A propagação de ondas eletromagnéticas em diversos meios obedece às leis de reflexão e refração. A partir dessas leis, sob certas condições, segue-se um efeito interessante, que em física é chamado de reflexão interna total da luz. Vamos dar uma olhada no que é esse efeito.

Reflexão e refração

Antes de prosseguir diretamente para a consideração da reflexão interna total da luz, é necessário dar uma explicação dos processos de reflexão e refração.

A reflexão é entendida como uma mudança na direção do movimento de um feixe de luz no mesmo meio quando encontra uma interface. Por exemplo, se você direcionar de um ponteiro laser para um espelho, poderá observar o efeito descrito.

A refração é, como a reflexão, uma mudança na direção do movimento da luz, mas não no primeiro, mas no segundo meio. O resultado desse fenômeno será uma distorção dos contornos dos objetos e seu arranjo espacial. Um exemplo comum de refração é a quebra de um lápis ou caneta se ele for colocado em um copo de água.

A refração e a reflexão estão relacionadas entre si. Eles estão quase sempre presentes juntos: parte da energia do feixe é refletida e a outra parte é refratada.

Ambos os fenômenos são o resultado da aplicação do princípio de Fermat. Ele afirma que a luz viaja ao longo de uma trajetória entre dois pontos que levará menos tempo.

Como a reflexão é um efeito que ocorre em um meio e a refração ocorre em dois meios, é importante para o último que ambos os meios sejam transparentes às ondas eletromagnéticas.

O conceito de índice de refração

O índice de refração é uma grandeza importante para a descrição matemática dos fenômenos considerados. O índice de refração de um determinado meio é determinado da seguinte forma:

Onde c e v são as velocidades da luz no vácuo e na matéria, respectivamente. O valor de v é sempre menor que c, então o expoente n será maior que um. O coeficiente adimensional n mostra quanta luz em uma substância (meio) ficará atrás da luz no vácuo. A diferença entre essas velocidades leva ao aparecimento do fenômeno de refração.

A velocidade da luz na matéria correlaciona-se com a densidade desta. Quanto mais denso o meio, mais difícil é para a luz se mover nele. Por exemplo, para o ar n = 1,00029, ou seja, quase como para o vácuo, para a água n = 1,333.

Reflexões, refração e suas leis

Um exemplo marcante do resultado da reflexão total são as superfícies brilhantes de um diamante. O índice de refração de um diamante é 2,43, então muitos raios de luz que atingem uma gema experimentam vários reflexos totais antes de deixá-la.

O problema de determinar o ângulo crítico θc para diamante

Vamos considerar um problema simples, onde mostraremos como usar as fórmulas acima. É necessário calcular quanto o ângulo crítico de reflexão total mudará se um diamante for colocado do ar para a água.

Tendo procurado na tabela os valores dos índices de refração dos meios indicados, nós os escrevemos:

• para ar: n 1 = 1,00029;
• para água: n2 = 1,333;
• para diamante: n 3 = 2,43.

O ângulo crítico para um par diamante-ar é:

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

Como você pode ver, o ângulo crítico para este par de meios é bem pequeno, ou seja, apenas aqueles raios podem deixar o diamante no ar que estará mais próximo do normal do que 24,31 o .

Para o caso de um diamante na água, temos:

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

O aumento do ângulo crítico foi:

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

Este ligeiro aumento no ângulo crítico para a reflexão total da luz no diamante leva ao fato de que ele brilha na água quase da mesma forma que no ar.

Se n 1 >n 2, então >α, i.e. se a luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso, então o ângulo de refração é maior que o ângulo de incidência (Fig. 3)

Ângulo limite de incidência. Se α=α p,=90˚ e o feixe deslizará ao longo da interface ar-água.

Se α'>α p, então a luz não passará para o segundo meio transparente, porque será totalmente refletido. Esse fenômeno é chamado reflexão total da luz. O ângulo de incidência αp, no qual o feixe refratado desliza ao longo da interface entre os meios, é chamado de ângulo limite de reflexão total.

A reflexão total pode ser observada em um prisma de vidro retangular isósceles (Fig. 4), que é amplamente utilizado em periscópios, binóculos, refratômetros, etc.

a) A luz incide perpendicularmente à primeira face e, portanto, não sofre refração aqui (α=0 e =0). O ângulo de incidência na segunda face α=45˚, ou seja,>α p, (para vidro α p =42˚). Portanto, nesta face, a luz é completamente refletida. Este é um prisma rotativo que gira o feixe 90˚.

b) Neste caso, a luz dentro do prisma já experimenta reflexão total dupla. Este também é um prisma rotativo que gira o feixe em 180˚.

c) Neste caso, o prisma já está invertido. Quando os raios saem do prisma, eles são paralelos aos incidentes, mas neste caso o feixe incidente superior torna-se inferior e o inferior torna-se superior.

O fenômeno da reflexão total encontrou ampla aplicação técnica em guias de luz.

O guia de luz é um grande número de filamentos de vidro fino, cujo diâmetro é de cerca de 20 mícrons e cada um tem cerca de 1 m de comprimento. Essas roscas são paralelas entre si e estão localizadas próximas (Fig. 5)

Cada filamento é cercado por uma fina camada de vidro, cujo índice de refração é menor que o do próprio filamento. O guia de luz tem duas extremidades, o arranjo mútuo das extremidades dos fios em ambas as extremidades do guia de luz é estritamente o mesmo.

Se um objeto for colocado em uma extremidade do guia de luz e iluminado, uma imagem desse objeto aparecerá na outra extremidade do guia de luz.

A imagem é obtida devido ao fato de que a luz de alguma pequena área do objeto entra no final de cada um dos fios. Experimentando muitos reflexos totais, a luz emerge da extremidade oposta do filamento, transmitindo o reflexo de uma determinada pequena área do objeto.

Porque a localização dos fios um em relação ao outro é estritamente a mesma, então a imagem correspondente do objeto aparece na outra extremidade. A clareza da imagem depende do diâmetro dos fios. Quanto menor o diâmetro de cada fio, mais nítida será a imagem do objeto. As perdas de energia luminosa ao longo do caminho do feixe de luz são geralmente relativamente pequenas em feixes (guias de luz), uma vez que com reflexão total o coeficiente de reflexão é relativamente alto (~0,9999). Perda de energia são principalmente devido à absorção de luz pela substância dentro da fibra.

Por exemplo, na parte visível do espectro em uma fibra de 1 m de comprimento, 30-70% da energia é perdida (mas no feixe).

Portanto, para transmitir grandes fluxos de luz e manter a flexibilidade do sistema de guiamento de luz, as fibras individuais são montadas em feixes (feixes) - guias de luz.

Os guias de luz são amplamente utilizados na medicina para iluminar cavidades internas com luz fria e transmitir imagens. endoscópio- um dispositivo especial para examinar as cavidades internas (estômago, reto, etc.). Com a ajuda de guias de luz, a radiação laser é transmitida para um efeito terapêutico nos tumores. Sim, e a retina humana é um sistema de fibra óptica altamente organizado que consiste em ~ 130x10 8 fibras.

Óptica geométrica e ondulatória. Condições para aplicar essas abordagens (da proporção do comprimento de onda e do tamanho do objeto). Coerência das ondas. O conceito de coerência espacial e temporal. emissão forçada. Características da radiação laser. Estrutura e princípio de funcionamento do laser.

Devido ao fato de que a luz é um fenômeno de onda, ocorre interferência, como resultado da qual limitado o feixe de luz não se propaga em nenhuma direção, mas tem uma distribuição angular finita, ou seja, a difração ocorre. No entanto, nos casos em que as dimensões transversais características dos feixes de luz são suficientemente grandes em relação ao comprimento de onda, pode-se desprezar a divergência do feixe de luz e assumir que ele se propaga em uma única direção: ao longo do feixe de luz.

A óptica ondulatória é um ramo da óptica que descreve a propagação da luz, tendo em conta a sua natureza ondulatória. Fenômenos da óptica ondulatória - interferência, difração, polarização, etc.

Interferência de ondas - amplificação ou atenuação mútua da amplitude de duas ou mais ondas coerentes que se propagam simultaneamente no espaço.

A difração de ondas é um fenômeno que se manifesta como um desvio das leis da ótica geométrica durante a propagação das ondas.

Polarização - processos e estados associados à separação de quaisquer objetos, principalmente no espaço.

Na física, coerência é a correlação (consistência) de vários processos oscilatórios ou ondulatórios no tempo, que se manifesta quando são somados. As oscilações são coerentes se a diferença entre suas fases é constante no tempo e quando as oscilações são somadas, obtém-se uma oscilação de mesma frequência.

Se a diferença de fase de duas oscilações muda muito lentamente, diz-se que as oscilações permanecem coerentes por algum tempo. Este tempo é chamado de tempo de coerência.

Coerência espacial - a coerência das oscilações que ocorrem ao mesmo tempo em diferentes pontos de um plano perpendicular à direção de propagação da onda.

Emissão estimulada - a geração de um novo fóton durante a transição de um sistema quântico (átomo, molécula, núcleo, etc.) que era igual à diferença nos níveis de energia. O fóton criado tem a mesma energia, momento, fase e polarização que o fóton indutor (que não é absorvido).

A radiação laser pode ser contínua, com potência constante, ou pulsada, atingindo potências de pico extremamente altas. Em alguns esquemas, o elemento de trabalho do laser é usado como amplificador óptico para radiação de outra fonte.

A base física para a operação de um laser é o fenômeno da radiação estimulada (induzida). A essência do fenômeno é que um átomo excitado é capaz de emitir um fóton sob a influência de outro fóton sem sua absorção, se a energia deste último for igual à diferença das energias dos níveis do átomo antes e depois do emissão. Nesse caso, o fóton emitido é coerente com o fóton que causou a radiação (é sua “cópia exata”). É assim que a luz é amplificada. Este fenômeno difere da emissão espontânea, na qual os fótons emitidos possuem direções aleatórias de propagação, polarização e fase.

Todos os lasers consistem em três partes principais:

ambiente ativo (de trabalho);

sistemas de bombeamento (fonte de energia);

ressonador óptico (pode estar ausente se o laser operar no modo amplificador).

Cada um deles prevê a operação do laser para desempenhar suas funções específicas.

Óptica geométrica. O fenômeno da reflexão interna total. Ângulo limite de reflexão total. O curso dos raios. fibra ótica.

A óptica geométrica é um ramo da óptica que estuda as leis de propagação da luz em meios transparentes e os princípios de construção de imagens durante a passagem da luz em sistemas ópticos sem levar em conta suas propriedades ondulatórias.

A reflexão interna total é a reflexão interna desde que o ângulo de incidência exceda algum ângulo crítico. Nesse caso, a onda incidente é completamente refletida e o valor do coeficiente de reflexão excede seus valores mais altos para superfícies polidas. O coeficiente de reflexão para a reflexão interna total não depende do comprimento de onda.

Ângulo limite de reflexão interna total

O ângulo de incidência em que o feixe refratado começa a deslizar ao longo da interface entre dois meios sem transição para um meio opticamente mais denso

Caminho do raio em espelhos, prismas e lentes

Os raios de luz de uma fonte pontual se propagam em todas as direções. Em sistemas ópticos, dobrando para trás e refletindo a partir da interface entre os meios, alguns dos raios podem se cruzar novamente em algum ponto. Um ponto é chamado de imagem de ponto. Quando um raio é refletido em espelhos, a lei é cumprida: "o raio refletido sempre está no mesmo plano que o raio incidente e a normal à superfície refletida, que passa pelo ponto de incidência, e o ângulo de incidência subtraído do esta normal é igual ao ângulo de salto."

Fibra óptica - este termo significa

ramo da óptica que estuda os fenômenos físicos que ocorrem e ocorrem nas fibras ópticas, ou

produtos das indústrias de engenharia de precisão, que incluem componentes baseados em fibras ópticas.

Os dispositivos de fibra óptica incluem lasers, amplificadores, multiplexadores, demultiplexadores e vários outros. Os componentes de fibra óptica incluem isoladores, espelhos, conectores, divisores, etc. A base de um dispositivo de fibra óptica é seu circuito óptico - um conjunto de componentes de fibra óptica conectados em uma determinada sequência. Os circuitos ópticos podem ser fechados ou abertos, com ou sem realimentação.

Primeiro, vamos fantasiar um pouco. Imagine um dia quente de verão aC, um homem primitivo caça peixes com uma lança. Ele percebe sua posição, mira e ataca por algum motivo, não onde o peixe era visível. Esquecidas? Não, o pescador tem a presa nas mãos! O fato é que nosso ancestral entendeu intuitivamente o tópico que estudaremos agora. Na vida cotidiana, vemos que uma colher mergulhada em um copo de água parece torta, quando olhamos através de uma jarra de vidro, os objetos parecem tortos. Consideraremos todas essas questões na lição, cujo tema é: “Refração da luz. A lei da refração da luz. Reflexão interna total.

Nas lições anteriores, falamos sobre o destino de um raio em dois casos: o que acontece se um raio de luz se propaga em um meio transparente e homogêneo? A resposta correta é que ele se espalhará em linha reta. E o que acontecerá quando um feixe de luz incidir na interface entre dois meios? Na última lição falamos sobre o feixe refletido, hoje vamos considerar aquela parte do feixe de luz que é absorvida pelo meio.

Qual será o destino do feixe que penetrou do primeiro meio opticamente transparente para o segundo meio opticamente transparente?

Arroz. 1. Refração da luz

Se o feixe cair na interface entre dois meios transparentes, parte da energia luminosa retorna ao primeiro meio, criando um feixe refletido, e a outra parte passa para dentro do segundo meio e, via de regra, muda sua direção.

A mudança na direção de propagação da luz no caso de sua passagem pela interface entre dois meios é chamada de refração da luz(Figura 1).

Arroz. 2. Ângulos de incidência, refração e reflexão

Na Figura 2 vemos um feixe incidente, o ângulo de incidência será denotado por α. O feixe que definirá a direção do feixe de luz refratado será chamado de feixe refratado. O ângulo entre a perpendicular à interface entre o meio, restaurado a partir do ponto de incidência, e o feixe refratado é chamado de ângulo de refração, na figura este é o ângulo γ. Para completar a imagem, também fornecemos uma imagem do feixe refletido e, consequentemente, o ângulo de reflexão β. Qual é a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração, é possível prever, sabendo o ângulo de incidência e de qual meio o feixe passou para qual, qual será o ângulo de refração? Acontece que você pode!

Obtemos uma lei que descreve quantitativamente a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração. Vamos usar o princípio de Huygens, que regula a propagação de uma onda em um meio. A lei consiste em duas partes.

O raio incidente, o raio refratado e a perpendicular restaurada ao ponto de incidência estão no mesmo plano.

A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios dados e é igual à razão das velocidades da luz nesses meios.

Essa lei é chamada de lei de Snell, em homenagem ao cientista holandês que a formulou pela primeira vez. A razão para a refração é a diferença nas velocidades da luz em diferentes meios. Você pode verificar a validade da lei da refração direcionando experimentalmente um feixe de luz em diferentes ângulos para a interface entre dois meios e medindo os ângulos de incidência e refração. Se mudarmos esses ângulos, medirmos os senos e encontrarmos as razões dos senos desses ângulos, estaremos convencidos de que a lei da refração é realmente válida.

A evidência da lei da refração usando o princípio de Huygens é outra confirmação da natureza ondulatória da luz.

O índice de refração relativo n 21 mostra quantas vezes a velocidade da luz V 1 no primeiro meio difere da velocidade da luz V 2 no segundo meio.

O índice de refração relativo é uma demonstração clara do fato de que a razão para a mudança na direção da luz ao passar de um meio para outro é a diferente velocidade da luz em dois meios. O termo "densidade óptica de um meio" é frequentemente usado para caracterizar as propriedades ópticas de um meio (Fig. 3).

Arroz. 3. Densidade óptica do meio (α > γ)

Se o feixe passa de um meio com maior velocidade da luz para um meio com menor velocidade da luz, então, como pode ser visto na Figura 3 e na lei da refração da luz, ele será pressionado contra a perpendicular, ou seja, , o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência. Neste caso, diz-se que o feixe passou de um meio óptico menos denso para um meio opticamente mais denso. Exemplo: do ar para a água; da água ao vidro.

A situação inversa também é possível: a velocidade da luz no primeiro meio é menor que a velocidade da luz no segundo meio (Fig. 4).

Arroz. 4. Densidade óptica do meio (α< γ)

Então o ângulo de refração será maior que o ângulo de incidência, e tal transição será dita feita de um meio opticamente mais denso para um menos opticamente denso (do vidro para a água).

A densidade óptica de duas mídias pode diferir bastante, então a situação mostrada na fotografia (Fig. 5) se torna possível:

Arroz. 5. A diferença entre a densidade óptica da mídia

Preste atenção em como a cabeça é deslocada em relação ao corpo, que está no líquido, em um meio com maior densidade óptica.

No entanto, o índice de refração relativo nem sempre é uma característica conveniente para o trabalho, porque depende das velocidades da luz no primeiro e no segundo meio, mas pode haver muitas dessas combinações e combinações de dois meios (água - ar, vidro - diamante, glicerina - álcool , vidro - água e assim por diante). As tabelas seriam muito complicadas, seria inconveniente trabalhar, e então um ambiente absoluto foi introduzido, em comparação com o qual a velocidade da luz em outros ambientes é comparada. O vácuo foi escolhido como absoluto e as velocidades da luz são comparadas com a velocidade da luz no vácuo.

Índice de refração absoluto do meio n- este é um valor que caracteriza a densidade óptica do meio e é igual à razão da velocidade da luz Com no vácuo à velocidade da luz em um determinado meio.

O índice de refração absoluto é mais conveniente para o trabalho, pois sempre sabemos a velocidade da luz no vácuo, é igual a 3,10 8 m/s e é uma constante física universal.

O índice de refração absoluto depende de parâmetros externos: temperatura, densidade e também do comprimento de onda da luz, de modo que as tabelas geralmente indicam o índice de refração médio para uma determinada faixa de comprimento de onda. Se compararmos os índices de refração do ar, da água e do vidro (Fig. 6), veremos que o índice de refração do ar está próximo da unidade, então vamos tomá-lo como uma unidade ao resolver problemas.

Arroz. 6. Tabela de índices de refração absolutos para diferentes meios

É fácil obter a relação entre o índice de refração absoluto e relativo da mídia.

O índice de refração relativo, isto é, para um feixe que passa do meio um para o meio dois, é igual à razão do índice de refração absoluto no segundo meio para o índice de refração absoluto no primeiro meio.

Por exemplo: = ≈ 1,16

Se os índices de refração absolutos dos dois meios forem quase os mesmos, isso significa que o índice de refração relativo durante a transição de um meio para outro será igual a um, ou seja, o feixe de luz não será realmente refratado. Por exemplo, ao passar do óleo de anis para uma gema, o berilo praticamente não desviará a luz, ou seja, ele se comportará como ao passar pelo óleo de anis, pois seu índice de refração é 1,56 e 1,57, respectivamente, para que a gema possa ser como se esconder em um líquido, simplesmente não será visível.

Se você derramar água em um copo transparente e olhar através da parede do vidro para a luz, veremos um brilho prateado da superfície devido ao fenômeno da reflexão interna total, que será discutido agora. Quando um feixe de luz passa de um meio óptico mais denso para um meio óptico menos denso, um efeito interessante pode ser observado. Por definição, vamos supor que a luz vai da água para o ar. Suponhamos que exista uma fonte pontual de luz S na profundidade do reservatório, emitindo raios em todas as direções. Por exemplo, um mergulhador acende uma lanterna.

O feixe SO 1 cai na superfície da água no menor ângulo, este feixe é parcialmente refratado - feixe O 1 A 1 e parcialmente refletido de volta na água - feixe O 1 B 1. Assim, parte da energia do feixe incidente é transferida para o feixe refratado e a parte restante da energia é transferida para o feixe refletido.

Arroz. 7. Reflexão interna total

O feixe SO 2, cujo ângulo de incidência é maior, também é dividido em dois feixes: refratado e refletido, mas a energia do feixe original é distribuída entre eles de maneira diferente: o feixe refratado O 2 A 2 será mais escuro que o feixe feixe O 1 A 1, ou seja, ele receberá uma fração menor de energia, e o feixe refletido O 2 V 2, respectivamente, será mais brilhante que o feixe O 1 V 1, ou seja, receberá uma parcela maior de energia. À medida que o ângulo de incidência aumenta, a mesma regularidade é traçada - uma parcela crescente da energia do feixe incidente vai para o feixe refletido e uma parcela cada vez menor para o feixe refratado. O feixe refratado torna-se mais escuro e em algum ponto desaparece completamente, esse desaparecimento ocorre quando o ângulo de incidência é atingido, que corresponde a um ângulo de refração de 90 0 . Nesta situação, o feixe refratado OA teria que ir paralelo à superfície da água, mas não há nada para ir - toda a energia do feixe incidente SO foi inteiramente para o feixe refletido OB. Naturalmente, com um aumento adicional do ângulo de incidência, o feixe refratado estará ausente. O fenômeno descrito é a reflexão interna total, ou seja, um meio óptico mais denso nos ângulos considerados não emite raios de si mesmo, todos são refletidos dentro dele. O ângulo em que esse fenômeno ocorre é chamado de ângulo limite de reflexão interna total.

O valor do ângulo limite é fácil de encontrar a partir da lei da refração:

= => = arcsin, para água ≈ 49 0

A aplicação mais interessante e popular do fenômeno da reflexão interna total são os chamados guias de onda, ou fibra ótica. Esta é exatamente a forma de sinalização utilizada pelas modernas empresas de telecomunicações na Internet.

Obtivemos a lei da refração da luz, introduzimos um novo conceito - índices de refração relativos e absolutos, e também descobrimos o fenômeno da reflexão interna total e suas aplicações, como fibra óptica. Você pode consolidar o conhecimento examinando os testes e simuladores relevantes na seção de lições.

Vamos obter a prova da lei da refração da luz usando o princípio de Huygens. É importante entender que a causa da refração é a diferença nas velocidades da luz em dois meios diferentes. Vamos denotar a velocidade da luz no primeiro meio V 1 e no segundo meio - V 2 (Fig. 8).

Arroz. 8. Prova da lei da refração da luz

Deixe uma onda de luz plana cair em uma interface plana entre dois meios, por exemplo, do ar para a água. A superfície da onda AC é perpendicular aos raios e , a interface entre os meios MN atinge primeiro o feixe , e o feixe atinge a mesma superfície após um intervalo de tempo ∆t, que será igual ao caminho SW dividido pela velocidade da luz no primeiro meio.

Portanto, no momento em que a onda secundária no ponto B só começa a ser excitada, a onda do ponto A já tem a forma de um hemisfério com raio AD, que é igual à velocidade da luz no segundo meio por ∆t: AD = ∆t, ou seja, o princípio de Huygens na ação visual. A superfície de onda de uma onda refratada pode ser obtida desenhando uma superfície tangente a todas as ondas secundárias no segundo meio, cujos centros estão na interface entre os meios, neste caso é o plano BD, é o envelope de as ondas secundárias. O ângulo de incidência α da viga é igual ao ângulo CAB no triângulo ABC, os lados de um desses ângulos são perpendiculares aos lados do outro. Portanto, SW será igual à velocidade da luz no primeiro meio por ∆t

CB = ∆t = AB sen α

Por sua vez, o ângulo de refração será igual ao ângulo ABD no triângulo ABD, portanto:

AD = ∆t = AB sen γ

Dividindo as expressões termo a termo, temos:

n é um valor constante que não depende do ângulo de incidência.

Obtivemos a lei da refração da luz, o seno do ângulo de incidência ao seno do ângulo de refração é um valor constante para os dois meios dados e igual à razão das velocidades da luz nos dois meios dados.

Um vaso cúbico com paredes opacas está localizado de forma que o olho do observador não veja seu fundo, mas veja toda a parede do vaso CD. Quanta água deve ser despejada no recipiente para que o observador possa ver o objeto F, localizado a uma distância b = 10 cm do canto D? Borda do vaso α = 40 cm (Fig. 9).

O que é muito importante para resolver este problema? Suponho que, como o olho não vê o fundo do vaso, mas vê o ponto extremo da parede lateral, e o vaso é um cubo, então o ângulo de incidência do feixe na superfície da água quando o despejamos será ser igual a 45 0.

Arroz. 9. A tarefa do exame

O feixe cai no ponto F, o que significa que vemos claramente o objeto, e a linha pontilhada preta mostra o curso do feixe se não houvesse água, ou seja, até o ponto D. Do triângulo NFC, a tangente do ângulo β, a tangente do ângulo de refração, é a razão da perna oposta para a adjacente ou, com base na figura, h menos b dividido por h.

tg β = = , h é a altura do líquido que despejamos;

O fenômeno mais intenso de reflexão interna total é usado em sistemas de fibra óptica.

Arroz. 10. Fibra óptica

Se um feixe de luz for direcionado para a extremidade de um tubo de vidro sólido, após a reflexão interna total múltipla, o feixe emergirá do lado oposto do tubo. Acontece que o tubo de vidro é um condutor de uma onda de luz ou um guia de ondas. Isso acontecerá se o tubo for reto ou curvo (Figura 10). Os primeiros guias de luz, este é o segundo nome dos guias de ondas, eram usados ​​para iluminar locais de difícil acesso (durante a pesquisa médica, quando a luz é fornecida a uma extremidade do guia de luz e a outra extremidade ilumina o local certo) . A principal aplicação é a medicina, defectoscopia de motores, porém, tais guias de onda são mais amplamente utilizados em sistemas de transmissão de informações. A frequência portadora de uma onda de luz é um milhão de vezes a frequência de um sinal de rádio, o que significa que a quantidade de informação que podemos transmitir usando uma onda de luz é milhões de vezes maior do que a quantidade de informação transmitida por ondas de rádio. Esta é uma grande oportunidade de transmitir uma enorme quantidade de informações de forma simples e barata. Como regra, a informação é transmitida por um cabo de fibra usando radiação laser. A fibra óptica é indispensável para a transmissão rápida e de alta qualidade de um sinal de computador contendo uma grande quantidade de informações transmitidas. E no centro de tudo isso está um fenômeno tão simples e comum como a refração da luz.

Bibliografia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Física (nível básico) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Física 10º ano. - M.: Mnemosine, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Física - 9, Moscou, Educação, 1990.

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

Trabalho de casa

1. Defina refração da luz.
2. Cite o motivo da refração da luz.
3. Cite as aplicações mais populares de reflexão interna total.

Em um certo ângulo de incidência da luz $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, que é chamado ângulo limitante, o ângulo de refração é igual a $\frac(\pi )(2),\ $neste caso, o feixe refratado desliza ao longo da interface entre os meios, portanto, não há feixe refratado. Então, da lei da refração, podemos escrever que:

Imagem 1.

No caso de reflexão total, a equação é:

não tem solução na região dos valores reais do ângulo de refração ($(\alpha )_(pr)$). Neste caso, $cos((\alpha )_(pr))$ é puramente imaginário. Se nos voltarmos para as Fórmulas de Fresnel, é conveniente representá-las na forma:

onde o ângulo de incidência é denotado por $\alpha $ (por brevidade), $n$ é o índice de refração do meio onde a luz se propaga.

As fórmulas de Fresnel mostram que os módulos $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left |E_(otr//)\right|$ que significa que a reflexão está "cheia".

Observação 1

Deve-se notar que a onda não homogênea não desaparece no segundo meio. Assim, se $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ então\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ nenhum caso. Uma vez que as fórmulas de Fresnel são válidas para um campo monocromático, ou seja, para um processo estacionário. Nesse caso, a lei de conservação de energia exige que a variação média de energia ao longo do período no segundo meio seja igual a zero. A onda e a fração correspondente de energia penetram através da interface no segundo meio até uma profundidade rasa da ordem do comprimento de onda e se movem nele paralelamente à interface com uma velocidade de fase menor que a velocidade de fase da onda no segundo meio. Ele retorna ao primeiro ambiente em um ponto que está deslocado do ponto de entrada.

A penetração da onda no segundo meio pode ser observada no experimento. A intensidade da onda de luz no segundo meio é perceptível apenas em distâncias menores que o comprimento de onda. Perto da interface na qual a onda de luz incide, que sofre reflexão total, do lado do segundo meio, o brilho de uma fina camada pode ser visto se houver uma substância fluorescente no segundo meio.

A reflexão total faz com que as miragens ocorram quando a superfície da Terra está em alta temperatura. Assim, a reflexão total da luz que vem das nuvens dá a impressão de que há poças na superfície do asfalto aquecido.

Sob reflexão normal, as relações $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ e $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ são sempre reais . Sob reflexão total eles são complexos. Isso significa que neste caso a fase da onda sofre um salto, enquanto é diferente de zero ou $\pi $. Se a onda é polarizada perpendicularmente ao plano de incidência, podemos escrever:

onde $(\delta )_(\bot )$ é o salto de fase desejado. Igualando as partes real e imaginária, temos:

Das expressões (5) obtemos:

Assim, para uma onda polarizada no plano de incidência, pode-se obter:

Saltos de fase $(\delta )_(//)$ e $(\delta )_(\bot )$ não são os mesmos. A onda refletida será elipticamente polarizada.

Aplicação de reflexão total

Suponhamos que dois meios idênticos estejam separados por um fino entreferro. Uma onda de luz cai sobre ele em um ângulo que é maior que o limite. Pode acontecer que penetre no entreferro como uma onda não homogênea. Se a espessura da lacuna for pequena, essa onda atingirá o segundo limite da substância e não será muito enfraquecida. Tendo passado do entreferro para a substância, a onda se tornará novamente homogênea. Tal experimento foi realizado por Newton. O cientista pressionou outro prisma, polido esfericamente, na face hipotenusa de um prisma retangular. Nesse caso, a luz passou para o segundo prisma não apenas onde eles se tocam, mas também em um pequeno anel ao redor do contato, no local onde a espessura do intervalo é comparável ao comprimento de onda longo. Se as observações foram feitas em luz branca, a borda do anel tinha uma cor avermelhada. Assim deve ser, pois a profundidade de penetração é proporcional ao comprimento de onda (para os raios vermelhos é maior que para os azuis). Ao alterar a espessura do intervalo, é possível alterar a intensidade da luz transmitida. Esse fenômeno formou a base do telefone leve, patenteado pela Zeiss. Neste dispositivo, uma membrana transparente atua como um dos meios, que oscila sob a ação do som incidente sobre ela. A luz que passa pelo entreferro muda de intensidade no tempo com as mudanças na intensidade do som. Entrando na fotocélula, gera uma corrente alternada, que muda de acordo com as mudanças na intensidade do som. A corrente resultante é amplificada e usada posteriormente.

Os fenômenos de penetração de ondas através de fendas finas não são específicos da óptica. Isso é possível para uma onda de qualquer natureza, se a velocidade de fase no intervalo for maior que a velocidade de fase no ambiente. Este fenômeno é de grande importância na física nuclear e atômica.

O fenômeno da reflexão interna total é usado para mudar a direção da propagação da luz. Para isso, são usados ​​prismas.

Exemplo 1

Exercício: Dê um exemplo do fenômeno da reflexão total, que é frequentemente encontrado.

Decisão:

Pode-se dar tal exemplo. Se a estrada estiver muito quente, a temperatura do ar é máxima perto da superfície do asfalto e diminui com o aumento da distância da estrada. Isso significa que o índice de refração do ar é mínimo na superfície e aumenta com o aumento da distância. Como resultado disso, raios com um pequeno ângulo em relação à superfície da rodovia sofrem reflexão total. Se você focar sua atenção, enquanto estiver dirigindo um carro, em uma seção adequada da superfície da rodovia, poderá ver um carro virando de cabeça para baixo bem à frente.

Exemplo 2

Exercício: Qual é o ângulo de Brewster para um feixe de luz que cai na superfície de um cristal se o ângulo limite de reflexão total para esse feixe na interface ar-cristal é 400?

Decisão:

\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]

Da expressão (2.1) temos:

Substituímos o lado direito da expressão (2.3) na fórmula (2.2), expressamos o ângulo desejado:

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

Vamos fazer os cálculos:

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

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