Perambatan gelombang elektromagnetik di berbagai media mematuhi hukum pemantulan dan pembiasan. Dari hukum-hukum ini, dalam kondisi tertentu, satu efek menarik mengikuti, yang dalam fisika disebut pemantulan internal total cahaya. Mari kita lihat lebih dekat apa efek ini.

Pemantulan dan pembiasan

Sebelum melanjutkan langsung ke pembahasan pemantulan total internal cahaya, perlu diberikan penjelasan tentang proses pemantulan dan pembiasan.

Pemantulan dipahami sebagai perubahan arah gerakan berkas cahaya dalam medium yang sama ketika bertemu antarmuka. Misalnya, jika Anda mengarahkan dari penunjuk laser ke cermin, Anda dapat mengamati efek yang dijelaskan.

Pembiasan, seperti pemantulan, adalah perubahan arah gerakan cahaya, tetapi tidak pada medium pertama, tetapi pada medium kedua. Akibat dari fenomena ini adalah distorsi garis besar objek dan penataan ruangnya. Contoh umum dari pembiasan adalah pecahnya pensil atau pena jika ditempatkan dalam segelas air.

Pembiasan dan pemantulan saling berkaitan. Mereka hampir selalu hadir bersama: sebagian energi sinar dipantulkan, dan sebagian lainnya dibiaskan.

Kedua fenomena tersebut merupakan hasil penerapan prinsip Fermat. Dia mengklaim bahwa cahaya bergerak di sepanjang lintasan antara dua titik yang membutuhkan waktu paling sedikit.

Karena pemantulan adalah efek yang terjadi pada satu medium, dan pembiasan terjadi pada dua media, penting bagi media yang terakhir bahwa kedua media transparan terhadap gelombang elektromagnetik.

Konsep indeks bias

Indeks bias adalah besaran penting untuk deskripsi matematis dari fenomena yang sedang dipertimbangkan. Indeks bias medium tertentu ditentukan sebagai berikut:

Dimana c dan v masing-masing adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan materi. Nilai v selalu lebih kecil dari c, sehingga eksponen n akan lebih besar dari satu. Koefisien tak berdimensi n menunjukkan seberapa banyak cahaya dalam suatu zat (medium) akan tertinggal dari cahaya dalam ruang hampa. Perbedaan antara kecepatan ini menyebabkan munculnya fenomena pembiasan.

Kecepatan cahaya dalam materi berkorelasi dengan kepadatan yang terakhir. Semakin padat medium, semakin sulit bagi cahaya untuk bergerak di dalamnya. Misalnya, untuk udara n = 1.00029, yaitu, hampir seperti vakum, untuk air n = 1,333.

Pemantulan, Pembiasan dan Hukumnya

Contoh mencolok dari hasil refleksi total adalah permukaan berlian yang mengkilap. Indeks bias berlian adalah 2,43, begitu banyak sinar cahaya yang mengenai permata mengalami beberapa refleksi total sebelum meninggalkannya.

Masalah menentukan sudut kritis c untuk berlian

Mari kita pertimbangkan masalah sederhana, di mana kami akan menunjukkan cara menggunakan rumus di atas. Penting untuk menghitung berapa banyak sudut kritis refleksi total akan berubah jika berlian ditempatkan dari udara ke dalam air.

Setelah melihat tabel untuk nilai indeks bias media yang ditunjukkan, kami menuliskannya:

• untuk udara: n 1 = 1.00029;
• untuk air: n 2 = 1,333;
• untuk berlian: n 3 = 2,43.

Sudut kritis untuk pasangan berlian-udara adalah:

c1 \u003d arcsin (n 1 / n 3) \u003d arcsin (1.00029 / 2.43) 24,31 o.

Seperti yang Anda lihat, sudut kritis untuk pasangan media ini cukup kecil, yaitu, hanya sinar itu yang dapat meninggalkan berlian ke udara yang akan lebih dekat ke normal dari 24,31 o .

Untuk kasus berlian dalam air, kita mendapatkan:

c2 \u003d arcsin (n 2 / n 3) \u003d arcsin (1.333 / 2.43) 33.27 o.

Kenaikan sudut kritis adalah:

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

Sedikit peningkatan pada sudut kritis untuk pantulan total cahaya dalam berlian mengarah pada fakta bahwa ia berkilau di air hampir sama dengan di udara.

Jika n 1 >n 2, maka >α, mis. jika cahaya merambat dari media optik lebih rapat ke media optik kurang rapat, maka sudut bias lebih besar dari sudut datang (Gbr. 3)

Batasi sudut datang. Jika =α p,=90˚ dan balok akan meluncur sepanjang antarmuka udara-air.

Jika '>α p, maka cahaya tidak akan masuk ke medium transparan kedua, karena akan sepenuhnya tercermin. Fenomena ini disebut refleksi penuh cahaya. Sudut datang p, di mana sinar bias meluncur sepanjang antarmuka antara media, disebut sudut pemantulan total.

Refleksi total dapat diamati dalam prisma kaca persegi panjang sama kaki (Gbr. 4), yang banyak digunakan dalam periskop, teropong, refraktometer, dll.

a) Cahaya jatuh tegak lurus pada permukaan pertama dan karena itu tidak mengalami pembiasan di sini (α=0 dan =0). Sudut datang pada muka kedua =45˚, yaitu>α p, (untuk kaca p =42˚). Oleh karena itu, pada wajah ini, cahaya dipantulkan sepenuhnya. Ini adalah prisma putar yang memutar balok 90˚.

b) Dalam hal ini, cahaya di dalam prisma mengalami pemantulan total dua kali lipat. Ini juga merupakan prisma putar yang memutar balok sebesar 180˚.

c) Dalam hal ini, prisma sudah terbalik. Ketika sinar meninggalkan prisma, mereka sejajar dengan sinar datang, tetapi dalam hal ini sinar datang atas menjadi lebih rendah, dan yang lebih rendah menjadi atas.

Fenomena refleksi total telah menemukan aplikasi teknis yang luas dalam panduan cahaya.

Panduan cahaya adalah sejumlah besar filamen kaca tipis, yang diameternya sekitar 20 mikron, dan masing-masing panjangnya sekitar 1 m. Utas ini sejajar satu sama lain dan terletak dekat (Gbr. 5)

Setiap filamen dikelilingi oleh cangkang kaca tipis, yang indeks biasnya lebih kecil dari filamen itu sendiri. Panduan cahaya memiliki dua ujung, pengaturan timbal balik dari ujung benang di kedua ujung panduan cahaya benar-benar sama.

Jika sebuah benda diletakkan di salah satu ujung light guide dan disinari, maka bayangan benda tersebut akan muncul di ujung light guide yang lain.

Gambar diperoleh karena fakta bahwa cahaya dari beberapa area kecil objek memasuki ujung masing-masing utas. Mengalami banyak refleksi total, cahaya muncul dari ujung filamen yang berlawanan, mentransmisikan pantulan area kecil objek tertentu.

Karena lokasi utas relatif satu sama lain benar-benar sama, kemudian gambar objek yang sesuai muncul di ujung yang lain. Kejernihan gambar tergantung pada diameter utas. Semakin kecil diameter setiap utas, semakin jelas bayangan objeknya. Hilangnya energi cahaya di sepanjang jalur berkas cahaya biasanya relatif kecil dalam bundel (panduan cahaya), karena dengan refleksi total koefisien refleksi relatif tinggi (~0.9999). Kehilangan energi terutama karena penyerapan cahaya oleh zat di dalam serat.

Misalnya, di bagian spektrum yang terlihat dalam serat sepanjang 1 m, 30-70% energi hilang (tetapi dalam bundel).

Oleh karena itu, untuk mentransmisikan fluks cahaya besar dan menjaga fleksibilitas sistem pemandu cahaya, serat individu dirakit menjadi bundel (bundel) - panduan ringan.

Panduan cahaya banyak digunakan dalam pengobatan untuk menerangi rongga internal dengan cahaya dingin dan mentransmisikan gambar. endoskopi- alat khusus untuk memeriksa rongga internal (perut, rektum, dll.). Dengan bantuan panduan cahaya, radiasi laser ditransmisikan untuk efek terapeutik pada tumor. Ya, dan retina manusia adalah sistem serat optik yang sangat terorganisir yang terdiri dari ~ 130x108 serat.

optik geometris dan gelombang. Kondisi untuk menerapkan pendekatan ini (dari rasio panjang gelombang dan ukuran objek). koherensi gelombang. Konsep koherensi spasial dan temporal. emisi paksa. Fitur radiasi laser. Struktur dan prinsip pengoperasian laser.

Karena fakta bahwa cahaya adalah fenomena gelombang, interferensi terjadi, sebagai akibatnya terbatas berkas cahaya tidak merambat ke satu arah, tetapi memiliki distribusi sudut yang terbatas, yaitu difraksi terjadi. Namun, dalam kasus di mana karakteristik dimensi transversal berkas cahaya cukup besar dibandingkan dengan panjang gelombang, seseorang dapat mengabaikan divergensi berkas cahaya dan menganggap bahwa itu merambat dalam satu arah tunggal: sepanjang berkas cahaya.

Optik gelombang adalah cabang optik yang menjelaskan perambatan cahaya, dengan mempertimbangkan sifat gelombangnya. Fenomena optik gelombang - interferensi, difraksi, polarisasi, dll.

Interferensi gelombang - penguatan timbal balik atau atenuasi amplitudo dua atau lebih gelombang koheren yang merambat secara simultan di ruang angkasa.

Difraksi gelombang adalah fenomena yang memanifestasikan dirinya sebagai penyimpangan dari hukum optik geometris selama perambatan gelombang.

Polarisasi - proses dan status yang terkait dengan pemisahan objek apa pun, terutama di ruang angkasa.

Dalam fisika, koherensi adalah korelasi (konsistensi) dari beberapa proses osilasi atau gelombang dalam waktu, yang memanifestasikan dirinya ketika mereka ditambahkan. Getaran dikatakan koheren jika perbedaan antara fase-fasenya konstan dalam waktu dan ketika osilasi ditambahkan, diperoleh osilasi dengan frekuensi yang sama.

Jika beda fasa dari dua osilasi berubah sangat lambat, maka osilasi tersebut dikatakan koheren selama beberapa waktu. Waktu ini disebut waktu koherensi.

Koherensi spasial - koherensi osilasi yang terjadi pada saat yang sama pada titik yang berbeda dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

Emisi terstimulasi - generasi foton baru selama transisi sistem kuantum (atom, molekul, nukleus, dll.) dari keadaan tereksitasi ke keadaan stabil (tingkat energi lebih rendah) di bawah pengaruh foton penginduksi, energi yang sama dengan perbedaan tingkat energi. Foton yang terbentuk memiliki energi, momentum, fase, dan polarisasi yang sama dengan foton penginduksi (yang tidak diserap).

Radiasi laser dapat terus menerus, dengan kekuatan konstan, atau berdenyut, mencapai kekuatan puncak yang sangat tinggi. Dalam beberapa skema, elemen kerja laser digunakan sebagai penguat optik untuk radiasi dari sumber lain.

Dasar fisik untuk pengoperasian laser adalah fenomena radiasi yang dirangsang (diinduksi). Inti dari fenomena ini adalah bahwa atom yang tereksitasi mampu memancarkan foton di bawah pengaruh foton lain tanpa penyerapannya, jika energi yang terakhir sama dengan perbedaan energi tingkat atom sebelum dan sesudah penyerapan. radiasi. Dalam hal ini, foton yang dipancarkan koheren dengan foton yang menyebabkan radiasi (itu adalah "salinan persisnya"). Ini adalah bagaimana cahaya diperkuat. Fenomena ini berbeda dari emisi spontan, di mana foton yang dipancarkan memiliki arah propagasi, polarisasi, dan fase yang acak.

Semua laser terdiri dari tiga bagian utama:

lingkungan aktif (bekerja);

sistem pemompaan (sumber energi);

resonator optik (mungkin tidak ada jika laser beroperasi dalam mode amplifier).

Masing-masing menyediakan pengoperasian laser untuk melakukan fungsi spesifiknya.

Optik geometris. Fenomena refleksi internal total. Membatasi sudut refleksi total. Kursus sinar. serat optik.

Optik geometris adalah cabang optik yang mempelajari hukum perambatan cahaya dalam media transparan dan prinsip membangun gambar selama perjalanan cahaya dalam sistem optik tanpa memperhitungkan sifat gelombangnya.

Pantulan internal total adalah pemantulan internal asalkan sudut datang melebihi beberapa sudut kritis. Dalam hal ini, gelombang datang dipantulkan sepenuhnya, dan nilai koefisien refleksi melebihi nilai tertinggi untuk permukaan yang dipoles. Koefisien pemantulan untuk pemantulan internal total tidak bergantung pada panjang gelombang.

Membatasi sudut refleksi internal total

Sudut datang di mana sinar bias mulai meluncur sepanjang antarmuka antara dua media tanpa transisi ke media optik lebih rapat

jalur sinar pada cermin, prisma dan lensa

Sinar cahaya dari sumber titik merambat ke segala arah. Dalam sistem optik, membungkuk ke belakang dan memantul dari antarmuka antara media, beberapa sinar dapat berpotongan lagi di beberapa titik. Suatu titik disebut bayangan titik. Ketika sinar dipantulkan cermin, hukum terpenuhi: "sinar pantul selalu terletak pada bidang yang sama dengan sinar datang dan normal ke permukaan pantul, yang melewati titik datang, dan sudut datang dikurangi dari normal ini sama dengan sudut pantul."

Serat optik - istilah ini berarti

cabang optik yang mempelajari fenomena fisik yang terjadi dan terjadi pada serat optik, atau

produk industri rekayasa presisi, yang meliputi komponen berbasis serat optik.

Perangkat serat optik termasuk laser, amplifier, multiplexer, demultiplexer, dan sejumlah lainnya. Komponen serat optik termasuk isolator, cermin, konektor, splitter, dll. Dasar dari perangkat serat optik adalah sirkuit optiknya - satu set komponen serat optik yang terhubung dalam urutan tertentu. Sirkuit optik dapat ditutup atau terbuka, dengan atau tanpa umpan balik.

Pertama, mari kita berfantasi sedikit. Bayangkan suatu hari musim panas SM, seorang pria primitif berburu ikan dengan tombak. Dia memperhatikan posisinya, membidik dan menyerang untuk beberapa alasan sama sekali tidak di tempat ikan itu terlihat. Dirindukan? Tidak, nelayan memiliki mangsa di tangannya! Masalahnya adalah nenek moyang kita secara intuitif memahami topik yang akan kita pelajari sekarang. Dalam kehidupan sehari-hari, kita melihat sendok yang dicelupkan ke dalam segelas air tampak bengkok, ketika kita melihat melalui toples kaca, benda tampak bengkok. Kami akan mempertimbangkan semua pertanyaan ini dalam pelajaran, yang temanya adalah: “Pembiasan cahaya. Hukum pembiasan cahaya. Refleksi internal total.

Dalam pelajaran sebelumnya, kita berbicara tentang nasib sinar dalam dua kasus: apa yang terjadi jika sinar cahaya merambat dalam media homogen transparan? Jawaban yang benar adalah bahwa itu akan menyebar dalam garis lurus. Dan apa yang akan terjadi ketika seberkas cahaya jatuh pada antarmuka antara dua media? Dalam pelajaran terakhir kita berbicara tentang sinar pantul, hari ini kita akan mempertimbangkan bagian dari berkas cahaya yang diserap oleh medium.

Bagaimana nasib berkas yang telah menembus dari media transparan optik pertama ke media transparan optik kedua?

Beras. 1. Pembiasan cahaya

Jika sinar jatuh pada antarmuka antara dua media transparan, maka sebagian energi cahaya kembali ke media pertama, menciptakan sinar yang dipantulkan, dan bagian lainnya masuk ke media kedua dan, sebagai aturan, mengubah arahnya.

Perubahan arah rambat cahaya dalam hal perjalanannya melalui antarmuka antara dua media disebut pembiasan cahaya(Gbr. 1).

Beras. 2. Sudut datang, refraksi, dan refleksi

Pada Gambar 2 kita melihat sinar datang, sudut datang akan dilambangkan dengan . Berkas yang akan mengatur arah sinar bias disebut sinar bias. Sudut antara tegak lurus terhadap antarmuka antara media, dipulihkan dari titik datang, dan sinar bias disebut sudut bias, pada gambar ini adalah sudut . Untuk melengkapi gambar, kami juga memberikan gambar sinar pantul dan, karenanya, sudut pantul . Apa hubungan antara sudut datang dan sudut bias, apakah mungkin untuk memprediksi, mengetahui sudut datang dan dari media mana berkas dilewatkan ke mana, apa yang akan menjadi sudut bias? Ternyata kamu bisa!

Kami memperoleh hukum yang secara kuantitatif menggambarkan hubungan antara sudut datang dan sudut bias. Mari kita gunakan prinsip Huygens, yang mengatur perambatan gelombang dalam medium. Hukum terdiri dari dua bagian.

Sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus yang dikembalikan ke titik datang terletak pada bidang yang sama.

Rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media yang diberikan dan sama dengan rasio kecepatan cahaya di media ini.

Hukum ini disebut hukum Snell, menurut ilmuwan Belanda yang pertama kali merumuskannya. Penyebab terjadinya pembiasan adalah perbedaan kecepatan cahaya pada medium yang berbeda. Anda dapat memverifikasi validitas hukum pembiasan dengan mengarahkan seberkas cahaya secara eksperimental pada sudut yang berbeda ke antarmuka antara dua media dan mengukur sudut datang dan pembiasan. Jika kita mengubah sudut-sudut ini, mengukur sinus dan menemukan rasio sinus sudut-sudut ini, kita akan yakin bahwa hukum pembiasan memang valid.

Bukti hukum pembiasan menggunakan prinsip Huygens adalah konfirmasi lain dari sifat gelombang cahaya.

Indeks bias relatif n 21 menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya V1 dalam medium pertama berbeda dari kecepatan cahaya V2 dalam medium kedua.

Indeks bias relatif adalah demonstrasi yang jelas dari fakta bahwa alasan perubahan arah cahaya ketika melewati dari satu medium ke medium lain adalah perbedaan kecepatan cahaya di dua media. Istilah "kerapatan optik suatu media" sering digunakan untuk mengkarakterisasi sifat optik suatu media (Gbr. 3).

Beras. 3. Kerapatan optik medium (α > )

Jika berkas melewati dari medium dengan kecepatan cahaya yang lebih tinggi ke medium dengan kecepatan cahaya yang lebih rendah, maka, seperti dapat dilihat dari Gambar 3 dan hukum pembiasan cahaya, itu akan ditekan terhadap tegak lurus, yaitu , sudut bias lebih kecil dari sudut datang. Dalam hal ini, berkas dikatakan telah berpindah dari media optik yang kurang rapat ke media yang lebih rapat secara optik. Contoh: dari udara ke air; dari air ke gelas.

Situasi sebaliknya juga mungkin terjadi: kecepatan cahaya di medium pertama lebih kecil dari kecepatan cahaya di medium kedua (Gbr. 4).

Beras. 4. Kerapatan optik medium (α< γ)

Kemudian sudut bias akan lebih besar dari sudut datang, dan transisi seperti itu akan dikatakan terjadi dari media yang lebih rapat secara optik ke media yang kurang rapat secara optik (dari kaca ke air).

Kerapatan optik dari dua media dapat berbeda cukup signifikan, sehingga situasi yang ditunjukkan dalam foto (Gbr. 5) menjadi mungkin:

Beras. 5. Perbedaan antara kerapatan optik media

Perhatikan bagaimana kepala dipindahkan relatif terhadap tubuh, yang berada dalam cairan, dalam media dengan kepadatan optik yang lebih tinggi.

Namun, indeks bias relatif tidak selalu merupakan karakteristik yang nyaman untuk bekerja, karena itu tergantung pada kecepatan cahaya di media pertama dan kedua, tetapi bisa ada banyak kombinasi dan kombinasi dua media (air - udara, kaca). - berlian, gliserin - alkohol , gelas - air dan sebagainya). Tabel akan sangat rumit, akan merepotkan untuk bekerja, dan kemudian mereka memperkenalkan satu lingkungan absolut, dibandingkan dengan yang mereka bandingkan kecepatan cahaya di lingkungan lain. Vakum dipilih sebagai yang mutlak dan kecepatan cahaya dibandingkan dengan kecepatan cahaya dalam vakum.

Indeks bias mutlak medium n- ini adalah nilai yang mencirikan kepadatan optik medium dan sama dengan rasio kecepatan cahaya Dengan dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam media tertentu.

Indeks bias mutlak lebih nyaman untuk bekerja, karena kita selalu tahu kecepatan cahaya dalam ruang hampa, itu sama dengan 3·108 m/s dan merupakan konstanta fisik universal.

Indeks bias mutlak tergantung pada parameter eksternal: suhu, kepadatan, dan juga pada panjang gelombang cahaya, sehingga tabel biasanya menunjukkan indeks bias rata-rata untuk rentang panjang gelombang tertentu. Jika kita membandingkan indeks bias udara, air dan kaca (Gbr. 6), kita melihat bahwa indeks bias udara mendekati satu, jadi kita akan menganggapnya sebagai satu unit ketika menyelesaikan masalah.

Beras. 6. Tabel indeks bias absolut untuk media yang berbeda

Sangat mudah untuk mendapatkan hubungan antara indeks bias absolut dan relatif media.

Indeks bias relatif, yaitu untuk berkas yang melewati dari medium satu ke medium dua, sama dengan perbandingan indeks bias mutlak pada medium kedua dengan indeks bias mutlak pada medium pertama.

Contoh: = 1.16

Jika indeks bias mutlak kedua media hampir sama, ini berarti indeks bias relatif selama transisi dari satu media ke media lain akan sama dengan satu, yaitu berkas cahaya sebenarnya tidak dibiaskan. Misalnya, ketika berpindah dari minyak adas manis ke permata, beryl praktis tidak akan menyimpang cahaya, yaitu, ia akan berperilaku seperti ketika melewati minyak adas manis, karena indeks biasnya masing-masing adalah 1,56 dan 1,57, sehingga permata dapat cara bersembunyi dalam cairan, itu tidak akan terlihat.

Jika Anda menuangkan air ke dalam gelas transparan dan melihat melalui dinding kaca ke dalam cahaya, maka kita akan melihat kilau keperakan pada permukaan karena fenomena refleksi internal total, yang akan dibahas sekarang. Ketika berkas cahaya berpindah dari media optik yang lebih rapat ke media optik yang kurang rapat, efek yang menarik dapat diamati. Untuk kepastian, kita akan menganggap bahwa cahaya berpindah dari air ke udara. Mari kita asumsikan bahwa ada sumber titik cahaya S di kedalaman reservoir, memancarkan sinar ke segala arah. Misalnya, seorang penyelam menyorotkan senter.

Balok SO 1 jatuh dipermukaan air dengan sudut terkecil, sinar ini dibiaskan sebagian – sinar O 1 A 1 dan sebagian dipantulkan kembali ke dalam air – sinar O 1 B 1. Dengan demikian, sebagian energi sinar datang ditransfer ke sinar bias, dan bagian energi yang tersisa ditransfer ke sinar pantul.

Beras. 7. Total refleksi internal

Sinar SO 2, yang sudut datangnya lebih besar, juga dibagi menjadi dua sinar: dibiaskan dan dipantulkan, tetapi energi sinar asli didistribusikan di antara mereka dengan cara yang berbeda: sinar bias O 2 A 2 akan lebih redup daripada sinar balok O 1 A 1, yaitu, ia akan menerima fraksi energi yang lebih kecil, dan sinar pantul O 2 V 2, masing-masing, akan lebih terang daripada balok O 1 V 1, yaitu, ia akan menerima bagian yang lebih besar dari energi. Ketika sudut datang meningkat, keteraturan yang sama dilacak - bagian yang meningkat dari energi sinar datang ke sinar yang dipantulkan dan bagian yang lebih kecil ke sinar yang dibiaskan. Sinar bias menjadi redup dan pada titik tertentu menghilang sepenuhnya, hilangnya ini terjadi ketika sudut datang tercapai, yang sesuai dengan sudut bias 90 0 . Dalam situasi ini, sinar bias OA harus sejajar dengan permukaan air, tetapi tidak ada yang pergi - semua energi sinar datang SO pergi sepenuhnya ke sinar pantul OB. Secara alami, dengan peningkatan lebih lanjut dalam sudut datang, sinar yang dibiaskan tidak akan ada. Fenomena yang dijelaskan adalah refleksi internal total, yaitu, media optik yang lebih padat pada sudut yang dipertimbangkan tidak memancarkan sinar dari dirinya sendiri, semuanya dipantulkan di dalamnya. Sudut di mana fenomena ini terjadi disebut membatasi sudut refleksi internal total.

Nilai sudut pembatas mudah ditemukan dari hukum pembiasan:

= => = arcsin, untuk air 49 0

Aplikasi yang paling menarik dan populer dari fenomena refleksi internal total adalah yang disebut pandu gelombang, atau serat optik. Ini persis cara pensinyalan yang digunakan oleh perusahaan telekomunikasi modern di Internet.

Kami mendapat hukum pembiasan cahaya, memperkenalkan konsep baru - indeks bias relatif dan absolut, dan juga menemukan fenomena refleksi internal total dan aplikasinya, seperti serat optik. Anda dapat mengkonsolidasikan pengetahuan dengan memeriksa tes dan simulator yang relevan di bagian pelajaran.

Mari kita dapatkan bukti hukum pembiasan cahaya menggunakan prinsip Huygens. Penting untuk dipahami bahwa penyebab pembiasan adalah perbedaan kecepatan cahaya di dua media yang berbeda. Mari kita nyatakan kecepatan cahaya di medium pertama V 1 , dan di medium kedua - V 2 (Gbr. 8).

Beras. 8. Bukti hukum pembiasan cahaya

Biarkan gelombang cahaya pesawat jatuh pada antarmuka datar antara dua media, misalnya, dari udara ke air. Permukaan gelombang AC tegak lurus terhadap sinar dan , antarmuka antara media MN pertama mencapai balok , dan balok mencapai permukaan yang sama setelah selang waktu t, yang akan sama dengan jalur SW dibagi dengan kecepatan cahaya di media pertama.

Oleh karena itu, pada saat gelombang sekunder di titik B baru mulai tereksitasi, gelombang dari titik A sudah berbentuk belahan bumi dengan jari-jari AD, yang sama dengan kecepatan cahaya di medium kedua dengan t: AD = t, yaitu prinsip Huygens dalam aksi visual . Permukaan gelombang dari gelombang yang dibiaskan dapat diperoleh dengan menggambar garis singgung permukaan untuk semua gelombang sekunder dalam medium kedua, yang pusat-pusatnya terletak pada antarmuka antara media, dalam hal ini adalah bidang BD, itu adalah selubung dari gelombang sekunder. Sudut datang balok sama dengan sudut CAB dalam segitiga ABC, sisi salah satu sudut ini tegak lurus dengan sisi yang lain. Oleh karena itu, SW akan sama dengan kecepatan cahaya di medium pertama sebesar t

CB = t = AB sin

Pada gilirannya, sudut bias akan sama dengan sudut ABD pada segitiga ABD, oleh karena itu:

AD = t = AB sin

Membagi ekspresi istilah dengan istilah, kita mendapatkan:

n adalah nilai konstanta yang tidak bergantung pada sudut datang.

Kami telah memperoleh hukum pembiasan cahaya, sinus sudut datang ke sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media yang diberikan dan sama dengan rasio kecepatan cahaya di dua media yang diberikan.

Sebuah kapal kubik dengan dinding buram terletak sedemikian rupa sehingga mata pengamat tidak melihat dasarnya, tetapi sepenuhnya melihat dinding CD kapal. Berapa banyak air yang harus dituangkan ke dalam bejana agar pengamat dapat melihat benda F yang terletak pada jarak b = 10 cm dari sudut D? Tepi kapal = 40 cm (Gbr. 9).

Apa yang sangat penting dalam menyelesaikan masalah ini? Coba tebak karena mata tidak melihat bagian bawah bejana, tetapi melihat titik terjauh dari dinding samping, dan bejana itu berbentuk kubus, maka sudut datang balok di permukaan air ketika kita menuangkannya akan sama dengan 45 0.

Beras. 9. Tugas ujian

Balok jatuh ke titik F, yang berarti bahwa kita melihat objek dengan jelas, dan garis putus-putus hitam menunjukkan arah sinar jika tidak ada air, yaitu ke titik D. Dari segitiga NFC, garis singgung sudut , tangen sudut bias, adalah rasio kaki yang berlawanan dengan kaki yang berdekatan atau, berdasarkan gambar, h dikurangi b dibagi dengan h.

tg = = , h adalah tinggi zat cair yang kita tuangkan;

Fenomena paling intens dari refleksi internal total digunakan dalam sistem serat optik.

Beras. 10. Serat optik

Jika seberkas cahaya diarahkan ke ujung tabung kaca padat, maka setelah beberapa kali pemantulan internal total, sinar akan muncul dari sisi tabung yang berlawanan. Ternyata tabung gelas merupakan penghantar gelombang cahaya atau pandu gelombang. Ini akan terjadi apakah tabung itu lurus atau melengkung (Gambar 10). Panduan cahaya pertama, ini adalah nama kedua pemandu gelombang, digunakan untuk menerangi tempat-tempat yang sulit dijangkau (selama penelitian medis, ketika cahaya disuplai ke salah satu ujung pemandu cahaya, dan ujung lainnya menerangi tempat yang tepat) . Aplikasi utama adalah obat-obatan, defectoscopy motor, bagaimanapun, pandu gelombang tersebut paling banyak digunakan dalam sistem transmisi informasi. Frekuensi pembawa gelombang cahaya adalah satu juta kali frekuensi sinyal radio, yang berarti bahwa jumlah informasi yang dapat kita pancarkan menggunakan gelombang cahaya adalah jutaan kali lebih besar daripada jumlah informasi yang ditransmisikan oleh gelombang radio. Ini adalah kesempatan bagus untuk menyampaikan sejumlah besar informasi dengan cara yang sederhana dan murah. Sebagai aturan, informasi ditransmisikan melalui kabel serat menggunakan radiasi laser. Serat optik sangat diperlukan untuk transmisi sinyal komputer yang cepat dan berkualitas tinggi yang berisi sejumlah besar informasi yang ditransmisikan. Dan inti dari semua ini terletak pada fenomena sederhana dan umum seperti pembiasan cahaya.

Bibliografi

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fisika (tingkat dasar) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fisika kelas 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fisika - 9, Moskow, Pendidikan, 1990.

1. edu.glavsprav.ru ().
2. Nvtc.ee ().
3. Raal100.narod.ru ().
4. Optika.ucoz.ru ().

Pekerjaan rumah

1. Definisi pembiasan cahaya.
2. Sebutkan penyebab terjadinya pembiasan cahaya!
3. Sebutkan aplikasi yang paling populer dari refleksi internal total.

Pada sudut datang cahaya tertentu $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, yang disebut membatasi sudut, sudut bias sama dengan $\frac(\pi )(2),\ $dalam hal ini, sinar bias meluncur sepanjang antarmuka antara media, oleh karena itu, tidak ada sinar bias. Kemudian, dari hukum pembiasan, kita dapat menulis bahwa:

Gambar 1.

Dalam kasus refleksi total, persamaannya adalah:

tidak memiliki solusi di wilayah nilai nyata sudut bias ($(\alpha )_(pr)$). Dalam hal ini, $cos((\alpha )_(pr))$ adalah murni imajiner. Jika kita beralih ke Rumus Fresnel, maka akan lebih mudah untuk merepresentasikannya dalam bentuk:

di mana sudut datang dilambangkan dengan $\alpha $ (untuk singkatnya), $n$ adalah indeks bias medium tempat cahaya merambat.

Rumus Fresnel menunjukkan bahwa modul $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left |E_(otr//)\right|$ yang artinya pantulannya "penuh".

Catatan 1

Perlu dicatat bahwa gelombang tidak homogen tidak hilang dalam medium kedua. Jadi, jika $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ tidak ada kasus. Karena rumus Fresnel berlaku untuk medan monokromatik, yaitu untuk proses tetap. Dalam hal ini, hukum kekekalan energi mensyaratkan bahwa perubahan rata-rata energi selama periode dalam medium kedua sama dengan nol. Gelombang dan fraksi energi yang sesuai menembus melalui antarmuka ke medium kedua ke kedalaman dangkal dari urutan panjang gelombang dan bergerak di dalamnya sejajar dengan antarmuka dengan kecepatan fase yang kurang dari kecepatan fase gelombang di media kedua. Ini kembali ke lingkungan pertama pada titik yang diimbangi dari titik masuk.

Penetrasi gelombang ke medium kedua dapat diamati dalam percobaan. Intensitas gelombang cahaya dalam medium kedua hanya terlihat pada jarak yang lebih kecil dari panjang gelombang. Di dekat antarmuka tempat gelombang cahaya jatuh, yang mengalami pemantulan total, di sisi media kedua, cahaya lapisan tipis dapat dilihat jika ada zat fluoresen di media kedua.

Pemantulan total menyebabkan fatamorgana terjadi ketika permukaan bumi berada pada suhu tinggi. Jadi, total pantulan cahaya yang berasal dari awan menimbulkan kesan adanya genangan air di permukaan aspal yang dipanaskan.

Dalam refleksi normal, relasi $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ dan $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ selalu real . Di bawah refleksi total mereka kompleks. Artinya dalam hal ini fase gelombang mengalami lompatan, sedangkan berbeda dengan nol atau $\pi $. Jika gelombang terpolarisasi tegak lurus terhadap bidang datang, maka kita dapat menulis:

di mana $(\delta )_(\bot )$ adalah lompatan fase yang diinginkan. Menyamakan bagian nyata dan imajiner, kami memiliki:

Dari ekspresi (5) kita peroleh:

Dengan demikian, untuk gelombang yang terpolarisasi pada bidang datang, dapat diperoleh:

Lompatan fase $(\delta )_(//)$ dan $(\delta )_(\bot )$ tidak sama. Gelombang pantul akan terpolarisasi elips.

Penerapan refleksi total

Mari kita asumsikan bahwa dua media identik dipisahkan oleh celah udara tipis. Gelombang cahaya jatuh padanya dengan sudut yang lebih besar dari batasnya. Mungkin saja ia akan menembus celah udara sebagai gelombang yang tidak homogen. Jika ketebalan celah kecil, maka gelombang ini akan mencapai batas kedua zat dan tidak akan terlalu melemah. Setelah melewati celah udara ke dalam zat, gelombang akan berubah lagi menjadi homogen. Eksperimen semacam itu dilakukan oleh Newton. Ilmuwan menekan prisma lain, yang dipoles berbentuk bola, ke sisi miring dari prisma persegi panjang. Dalam hal ini, cahaya masuk ke prisma kedua tidak hanya di tempat mereka bersentuhan, tetapi juga di cincin kecil di sekitar kontak, di tempat di mana ketebalan celah sebanding dengan panjang gelombang. Jika pengamatan dilakukan dalam cahaya putih, maka tepi cincin memiliki warna kemerahan. Ini memang seharusnya, karena kedalaman penetrasi sebanding dengan panjang gelombang (untuk sinar merah lebih besar daripada sinar biru). Dengan mengubah ketebalan celah, dimungkinkan untuk mengubah intensitas cahaya yang ditransmisikan. Fenomena ini membentuk dasar telepon ringan, yang dipatenkan oleh Zeiss. Dalam perangkat ini, membran transparan bertindak sebagai salah satu media, yang berosilasi di bawah aksi insiden suara di atasnya. Cahaya yang melewati celah udara berubah intensitasnya seiring waktu dengan perubahan kekuatan suara. Masuk ke fotosel, itu menghasilkan arus bolak-balik, yang berubah sesuai dengan perubahan kekuatan suara. Arus yang dihasilkan diperkuat dan digunakan lebih lanjut.

Fenomena penetrasi gelombang melalui celah tipis tidak khusus untuk optik. Hal ini dimungkinkan untuk gelombang alam apapun, jika kecepatan fase di celah lebih tinggi dari kecepatan fase di lingkungan. Fenomena ini sangat penting dalam fisika nuklir dan atom.

Fenomena pemantulan internal total digunakan untuk mengubah arah rambat cahaya. Untuk tujuan ini, prisma digunakan.

Contoh 1

Latihan: Berikan contoh fenomena refleksi total yang sering dijumpai.

Keputusan:

Seseorang dapat memberikan contoh seperti itu. Jika jalan raya sangat panas, maka suhu udara maksimum di dekat permukaan aspal dan menurun dengan bertambahnya jarak dari jalan raya. Ini berarti bahwa indeks bias udara minimal di permukaan dan meningkat dengan bertambahnya jarak. Akibatnya, sinar-sinar yang memiliki sudut kecil terhadap permukaan jalan raya mengalami pemantulan total. Jika Anda memusatkan perhatian Anda, saat mengemudi di dalam mobil, di bagian permukaan jalan raya yang sesuai, Anda dapat melihat sebuah mobil terbalik cukup jauh di depan.

Contoh 2

Latihan: Berapakah sudut Brewster untuk seberkas cahaya yang jatuh pada permukaan kristal jika sudut batas pantul total berkas ini pada antarmuka kristal udara adalah 400?

Keputusan:

\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\kiri(2.2\kanan).\]

Dari ekspresi (2.1) kami memiliki:

Kami mengganti sisi kanan ekspresi (2.3) ke dalam rumus (2.2), kami menyatakan sudut yang diinginkan:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]

Mari kita lakukan perhitungan:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\approx 57()^\circ .\]

Menjawab:$(\alpha )_b=57()^\circ .$