn heijastus (katso Optinen säteily) (valo) tai eri alueen sähkömagneettinen säteily (esimerkiksi radioaallot), kun se putoaa kahden läpinäkyvän aineen väliselle rajapinnalle väliaineesta, jolla on korkea taitekerroin ... .. . Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja

YHTEENSÄ SISÄINEN HEIJAUS- sähkömagneettiset aallot, syntyy, kun ne siirtyvät väliaineesta, jolla on korkea taitekerroin n1, väliaineeseen, jonka taitekerroin on pienempi n2 tulokulmassa a, joka ylittää rajakulman apr, joka määräytyy suhteella sinapr=n2/n1. Saattaa loppuun… … Nykyaikainen tietosanakirja

YHTEENSÄ SISÄINEN HEIJAUS- TÄYDELLINEN SISÄINEN HEIJAUS, HEIJASTAMINEN ilman valon taittumista rajalla. Kun valo siirtyy tiheämmästä väliaineesta (kuten lasista) vähemmän tiheään (vesi tai ilma), syntyy taitekulmavyöhyke, jossa valo ei kulje rajan läpi ... Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja

täydellinen sisäinen heijastus- Valon heijastus optisesti vähemmän tiheästä väliaineesta, joka palaa täydellisesti siihen väliaineeseen, josta se putoaa. [Suositeltujen termien kokoelma. Numero 79. Fyysinen optiikka. Neuvostoliiton tiedeakatemia. Tieteellisen ja teknisen terminologian komitea. 1970] Aiheet… … Teknisen kääntäjän käsikirja

YHTEENSÄ SISÄINEN HEIJAUS- sähkömagneettisia aaltoja esiintyy, kun ne putoavat vinosti 2 väliaineen rajapinnalle, kun säteily siirtyy väliaineesta, jolla on korkea taitekerroin n1, väliaineeseen, jolla on pienempi taitekerroin n2, ja tulokulma i ylittää rajakulman ... ... Suuri tietosanakirja

täydellinen sisäinen heijastus- sähkömagneettiset aallot, esiintyy vinosti 2 väliaineen rajapinnalla, kun säteily siirtyy väliaineesta, jolla on korkea taitekerroin n1, väliaineeseen, jonka taitekerroin on alempi n2, ja tulokulma i ylittää rajakulman ipr .. . tietosanakirja

Kun aallot etenevät väliaineessa, mukaan lukien sähkömagneettiset, löytääksesi uuden aaltorintaman milloin tahansa, käytä Huygensin periaate.

Jokainen aaltorintaman piste on toisioaaltojen lähde.

Homogeenisessa isotrooppisessa väliaineessa toisioaaltojen aaltopinnat ovat muodoltaan palloja, joiden säde on v × Dt, missä v on aallon etenemisnopeus väliaineessa. Johtamalla toisioaaltojen aaltorinteiden verhokäyrä saadaan uusi aaltorintama tietyllä hetkellä (kuva 7.1, a, b).

Heijastuksen laki

Huygensin periaatetta käyttämällä voidaan todistaa sähkömagneettisten aaltojen heijastuslaki kahden eristeen rajapinnassa.

Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Tulevat ja heijastuneet säteet yhdessä kahden eristeen välisen rajapinnan kohtisuoran kanssa ovat samassa tasossa.Ð a = Ð b. (7.1)

Anna tasovaloaallon pudota tasaiselle SD-rajapinnalle kahden median välillä (säteet 1 ja 2, kuva 7.2). Säteen ja LED-valoon nähden kohtisuoran välistä kulmaa a kutsutaan tulokulmaksi. Jos tulevan aallon OB etuosa saavuttaa tietyllä hetkellä pisteen O, niin Huygensin periaatteen mukaan tämä piste

Riisi. 7.2

alkaa säteillä toissijaista aaltoa. Ajan aikana Dt = IN 1 /v tuleva säde 2 saavuttaa arvon t. O 1 . Samanaikaisesti toisioaallon eturintama saavuttaa samassa väliaineessa etenevän heijastuksen jälkeen pisteessä O puolipallon pisteet, säde OA \u003d v Dt \u003d BO 1. Uutta aaltorintamaa kuvaa taso AO 1, ja etenemissuuntaa edustaa säde OA. Kulmaa b kutsutaan heijastuskulmaksi. Kolmioiden OAO 1 ja OBO 1 yhtäläisyydestä seuraa heijastuksen laki: tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma.

Taittumisen laki

Optisesti homogeeniselle väliaineelle 1 on tunnusomaista , (7.2)

Suhde n 2 / n 1 \u003d n 21 (7,4)

nimeltään

(7.5)

Tyhjiölle n = 1.

Johtuen dispersiosta (valon taajuudet n » 10 14 Hz), esimerkiksi vedellä n = 1,33, eikä n = 9 (e = 81), kuten seuraa matalien taajuuksien sähködynamiikasta. Jos valon etenemisnopeus ensimmäisessä väliaineessa on v 1 ja toisessa - v 2,

Riisi. 7.3

sitten etäisyyden AO 1 läpäisevän tulevan tasoaallon aikana Dt ensimmäisessä väliaineessa AO 1 = v 1 Dt. Toisessa väliaineessa virittyneen sekundaariaallon etuosa (Huygensin periaatteen mukaisesti) saavuttaa puolipallon pisteet, jonka säde on OB = v 2 Dt. Toisessa väliaineessa etenevän aallon uutta eturintamaa kuvaa taso BO 1 (kuva 7.3), ja sen etenemissuuntaa edustavat säteet OB ja O 1 C (suoraan aaltorintamaa vastaan). Kulma b säteen OB ja kahden eristeen välisen rajapinnan normaalin välillä pisteessä O kutsutaan taitekulmaksi. Kolmioista OAO 1 ja OBO 1 seuraa, että AO 1 \u003d OO 1 sin a, OB \u003d OO 1 sin b.

Heidän asenteensa ilmaisee taittumisen laki(laki Snell):

. (7.6)

Tulokulman sinin suhde taitekulman siniin on yhtä suuri kuin kahden väliaineen suhteellinen taitekerroin.

Täydellinen sisäinen heijastus

Riisi. 7.4

Taittumislain mukaan kahden väliaineen rajapinnassa voidaan havaita täydellinen sisäinen heijastus, jos n 1 > n 2, eli Рb >Рa (kuva 7.4). Siksi on olemassa sellainen rajallinen tulokulma Ða pr, kun Ðb = 90 0 . Sitten taittumislaki (7.6) saa seuraavan muodon:

sin a pr \u003d, (sin 90 0 \u003d 1) (7.7)

Kun tulokulma Ða > Ða pr kasvaa edelleen, valo heijastuu täysin kahden median välisestä rajapinnasta.

Tällaista ilmiötä kutsutaan täydellinen sisäinen heijastus ja laajalti käytetty optiikassa esimerkiksi valonsäteiden suunnan muuttamiseen (kuva 7. 5, a, b).

Sitä käytetään kaukoputkissa, kiikareissa, kuituoptiikassa ja muissa optisissa instrumenteissa.

Klassisissa aaltoprosesseissa, kuten sähkömagneettisten aaltojen sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiössä, havaitaan kvanttimekaniikan tunneliilmiön kaltaisia ​​ilmiöitä, jotka liittyvät hiukkasten korpuskulaarisiin aaltoominaisuuksiin.

Itse asiassa valon siirtymisen aikana väliaineesta toiseen havaitaan valon taittuminen, joka liittyy sen etenemisnopeuden muutokseen eri väliaineissa. Kahden median rajapinnassa valonsäde on jaettu kahteen: taittuneeseen ja heijastuneeseen.

Valosäde putoaa kohtisuoraan suorakaiteen muotoisen tasakylkisen lasiprisman pinnalle 1 ja putoaa taittumatta pinnalle 2, havaitaan sisäinen kokonaisheijastus, koska säteen tulokulma (Ða = 45 0) pinnalla 2 on suurempi kuin sisäisen kokonaisheijastuksen rajakulma (lasille n 2 = 1,5; Ða pr = 42 0).

Jos sama prisma sijoitetaan tietylle etäisyydelle H ~ l/2 pinnasta 2, niin valonsäde kulkee pinnan 2 * läpi ja poistuu prismasta pinnan 1 * kautta yhdensuuntaisesti pintaan 1 tulevan säteen kanssa. Läpäisevä valovirta pienenee eksponentiaalisesti prismien välisen raon h kasvaessa lain mukaan:

,

missä w on jokin todennäköisyys, että säde kulkee toiseen väliaineeseen; d on aineen taitekertoimesta riippuva kerroin; l on tulevan valon aallonpituus

Siksi valon tunkeutuminen "kielletylle" alueelle on kvanttitunnelointiefektin optinen analogia.

Sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiö on todellakin täydellinen, koska tässä tapauksessa kaikki tulevan valon energia heijastuu kahden väliaineen rajapinnalta kuin heijastuessaan esimerkiksi metallipeilien pinnalta. Tämän ilmiön avulla voidaan jäljittää toinen analogia toisaalta valon taittumisen ja heijastuksen ja toisaalta Vavilov-Cherenkov-säteilyn välillä.

AALTOHÄIRIÖT

7.2.1. Vektorien rooli ja

Käytännössä todellisessa mediassa voi eteneä useita aaltoja samanaikaisesti. Aaltojen lisäämisen seurauksena havaitaan useita mielenkiintoisia ilmiöitä: aaltojen häiriö, diffraktio, heijastus ja taittuminen jne.

Nämä aaltoilmiöt ovat ominaisia ​​mekaanisten aaltojen lisäksi myös sähköisille, magneettisille, valolle jne. Kaikilla alkuainehiukkasilla on myös aalto-ominaisuuksia, minkä kvanttimekaniikka on todistanut.

Yhtä mielenkiintoisimmista aaltoilmiöistä, joka havaitaan kahden tai useamman aallon leviäessä väliaineessa, kutsutaan interferenssiksi. Optisesti homogeeniselle väliaineelle 1 on tunnusomaista absoluuttinen taitekerroin , (7.8)

missä c on valon nopeus tyhjiössä; v 1 - valon nopeus ensimmäisessä väliaineessa.

Väliaineelle 2 on ominaista absoluuttinen taitekerroin

missä v 2 on valon nopeus toisessa väliaineessa.

Suhde (7,10)

nimeltään toisen väliaineen suhteellinen taitekerroin suhteessa ensimmäiseen. Läpinäkyville dielektrikeille, joissa m = 1, Maxwellin teoriaa käyttäen, tai

missä e1, e2 ovat ensimmäisen ja toisen väliaineen permittiivisyys.

Tyhjiölle n = 1. Hajaantumisesta (valon taajuudet n » 10 14 Hz) johtuen esimerkiksi vedelle n = 1,33, eikä n = 9 (e = 81), kuten seuraa matalien taajuuksien sähködynamiikasta. Valo on sähkömagneettisia aaltoja. Siksi sähkömagneettisen kentän määräävät vektorit ja , jotka kuvaavat vastaavasti sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksia. Monissa valon ja aineen vuorovaikutusprosesseissa, kuten valon vaikutuksessa näköelimiin, valokennoihin ja muihin laitteisiin, ratkaiseva rooli on kuitenkin vektorilla, jota optiikassa kutsutaan valovektoriksi.

Sähkömagneettisten aaltojen eteneminen eri medioissa noudattaa heijastuksen ja taittumisen lakeja. Näistä laeista seuraa tietyissä olosuhteissa yksi mielenkiintoinen ilmiö, jota fysiikassa kutsutaan valon sisäiseksi kokonaisheijastukseksi. Katsotaanpa tarkemmin, mikä tämä vaikutus on.

Heijastus ja taittuminen

Ennen kuin siirrytään suoraan valon sisäisen kokonaisheijastuksen tarkasteluun, on tarpeen antaa selitys heijastus- ja taittumisprosesseista.

Heijastuminen ymmärretään valonsäteen liikesuunnan muutokseksi samassa väliaineessa, kun se kohtaa rajapinnan. Jos esimerkiksi ohjaat laserosoittimesta peiliin, voit havaita kuvatun vaikutuksen.

Taittuminen on heijastuksen tavoin valon liikkeen suunnan muutosta, mutta ei ensimmäisessä, vaan toisessa väliaineessa. Tämän ilmiön seurauksena esineiden ääriviivat ja niiden tilajärjestelyt vääristyvät. Yleinen esimerkki taittumisesta on lyijykynän tai kynän rikkoutuminen, jos se laitetaan vesilasiin.

Taittuminen ja heijastus liittyvät toisiinsa. Ne ovat lähes aina läsnä yhdessä: osa säteen energiasta heijastuu ja toinen osa taittuu.

Molemmat ilmiöt ovat seurausta Fermatin periaatteen soveltamisesta. Hän väittää, että valo kulkee kahden pisteen välistä lentorataa pitkin, mikä vie häneltä vähiten aikaa.

Koska heijastus on vaikutus, joka tapahtuu yhdessä väliaineessa ja taittuminen tapahtuu kahdessa väliaineessa, jälkimmäiselle on tärkeää, että molemmat väliaineet ovat läpinäkyviä sähkömagneettisille aalloille.

Taitekertoimen käsite

Taitekerroin on tärkeä suure tarkasteltavien ilmiöiden matemaattisessa kuvauksessa. Tietyn väliaineen taitekerroin määritetään seuraavasti:

Missä c ja v ovat valon nopeudet tyhjiössä ja vastaavasti aineessa. V:n arvo on aina pienempi kuin c, joten eksponentti n on suurempi kuin yksi. Dimensioton kerroin n osoittaa, kuinka paljon valoa aineessa (väliaineessa) on jäljessä valosta tyhjiössä. Näiden nopeuksien välinen ero johtaa taittumisilmiön ilmenemiseen.

Valon nopeus aineessa korreloi jälkimmäisen tiheyden kanssa. Mitä tiheämpi väliaine, sitä vaikeampi valon on liikkua siinä. Esimerkiksi ilmalle n = 1,00029, eli melkein kuin tyhjiölle, vedelle n = 1,333.

Heijastukset, taittuminen ja niiden lait

Silmiinpistävä esimerkki täydellisen heijastuksen tuloksesta ovat timantin kiiltävät pinnat. Timantin taitekerroin on 2,43, joten monet jalokiviin osuvat valonsäteet kokevat useita kokonaisheijastuksia ennen kuin ne lähtevät siitä.

Timantin kriittisen kulman θc määrittelyongelma

Tarkastellaan yksinkertaista ongelmaa, jossa näytämme, kuinka yllä olevia kaavoja käytetään. On tarpeen laskea kuinka paljon kokonaisheijastuksen kriittinen kulma muuttuu, jos timantti asetetaan ilmasta veteen.

Tarkasteltuamme taulukosta ilmoitettujen välineiden taitekertoimien arvoja, kirjoitamme ne:

• ilmalle: n1 = 1,00029;
• vedellä: n2 = 1,333;
• timantille: n 3 = 2,43.

Timantti-ilma-parin kriittinen kulma on:

θ c1 \u003d arcsin (n 1 / n 3) \u003d arcsin (1,00029 / 2,43) ≈ 24,31 o.

Kuten näette, tämän mediaparin kriittinen kulma on melko pieni, eli vain ne säteet voivat jättää timantin ilmaan, joka on lähempänä normaalia kuin 24,31 o .

Jos kyseessä on timantti vedessä, saamme:

θ c2 \u003d arcsin (n 2 / n 3) \u003d arcsin (1,333 / 2,43) ≈ 33,27 o.

Kriittisen kulman kasvu oli:

Δθ c \u003d θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o \u003d 8,96 o.

Tämä valon kokonaisheijastuksen kriittisen kulman pieni lisäys timantissa johtaa siihen, että se kimaltelee vedessä lähes samalla tavalla kuin ilmassa.

Kuvassa aesittää normaalin säteen, joka kulkee ilma-pleksi-rajapinnan läpi ja poistuu pleksilevystä ilman, että se joutuu taipumaan kulkiessaan kahden pleksilasin ja ilman välisen rajapinnan läpi. Kuvassa b esittää valonsäteen, joka tulee puoliympyrän muotoiseen levyyn normaalisti ilman taipumaa, mutta muodostaa kulman y normaalin kanssa pisteessä O pleksilevyn sisällä. Kun säde lähtee tiheämästä väliaineesta (pleksilasista), sen etenemisnopeus vähemmän tiheässä väliaineessa (ilma) kasvaa. Siksi se taittuu muodostaen kulman x suhteessa normaaliin ilmassa, joka on suurempi kuin y.



Perustuen siihen tosiasiaan, että n \u003d sin (kulma, jonka säde muodostaa normaalin kanssa ilmassa) / sin (kulma, jonka säde muodostaa normaalin kanssa väliaineessa), pleksi n n \u003d sin x / sin y. Jos tehdään useita x- ja y-mittauksia, voidaan pleksilasin taitekerroin laskea laskemalla tulosten keskiarvo jokaiselle arvoparille. Kulmaa y voidaan suurentaa siirtämällä valonlähdettä ympyrän kaarta pitkin, jonka keskipiste on pisteessä O.

Tämän seurauksena kulmaa x kasvatetaan, kunnes saavutetaan kuvan mukainen asema. sisään, eli kunnes x on yhtä suuri kuin 90 o. On selvää, että kulma x ei voi olla suurempi. Kulmaa, jonka säde muodostaa nyt normaalin kanssa pleksilasin sisällä, kutsutaan kriittinen tai rajoittava kulma(tämä on tulokulma rajalla tiheämmästä väliaineesta vähemmän tiheään, kun taitekulma vähemmän tiheässä väliaineessa on 90°).

Yleensä havaitaan heikko heijastunut säde, samoin kuin kirkas säde, joka taittuu levyn suoraa reunaa pitkin. Tämä on seurausta osittaisesta sisäisestä heijastuksesta. Huomaa myös, että valkoista valoa käytettäessä suoraa reunaa pitkin näkyvä valo hajoaa spektrin väreiksi. Jos valonlähdettä viedään pidemmälle kaaren ympäri, kuten kuvassa G, niin että I pleksilasin sisällä tulee suuremmaksi kuin kriittinen kulma c, eikä taittumista tapahdu kahden väliaineen rajapinnassa. Sen sijaan säde kokee sisäisen kokonaisheijastuksen kulmassa r normaaliin nähden, missä r = i.

Tapahtua täydellinen sisäinen heijastus, tulokulma i on mitattava tiheämmän väliaineen (pleksilasin) sisällä ja sen on oltava suurempi kuin kriittinen kulma c. Huomaa, että heijastuslaki pätee myös kaikkiin tulokulmiin, jotka ovat suurempia kuin kriittinen kulma.

Timantin kriittinen kulma on vain 24°38". Sen "kipinä" riippuu siis siitä, kuinka helposti moninkertainen sisäinen kokonaisheijastus tapahtuu, kun se valaistaan ​​valolla, mikä riippuu pitkälti taitavasta leikkauksesta ja kiillotuksesta tämän vaikutuksen parantamiseksi. On määritetty, että n = 1 /sin s, joten kriittisen kulman c tarkka mittaus määrittää n.

Tutkimus 1. Määritä n pleksilasille etsimällä kriittinen kulma

Aseta puolipyöreä pleksilevy suuren valkoisen paperiarkin keskelle ja piirrä sen ääriviivat huolellisesti. Etsi levyn suoran reunan keskipiste O. Muodosta astelevyä käyttäen normaali NO kohtisuoraan tähän suoraan reunaan kohtaan O. Aseta levy uudelleen ääriviivojensa mukaan. Siirrä valonlähde kaaren ympäri NO:n vasemmalle puolelle, samalla kun suuntaa tuleva säde pisteeseen O. Kun taittunut säde seuraa suoraa reunaa, kuten kuvassa, merkitse tulevan säteen reitti kolmella pisteellä P 1, P2 ja P3.



Irrota levy väliaikaisesti ja yhdistä nämä kolme pistettä suoralla viivalla, jonka tulee kulkea O:n läpi. Mittaa astemittarilla kriittinen kulma c piirretyn tulevan säteen ja normaalin välillä. Aseta levy jälleen varovasti ääriviivojaan ja toista mitä teit aiemmin, mutta tällä kertaa siirrä valonlähde kaaren ympäri NO:n oikealle puolelle suuntaamalla säde jatkuvasti pisteeseen O. Kirjaa kaksi mitattua arvoa c tuloksiin taulukko ja määritä kriittisen kulman keskiarvo c. Määritä sitten pleksilasin taitekerroin n n kaavalla n n = 1 /sin s.


Tutkimuslaitteen 1 avulla voidaan myös osoittaa, että tiheämmässä väliaineessa (pleksilasi) eteneville valonsäteille, jotka osuvat rajapinnalle "pleksilasi - ilma" kulmissa, jotka ovat suurempia kuin kriittinen kulma c, tulokulma i on yhtä suuri kuin kulmaheijastukset r.

Tutkimus 2. Tarkista valon heijastuksen laki kriittistä kulmaa suurempien tulokulmien osalta

Aseta puolipyöreä pleksilevy suurelle valkoiselle paperiarkille ja piirrä sen ääriviivat huolellisesti. Kuten ensimmäisessä tapauksessa, etsi keskipiste O ja muodosta normaali NO. Pleksilasilla kriittinen kulma c = 42°, joten tulokulmat i > 42° ovat suurempia kuin kriittinen kulma. Muodosta astemittarilla säteet 45°, 50°, 60°, 70° ja 80° kulmissa NO-normaaliin nähden.

Aseta pleksilevy jälleen varovasti ääriviivoihinsa ja suuntaa valonsäde valonlähteestä 45° linjaa pitkin. Säde menee pisteeseen O, heijastuu ja näkyy levyn kaarevalta puolelta normaalin toiselta puolelta. Merkitse kolme pistettä P 1 , P 2 ja P 3 heijastuneeseen säteeseen. Poista levy väliaikaisesti ja yhdistä kolme pistettä suoralla viivalla, jonka tulee kulkea pisteen O kautta.



Mittaa heijastuskulma r ja heijastuneen säteen välillä astemittarilla ja kirjaa tulokset taulukkoon. Aseta levy varovasti ääriviivojaan ja toista 50°, 60°, 70° ja 80° kulmat normaaliin nähden. Kirjoita r:n arvo oikeaan kohtaan tulostaulukossa. Piirrä heijastuskulma r tulokulman i funktiona. Suoraviivainen kaavio, joka on piirretty tulokulmien alueelle 45° - 80°, riittää osoittamaan, että kulma i on yhtä suuri kuin kulma r.

Kokonaisheijastuksen rajoittava kulma on valon tulokulma kahden väliaineen välisellä rajapinnalla, mikä vastaa 90 asteen taitekulmaa.

Kuituoptiikka on optiikan ala, joka tutkii optisissa kuiduissa esiintyviä ja esiintyviä fysikaalisia ilmiöitä.

4. Aaltojen eteneminen optisesti epähomogeenisessa väliaineessa. Säteiden kaarevuuden selitys. Miraasit. Tähtitieteellinen taittuminen. Epähomogeeninen väliaine radioaalloille.

Mirage on optinen ilmiö ilmakehässä: valon heijastus jyrkästi eri tiheydeltään erilaisten ilmakerrosten väliseltä rajalta. Tarkkailijalle tällainen heijastus koostuu siitä, että yhdessä kaukaisen kohteen (tai taivaan osan) kanssa sen kuvitteellinen kuva, joka on siirretty kohteeseen nähden, on näkyvissä. Miraasit on jaettu alempiin, näkyviin kohteen alla, ylempiin, kohteen yläpuolelle ja sivuihin.

huonompi mirage

Se havaitaan erittäin suurella pystysuoralla lämpötilagradientilla (korkeuden mukana putoava) ylikuumenneen tasaisen pinnan, usein aavikon tai asfalttitien, yli. Kuvitteellinen kuva taivaasta luo illuusion vedestä pinnalla. Joten kuumana kesäpäivänä kaukaisuuteen menevä tie näyttää märältä.

ylivoimainen mirage

Sitä havaitaan kylmän maan pinnan yläpuolella käänteisellä lämpötilajakaumalla (se kasvaa korkeuden mukana).

Fata Morgana

Miraasin monimutkaisia ​​ilmiöitä, joissa esineiden ulkonäkö on jyrkkä vääristynyt, kutsutaan Fata Morganaksi.

Volumetrinen mirage

Vuoristossa on erittäin harvinaista tietyissä olosuhteissa nähdä "vääristyneen minän" melko läheltä. Tämä ilmiö selittyy "pysyvän" vesihöyryn läsnäololla ilmassa.

Tähtitieteellinen taittuminen - ilmiö taivaankappaleiden valonsäteiden taittumisesta ilmakehän läpi kulkiessaan / Koska planeettojen ilmakehän tiheys aina pienenee korkeuden myötä, valon taittuminen tapahtuu siten, että sen kuperuudella kaareva säde kaikessa kotelot ovat zeniittiin päin. Tässä suhteessa taittuminen "nostaa" aina kuvat taivaankappaleista niiden todellisen sijainnin yläpuolelle.

Taittuminen aiheuttaa useita optis-ilmakehän vaikutuksia maapallolla: lisääntymisen päivän pituusaste johtuen siitä, että aurinkolevy taittumisesta johtuen nousee horisontin yläpuolelle muutama minuutti aikaisemmin kuin hetki, jolloin Auringon pitäisi geometristen näkökohtien perusteella nousta; Kuun ja Auringon näkyvien levyjen litistyminen lähellä horisonttia johtuen siitä, että levyjen alareuna nousee taittumisen myötä korkeammalle kuin ylempi; tähtien välähdys jne. Eri aallonpituuksilla olevien valonsäteiden eron vuoksi (siniset ja violetit säteet poikkeavat enemmän kuin punaiset), taivaankappaleiden näennäinen värjäytyminen tapahtuu lähellä horisonttia.

5. Lineaarisesti polarisoidun aallon käsite. Luonnonvalon polarisaatio. polarisoitumatonta säteilyä. dikroiset polarisaattorit. Polarisaattori ja valoanalysaattori. Maluksen laki.

Aaltojen polarisaatio- ilmiö, joka rikkoo häiriöiden jakautumisen symmetriaa poikittainen aalto (esimerkiksi sähkö- ja magneettikenttien voimakkuus sähkömagneettisissa aalloissa) suhteessa sen etenemissuuntaan. AT pituussuuntainen Aallossa polarisaatiota ei voi syntyä, koska tämäntyyppisten aaltojen häiriöt osuvat aina yhteen etenemissuunnan kanssa.

lineaarinen - häiriön värähtelyjä tapahtuu jossain yhdessä tasossa. Tässä tapauksessa puhutaan taso polarisoitunut Aalto";

ympyrä - amplitudivektorin loppu kuvaa ympyrää värähtelytasossa. Riippuen vektorin pyörimissuunnasta, oikein tai vasemmalle.

Valon polarisaatio on prosessi, jossa virtaviivaistaa valoaallon sähkökentän voimakkuusvektorin värähtelyjä, kun valo kulkee tiettyjen aineiden läpi (taittumisen aikana) tai kun valovirta heijastuu.

Dikroinen polarisaattori sisältää kalvon, joka sisältää vähintään yhden dikroisen orgaanisen aineen, jonka molekyyleillä tai molekyylien fragmenteilla on tasomainen rakenne. Ainakin osa kalvosta on kiderakennetta. Dikroisella aineella on vähintään yksi spektrin absorptiokäyrän maksimi spektrialueilla 400 - 700 nm ja/tai 200 - 400 nm ja 0,7 - 13 μm. Polarisaattorin valmistuksessa substraatille levitetään dikroista orgaanista ainetta sisältävä kalvo, kohdistetaan orientoiva vaikutus ja kuivataan. Tässä tapauksessa kalvon levitysolosuhteet sekä orientoivan vaikutuksen tyyppi ja suuruus valitaan siten, että kalvon järjestysparametrilla, joka vastaa vähintään yhtä maksimiarvoa spektriabsorptiokäyrällä spektrialueella 0,7 - 13 μm, on arvo on vähintään 0,8. Ainakin osan kalvosta kiderakenne on kolmiulotteinen kidehila, jonka muodostavat dikroiset orgaaniset molekyylit. VAIKUTUS: polarisaattorin toiminnan spektrialueen laajentaminen samalla kun sen polarisaatioominaisuudet paranevat.

Malus-laki on fysikaalinen laki, joka ilmaisee lineaarisesti polarisoidun valon intensiteetin riippuvuuden tulevan valon ja polarisaattorin polarisaatiotasojen välisestä kulmasta sen jälkeen, kun se kulkee polarisaattorin läpi.

missä minä 0 - polarisaattoriin tulevan valon intensiteetti, minä on polarisaattorista tulevan valon intensiteetti, k a- polarisaattorin läpinäkyvyyskerroin.

6. Brewsterin ilmiö. Fresnel-kaavat aaltojen heijastuskertoimelle, jonka sähkövektori on tulotasossa, ja aalloilla, joiden sähkövektori on kohtisuorassa tulotasoon nähden. Heijastuskertoimien riippuvuus tulokulmasta. Heijastuneiden aaltojen polarisaatioaste.

Brewsterin laki on optiikan laki, joka ilmaisee taitekertoimen suhteen sellaiseen kulmaan, jossa rajapinnalta heijastuva valo on täysin polarisoitunut tasossa, joka on kohtisuora tulotasoon nähden ja taittunut säde on osittain polarisoitunut tulotaso, ja taittuneen säteen polarisaatio saavuttaa suurimman arvonsa. On helppo todeta, että tässä tapauksessa heijastuneet ja taittuneet säteet ovat keskenään kohtisuorassa. Vastaavaa kulmaa kutsutaan Brewster-kulmaksi. Brewsterin laki: , missä n 21 - toisen väliaineen taitekerroin suhteessa ensimmäiseen, θ Br on tulokulma (Brewsterin kulma). Tulevien (U alas) ja heijastuneiden (U ref) aaltojen amplitudien kanssa KBV-linjassa se liittyy suhteeseen:

K bv \u003d (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

Jännitteen heijastuskertoimen (K U) kautta KBV ilmaistaan ​​seuraavasti:

K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Kun kuorma on puhtaasti aktiivinen, KBV on yhtä suuri kuin:

K bv \u003d R / ρ at R< ρ или

K bv = ρ / R, kun R ≥ ρ

missä R on kuorman aktiivinen vastus, ρ on linjan aaltovastus

7. Valon häiriön käsite. Kahden epäkoherentin ja koherentin aallon lisäys, joiden polarisaatioviivat ovat samat. Tuloksena olevan aallon intensiteetin riippuvuus kahden koherentin aallon lisäyksessä niiden vaiheiden erosta. Geometrisen ja optisen eron käsite aaltojen reitillä. Yleiset ehdot häiriön maksimien ja minimien tarkkailemiseksi.

Valon häiriö on kahden tai useamman valoaallon intensiteettien epälineaarinen summa. Tätä ilmiötä seuraa avaruudessa vuorottelevat intensiteetin maksimit ja minimit. Sen jakautumista kutsutaan häiriökuvioksi. Kun valo häiritsee, energia jakautuu uudelleen avaruudessa.

Aaltoja ja niitä virittäviä lähteitä kutsutaan koherenteiksi, jos aaltojen vaihe-ero ei riipu ajasta. Aallot ja niitä virittävät lähteet kutsutaan epäkoherentiksi, jos aaltojen vaihe-ero muuttuu ajan myötä. Eron kaava:

, missä , ,

8. Laboratoriomenetelmät valohäiriöiden havainnointiin: Youngin koe, Fresnel-biprisma, Fresnel-peilit. Häiriön maksimien ja minimien paikkojen laskeminen.

Jungin kokeilu - Kokeessa valonsäde suunnataan läpinäkymättömälle valkokankaalle, jossa on kaksi rinnakkaista rakoa, joiden taakse asennetaan valkokangas. Tämä koe osoittaa valon interferenssin, mikä on todiste aaltoteoriasta. Rakojen erikoisuus on, että niiden leveys on suunnilleen yhtä suuri kuin säteilevän valon aallonpituus. Raon leveyden vaikutusta häiriöihin käsitellään alla.

Olettaen, että valo koostuu hiukkasista ( valon korpuskulaarinen teoria), silloin projektiokankaalla näkisi vain kaksi yhdensuuntaista valokaistaa, jotka kulkevat valkokankaan rakojen läpi. Niiden välissä valkokangas jäisi käytännössä valaisematta.

Fresnel-biprisma - fysiikassa - kaksoisprisma, jonka kärjessä on erittäin pienet kulmat.
Fresnel-biprisma on optinen laite, jonka avulla yksi valonlähde voi muodostaa kaksi koherenttia aaltoa, jotka mahdollistavat vakaan häiriökuvion havainnoinnin näytöllä.
Frenkelin biprisma toimii kokeellisena todisteena valon aaltoluonteesta.

Fresnel-peilit ovat optinen laite, jonka O. J. Fresnel ehdotti vuonna 1816 häiriökoherenttien valonsäteiden ilmiön tarkkailuun. Laite koostuu kahdesta litteästä peilistä I ja II, jotka muodostavat dihedraalisen kulman, joka eroaa 180°:sta vain muutaman kaarenminuutin verran (ks. kuva 1 kohdassa Valon häiriöt). Kun peilejä valaistaan ​​lähteestä S, peileistä heijastuneiden säteiden voidaan katsoa tulevan koherenteista lähteistä S1 ja S2, jotka ovat S:n kuvitteellisia kuvia. Tilassa, jossa säteet limittyvät, esiintyy interferenssiä. Jos lähde S on lineaarinen (rako) ja yhdensuuntainen FZ-reunan kanssa, niin monokromaattisella valolla valaistuna näytöllä M havaitaan häiriökuvio yhtä kaukana olevien tummien ja vaaleiden juovien muodossa, jotka ovat yhdensuuntaisia ​​raon kanssa, joka voidaan asentaa missä tahansa säteen limitysalueella. Kaistojen välistä etäisyyttä voidaan käyttää valon aallonpituuden määrittämiseen. PV:llä tehdyt kokeet olivat yksi ratkaisevista todisteista valon aaltoluonteesta.

9. Valon häiriö ohuissa kalvoissa. Edellytykset vaaleiden ja tummien juovien muodostumiselle heijastuneessa ja läpäisevässä valossa.

10. Samankaltaiset raidat ja saman paksuiset raidat. Newtonin interferenssi soi. Tummien ja vaaleiden renkaiden säteet.

11. Valon häiriö ohuissa kalvoissa normaalin valon tulon yhteydessä. Optisten laitteiden valaistus.

12. Michelsonin ja Jaminin optiset interferometrit. Aineen taitekertoimen määritys kaksisäteisten interferometrien avulla.

13. Valon monitieinterferenssin käsite. Fabry-Perot interferometri. Äärillisen määrän samanamplitudisia aaltoja summaus, joiden vaiheet muodostavat aritmeettisen progression. Tuloksena olevan aallon intensiteetin riippuvuus häiritsevien aaltojen vaihe-erosta. Edellytys häiriön päämaksimien ja -minimien muodostumiselle. Monisädehäiriökuvion luonne.

14. Aaltodiffraktion käsite. Geometrisen optiikan lakien aaltoparametri ja sovellettavuusrajat. Huygens-Fresnel-periaate.

15. Fresnel-vyöhykkeiden menetelmä ja todiste valon suoraviivaisesta etenemisestä.

16. Fresnel-diffraktio pyöreän reiän avulla. Fresnel-alueen säteet pallomaisille ja tasoaaltorinteille.

17. Valon diffraktio läpinäkymättömällä levyllä. Fresnel-vyöhykkeiden pinta-alan laskeminen.

18. Ongelma aallon amplitudin kasvattamisessa kulkiessaan pyöreän reiän läpi. Amplitudi- ja vaihevyöhykelevyt. Tarkennus- ja vyöhykelevyt. Fokusoiva linssi porrastetun vaihevyöhykelevyn rajoittavana kotelona. Zoning-linssit.