Să facem un experiment. Să plasăm o placă de sticlă în centrul discului optic și să direcționăm un fascicul de lumină spre ea. Vom vedea că la limita aerului cu sticla, lumina nu numai că se va reflecta, ci va pătrunde și în interiorul sticlei, schimbând direcția de propagare a acesteia (Fig. 84).

Se numește schimbarea direcției de propagare a luminii pe măsură ce aceasta trece prin interfața dintre două medii refracția luminii.

Figura 84 prezintă: AO - fascicul incident; OB - fascicul reflectat; OE - fascicul refractat.

Rețineți că dacă am îndrepta fasciculul în direcția EO, atunci din cauza reversibilității razelor de lumină, ar ieși din sticlă în direcția OA.

Refracția luminii se explică prin modificarea vitezei de propagare a luminii pe măsură ce trece de la un mediu la altul. Pentru prima dată o astfel de explicație a acestui fenomen a fost dată la mijlocul secolului al XVII-lea. părintele Menyan. Potrivit lui Meignan, atunci când lumina trece de la un mediu la altul, fasciculul de lumină își schimbă direcția în același mod în care direcția de mișcare a „frontului soldatului” se schimbă atunci când pajiștea de-a lungul căreia merg soldații este blocată de teren arabil. , a cărui margine se întinde în unghi față de față. Fiecare dintre soldații care au ajuns pe terenul arabil își încetinește mișcarea, în timp ce cei din soldații care nu au ajuns încă la acesta continuă să se deplaseze cu aceeași viteză. Drept urmare, soldații care au intrat în pământul arabil încep să rămână în urmă celor care merg prin luncă, iar coloana de trupe se întoarce (Fig. 85).

Pentru a determina în ce direcție se va abate o rază de lumină când trece prin interfața dintre două medii, este necesar să știm în care dintre aceste medii viteza luminii este mai mică și în care este mai mare.

Lumina este unde electromagnetice. Prin urmare, tot ceea ce s-a spus despre viteza de propagare a undelor electromagnetice (vezi § 28) se aplică în mod egal vitezei luminii. Deci, de exemplu, viteza luminii în vid este maximă și este egală cu:

c = 299792 km/s ≈ 300000 km/s.

Viteza luminii în materia v este întotdeauna mai mică decât în ​​vid:

Valorile vitezei luminii în diferite medii sunt date în tabelul 6.

Dintre cele două medii, se numește cea în care viteza luminii este mai mică optic mai dens, și cea în care viteza luminii este mai mare - optic mai puțin dens. De exemplu, apa este optic mai densă decât aerul, iar sticla este optic mai densă decât apa.

Experiența arată că, intrând într-un mediu mai dens din punct de vedere optic, o rază de lumină se abate de la direcția inițială spre perpendiculara pe interfața dintre două medii (Fig. 86, a), și ajungând într-un mediu mai puțin dens din punct de vedere optic, raza de lumină deviază în spate (Fig. 86, b).

Unghiul dintre fasciculul refractat și perpendiculara pe interfața dintre două medii în punctul de incidență al fasciculului se numește unghiul de refracție. Figura 86

α este unghiul de incidență, β este unghiul de refracție.

Figura 86 arată că unghiul de refracție poate fi fie mai mare, fie mai mic decât unghiul de incidență. Se pot potrivi aceste unghiuri? Ei pot, dar numai atunci când un fascicul de lumină cade pe interfață în unghi drept față de aceasta; în acest caz α = β = 0.

Capacitatea de a refracta razele în medii diferite este diferită. Cu cât vitezele luminii din două medii diferă mai mult, cu atât razele sunt refractate mai puternice la limita dintre ele.

Una dintre părțile principale ale multor instrumente optice este o prismă triunghiulară de sticlă (Fig. 87, a). Figura 87, b arată traseul fasciculului într-o astfel de prismă: ca urmare a dublei refracții, prisma triunghiulară deviază fasciculul incident pe ea în lateral spre baza sa.

Refracția luminii este motivul pentru care adâncimea unui rezervor (râu, iaz, baie de apă) ni se pare mai mică decât este în realitate. Într-adevăr, pentru a vedea orice punct S din fundul unui rezervor, este necesar ca razele de lumină care ies din acesta să cadă în ochiul observatorului (Fig. 88). Dar după refracția la limita apei cu aerul, fasciculul de lumină va fi perceput de ochi ca lumină provenind dintr-o imagine imaginară S 1 situată mai sus decât punctul corespunzător S din fundul rezervorului. Se poate dovedi că adâncimea aparentă h a unui corp de apă este aproximativ ¾ din adâncimea sa reală H.

Acest fenomen a fost descris pentru prima dată de Euclid. Una dintre cărțile sale povestește despre experiența cu inelul. Observatorul se uită la pahar cu inelul întins pe fund, în așa fel încât marginile paharului să nu-i permită să fie văzut; apoi, fără a schimba poziția ochilor, încep să toarne apă în pahar, iar după un timp inelul devine vizibil.

Refracția luminii explică și multe alte fenomene, de exemplu, spargerea aparentă a unei linguri scufundate într-un pahar cu apă; mai mare decât poziția reală a stelelor și a Soarelui deasupra orizontului etc.

1. Ce se numește refracția luminii? 2. Ce unghi se numește unghi de refracție? Cum este desemnat? 3. Care este viteza luminii în vid? 4. Care mediu este mai dens optic: gheață sau cuarț? De ce? 5. În ce caz unghiul de refracție al luminii este mai mic decât unghiul de incidență și în care mai mult? 6. Care este unghiul de incidență al fasciculului dacă fasciculul refractat este perpendicular pe interfața dintre medii? 7. De ce un observator se uită în jos la apă, adâncimea rezervorului pare mai mică decât este de fapt? Care va părea adâncimea râului dacă este de fapt 2 m? 8. În aer sunt bucăți de sticlă, cuarț și diamant. Pe ce suprafață se refractă cel mai mult razele de lumină?

Sarcina experimentală. Repetați experiența lui Euclid. Pune un inel (sau o monedă) pe fundul unei căni de ceai, apoi așează-l în fața ta, astfel încât marginile ceștii să-i acopere fundul. Dacă, fără a schimba poziția relativă a cupei și a ochilor, turnați apă în ea, atunci inelul (sau moneda) devine vizibil. De ce?

La limita tranziției de la un mediu la altul, dacă este semnificativ mai lungă decât lungimea de undă, se observă o schimbare a direcției razelor de lumină. În acest caz, o parte din energie este reflectată, adică returnată în același mediu, iar o parte este refractă, pătrunzând în alt mediu. Folosind legile reflexiei și refracției luminii, se poate explica ce direcție au razele reflectate și refractate și care este proporția de energie luminoasă care este reflectată sau transferată dintr-un mediu în altul. Pentru ca fenomenul de reflexie și refracție a luminii să apară, corpul trebuie să fie destul de neted, nu mat și să aibă o structură internă destul de uniformă. Un exemplu de astfel de caz ar fi interfața dintre apă și aer într-un recipient larg. Corpurile metalice lustruite au și o suprafață de oglindă.

Pentru a înțelege esența acestor legi, puteți efectua un experiment simplu. Un flux îngust de raze trebuie direcționat către apa turnată într-un vas mare. Se poate observa că o parte din raze se vor reflecta la suprafață, iar restul vor intra în apă. Mai mult, vom vedea ce se întâmplă refracția luminii în apă.

Legea reflexiei

Legea reflexiei determină schimbarea direcției unui fascicul de lumină atunci când acesta întâlnește o suprafață reflectorizante. Constă în faptul că atât fasciculul incident, cât și fasciculul reflectat sunt în același plan cu perpendiculara pe suprafață, iar această perpendiculară împarte unghiul dintre aceste raze în părți egale.

Mai des se formulează astfel: unghiul de incidenţă şi unghiul de reflexie a luminii sunt egale:

α=γ

Această formulare este mai puțin precisă deoarece nu specifică direcția exactă a reflexiei fasciculului.

Legea reflexiei provine din principiile opticii undelor. Experimental, a fost găsit de Euclid în secolul al III-lea î.Hr. Poate fi considerată o consecință a utilizării principiului lui Fermat pentru o suprafață de oglindă.

Orice mediu are un anumit grad de capacitate de reflectare și absorbție. Valoarea care indică reflectivitatea suprafeței este reflectanța luminii. Ea determină ce fracțiune din energia adusă la suprafață este energia care este transportată de ea de radiația reflectată. Valoarea sa depinde de mulți factori, inclusiv unghiul de incidență și compoziția radiației.

Ca urmare a trecerii de la un mediu mai dens la unul mai puțin dens optic (să zicem, în aer din sticlă), are loc o reflexie totală, ceea ce înseamnă că fasciculul refractat dispare.

Reflexia totală se observă atunci când razele cad pe mercur lichid sau argint depus pe sticlă.

Acest fenomen apare dacă unghiul de incidență depășește limita unghiul de reflexie totală a luminii αpr.

În cazul în care un α = αpr, apoi sin β = 1, A sin αpr = n2/n1

Când al doilea mediu este aerul (de ex. n2 ≈ 1), această formulă are următoarea formă:

sin αpr=1/n

Unghiul critic pentru trecerea de la sticlă la aer este de 42° (at n=1,5), pentru trecerea de la apă la aer - 48,7 ° (at n=1,33).

Reflexia internă totală a luminii

În natură, exemple de reflecție totală sunt diverse miraje și fata morgana. Ele apar ca urmare a reflexiei la limita straturilor de aer cu temperaturi diferite. In afara de asta, reflexia totala a luminii explică, de asemenea, strălucirea strălucitoare a pietrelor prețioase, când fiecare rază care intră formează multe raze strălucitoare care ies.

Dacă, fiind sub apă, privești suprafața într-un anumit unghi, poți vedea nu ceea ce este în aer, ci o imagine în oglindă a obiectelor aflate sub apă. Acesta este un alt exemplu de reflecție internă totală.

În cazul în care unghiul de incidență la limita dintre două medii dielectrice nu este egal cu zero, atât razele reflectate, cât și cele refractate devin parțial polarizate. Polarizarea luminii la reflexie determinată de unghiul său de incidență. Unghiul la care fasciculul reflectat este complet polarizat, iar fasciculul refractat are gradul maxim posibil de polarizare, se numește unghi Brewster.

Vă rugăm să rețineți că informațiile despre alegerea filtrelor pentru lentile sunt disponibile la această adresă: .

Legile reflexiei și refracției luminii fotografie

Mai jos sunt fotografii pe tema articolului „Legile reflexiei și refracției luminii”. Pentru a deschide galeria foto, faceți clic pe miniatura imaginii.

• Unghiul de incidentα este unghiul dintre fasciculul de lumină incidentă și perpendiculara pe interfața dintre două medii, restabilit în punctul de incidență (Fig. 1).

• Unghiul de reflexieβ este unghiul dintre fasciculul de lumină reflectat și perpendiculara pe suprafața reflectoare, restabilit în punctul de incidență (vezi Fig. 1).

• unghiul de refracțieγ este unghiul dintre fasciculul de lumină refractat și perpendiculara pe interfața dintre două medii, restabilit în punctul de incidență (vezi Fig. 1).

• sub grindăînțelegeți linia de-a lungul căreia este transferată energia unei unde electromagnetice. Să fim de acord să descriem grafic razele optice folosind raze geometrice cu săgeți. În optica geometrică, natura ondulatorie a luminii nu este luată în considerare (vezi Fig. 1).

• Razele care vin dintr-un punct sunt numite divergenteși adunarea la un moment dat - convergente. Un exemplu de raze divergente este lumina observată a stelelor îndepărtate, iar un exemplu de raze convergente este un set de raze care intră în pupila ochiului nostru de la diferite obiecte.

La studierea proprietăților razelor de lumină, au fost stabilite experimental patru legi de bază ale opticii geometrice:

• legea propagării rectilinie a luminii;
• legea independenței razelor de lumină;
• legea reflexiei razelor de lumină;
• legea refracției razelor de lumină.

Refracția luminii

Măsurătorile au arătat că viteza luminii în materie υ este întotdeauna mai mică decât viteza luminii în vid. c.

• Raportul vitezei luminii în vid c la viteza sa într-un mediu dat se numește υ indicele absolut de refracție:

\(n=\frac(c)(\upsilon ).\)

Fraza " indicele absolut de refracție al mediului„este adesea înlocuit cu „ indicele de refracție al mediului».

Luați în considerare un incident de fascicul pe o interfață plată între două medii transparente cu indici de refracție n 1 și n 2 la un anumit unghi α (Fig. 2).

• Se numește schimbarea direcției de propagare a unui fascicul de lumină la trecerea prin interfața dintre două medii refracția luminii.

Legile refracției:

• raportul dintre sinusul unghiului de incidență α și sinusul unghiului de refracție γ este o valoare constantă pentru două medii date

\(\frac(sin \alpha )(sin \gamma )=\frac(n_2)(n_1).\)

• razele, incidente și refractate, se află în același plan cu perpendiculara trasată în punctul de incidență al razei pe planul interfeței dintre două medii.

Pentru refractie, principiul reversibilității razelor de lumină:

• o rază de lumină care se propagă pe calea unei raze refractate, refractată într-un punct O la interfața dintre medii, se propagă mai departe de-a lungul traseului fasciculului incident.

Din legea refracției rezultă că, dacă al doilea mediu este optic mai dens prin primul mediu,

• acestea. n 2 > n 1 , apoi α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \right)\) (Fig. 3a);
• dacă n 2 < n 1, apoi α< γ (рис. 3, б).

Orez. 3

Prima mențiune despre refracția luminii în apă și sticlă se găsește în lucrarea lui Claudius Ptolemeu „Optica”, publicată în secolul II d.Hr. Legea refracției luminii a fost stabilită experimental în 1620 de omul de știință olandez Willebrod Snellius. Rețineți că, independent de Snell, legea refracției a fost descoperită și de Rene Descartes.

Legea refracției luminii vă permite să calculați calea razelor în diferite sisteme optice.

La interfața dintre două medii transparente, reflexia undei este de obicei observată simultan cu refracția. Conform legii conservării energiei, suma energiilor reflectate W o şi refractat W unde np este egală cu energia undei incidente W n:

W n = W np + W o.

reflexie totală

După cum sa menționat mai sus, atunci când lumina trece de la un mediu mai dens din punct de vedere optic la un mediu mai puțin dens din punct de vedere optic ( n 1 > n 2), unghiul de refracție γ devine mai mare decât unghiul de incidență α (vezi Fig. 3, b).

Pe măsură ce unghiul de incidență α crește (Fig. 4), la o anumită valoare α 3 , unghiul de refracție va deveni γ = 90°, adică lumina nu va intra în al doilea mediu. La unghiuri mari α 3 lumina va fi reflectată doar. Energia undelor refractate Wnpîn acest caz, va deveni egal cu zero, iar energia undei reflectate va fi egală cu energia incidentului: W n = W o. Prin urmare, pornind de la acest unghi de incidență α 3 (denumit în continuare α 0), toată energia luminoasă este reflectată de la interfața dintre aceste medii.

Acest fenomen se numește reflexie totală (vezi Fig. 4).

• Unghiul α 0 la care începe reflexia totală se numește unghi limitator de reflexie totală.

Valoarea unghiului α 0 se determină din legea refracției, cu condiția ca unghiul de refracție γ = 90°:

\(\sin \alpha_(0) = \frac(n_(2))(n_(1)) \;\;\; \left(n_(2)< n_{1} \right).\)

Literatură

Zhilko, V.V. Fizica: manual. Indemnizatie pentru invatamantul general de clasa a 11-a. şcoală din rusă lang. antrenament / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - S. 91-96.

Legile refracției luminii.

Semnificația fizică a indicelui de refracție. Lumina este refracta din cauza unei schimbari a vitezei de propagare atunci cand trece de la un mediu la altul. Indicele de refracție al celui de-al doilea mediu față de primul este numeric egal cu raportul dintre viteza luminii în primul mediu și viteza luminii în al doilea mediu:

Astfel, indicele de refracție arată de câte ori viteza luminii în mediul din care iese fasciculul este mai mare (mai mică) decât viteza luminii în mediul în care intră.

Deoarece viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este constantă, se recomandă determinarea indicilor de refracție ai diferitelor medii în raport cu vid. Raportul de viteză Cu se numește propagarea luminii în vid până la viteza de propagare a acesteia într-un mediu dat indicele absolut de refracție substanța dată () și este principala caracteristică a proprietăților sale optice,

,

acestea. indicele de refracție al celui de-al doilea mediu față de primul este egal cu raportul indicilor absoluti ai acestor medii.

De obicei, proprietățile optice ale unei substanțe sunt caracterizate de indicele de refracție n raportat la aer, care diferă puțin de indicele absolut de refracție. În acest caz, mediul, în care indicele absolut este mai mare, se numește mai dens optic.

Unghiul limitator de refracție. Dacă lumina trece de la un mediu cu un indice de refracție mai mic la un mediu cu un indice de refracție mai mare ( n 1< n 2 ), atunci unghiul de refracție este mai mic decât unghiul de incidență

r< i (Fig. 3).

Orez. 3. Refracția luminii în timpul tranziției

de la mediu optic mai puțin dens la mediu

optic mai dens.

Pe măsură ce unghiul de incidență crește la eu m = 90° (fascicul 3, Fig. 2) lumina în al doilea mediu se va propaga numai în unghi r pr numit unghi limitator de refracție. În regiunea celui de-al doilea mediu într-un unghi suplimentar față de unghiul de refracție limită (90° - i pr ), nu pătrunde lumina (această zonă este umbrită în Fig. 3).

Limita unghiului de refracție r pr

Dar sin i m = 1, prin urmare .

Fenomenul de reflexie internă totală. Când lumina trece dintr-un mediu cu indice de refracție ridicat n 1 > n 2 (Fig. 4), atunci unghiul de refracție este mai mare decât unghiul de incidență. Lumina este refracta (trece in al doilea mediu) numai in unghiul de incidenta i pr , care corespunde unghiului de refracție rm = 90°.

Orez. 4. Refracția luminii în timpul trecerii de la un mediu mai dens optic la un mediu

mai puțin dens din punct de vedere optic.

Lumina incidentă la un unghi mare este reflectată complet de la limita mediului (Fig. 4 fasciculul 3). Acest fenomen se numește reflexie internă totală și unghi de incidență i pr este unghiul limitator al reflexiei interne totale.

Unghi limitativ de reflexie internă totală i pr determinată în funcție de condiția:

, atunci sin r m =1, prin urmare, .

Dacă lumina călătorește din orice mediu în vid sau în aer, atunci

Datorită reversibilității traseului razelor pentru aceste două medii, unghiul limitator de refracție în tranziția de la primul mediu la al doilea este egal cu unghiul limitator de reflexie internă totală atunci când fasciculul trece de la al doilea mediu la primul. .

Unghiul limitator de reflexie internă totală pentru sticlă este mai mic de 42°. Prin urmare, razele care călătoresc prin sticlă și incidente pe suprafața acesteia la un unghi de 45° sunt complet reflectate. Această proprietate a sticlei este utilizată în prismele rotative (Fig. 5a) și reversibile (Fig. 4b), care sunt adesea folosite în instrumentele optice.

Orez. 5: a – prismă rotativă; b - prismă inversă.

fibre optice. Reflexia internă totală este utilizată în construcția de flexibil ghiduri de lumină. Lumina, pătrunzând într-o fibră transparentă înconjurată de o substanță cu un indice de refracție mai mic, este reflectată de mai multe ori și se propagă de-a lungul acestei fibre (Fig. 6).

Fig.6. Trecerea luminii în interiorul unei fibre transparente înconjurate de materie

cu un indice de refracție mai mic.

Pentru a transmite fluxuri mari de lumină și pentru a menține flexibilitatea sistemului de ghidare a luminii, fibrele individuale sunt asamblate în mănunchiuri - ghiduri de lumină. Ramura opticii care se ocupa cu transmiterea luminii si a imaginilor prin ghidaje de lumina se numeste fibra optica. Același termen se referă la părțile și dispozitivele din fibră optică în sine. În medicină, ghidurile de lumină sunt folosite pentru a ilumina cavitățile interne cu lumină rece și pentru a transmite imagini.

Partea practică

Se numesc instrumente pentru determinarea indicelui de refracție al substanțelor refractometre(Fig. 7).

Fig.7. Schema optică a refractometrului.

1 - oglindă, 2 - cap de măsurare, 3 - sistem de prisme pentru eliminarea dispersiei, 4 - lentilă, 5 - prismă rotativă (rotația fasciculului cu 90 0), 6 - scară (la unele refractometre

există două scale: scara indicilor de refracție și scara concentrației soluțiilor),

7 - ocular.

Partea principală a refractometrului este un cap de măsurare, format din două prisme: una iluminatoare, care se află în partea pliabilă a capului, și una de măsurare.

La ieșirea din prisma de iluminare, suprafața sa mată creează un fascicul de lumină împrăștiat care trece prin lichidul de testare (2-3 picături) între prisme. Razele cad pe suprafața prismei de măsurare în diferite unghiuri, inclusiv la un unghi de 90 0 . În prisma de măsurare, razele sunt colectate în regiunea unghiului limitator de refracție, ceea ce explică formarea unei limite de lumină-umbră pe ecranul dispozitivului.

Fig.8. Calea fasciculului în capul de măsurare:

1 – prismă iluminatoare, 2 – lichid investigat,

3 - prismă de măsurare, 4 - ecran.

DETERMINAREA PROCENTULUI DE ZAHĂR ÎN SOLUȚIE

Lumina naturala si polarizata. lumina vizibila- aceasta este undele electromagnetice cu o frecvență de oscilație în intervalul de la 4∙10 14 la 7,5∙10 14 Hz. Undele electromagnetice sunteți transversal: vectorii E și H ai intensității câmpurilor electrice și magnetice sunt reciproc perpendiculari și se află într-un plan perpendicular pe vectorul viteză de propagare a undei.

Datorită faptului că atât efectele chimice, cât și cele biologice ale luminii sunt asociate în principal cu componenta electrică a undei electromagnetice, vectorul E intensitatea acestui câmp se numește vector lumina, iar planul de oscilaţii al acestui vector este planul de oscilaţie al undei luminoase.

În orice sursă de lumină, undele sunt emise de mulți atomi și molecule, vectorii de lumină ai acestor unde sunt localizați în diferite planuri, iar oscilațiile au loc în diferite faze. În consecință, planul de oscilații al vectorului luminos al undei rezultate își schimbă continuu poziția în spațiu (Fig. 1). Această lumină se numește natural, sau nepolarizat.

Orez. 1. Reprezentarea schematică a unui fascicul și a luminii naturale.

Dacă alegem două plane reciproc perpendiculare care trec printr-un fascicul de lumină naturală și proiectăm vectorii E pe plan, atunci în medie aceste proiecții vor fi aceleași. Astfel, este convenabil să descrii o rază de lumină naturală ca o linie dreaptă pe care același număr de ambele proiecții sunt situate sub formă de liniuțe și puncte:

Când lumina trece prin cristale, este posibil să se obțină lumină al cărei plan de oscilație a undei ocupă o poziție constantă în spațiu. Această lumină se numește apartament- sau polarizat liniar. Datorită dispunerii ordonate a atomilor și moleculelor într-o rețea spațială, cristalul transmite doar oscilații vectoriale luminoase care apar într-un anumit plan caracteristic unei rețele date.

O undă de lumină polarizată plană este descrisă în mod convenabil după cum urmează:

Polarizarea luminii poate fi, de asemenea, parțială. În acest caz, amplitudinea oscilațiilor vectorului luminos în orice plan depășește semnificativ amplitudinile oscilațiilor din alte planuri.

Lumina parțial polarizată poate fi descrisă în mod convențional astfel: , etc. Raportul dintre numărul de liniuțe și puncte determină gradul de polarizare a luminii.

În toate metodele de conversie a luminii naturale în lumină polarizată, componentele cu o orientare bine definită a planului de polarizare sunt selectate complet sau parțial din lumina naturală.

Metode de obţinere a luminii polarizate: a) reflexia şi refracţia luminii la limita a doi dielectrici; b) transmiterea luminii prin cristale uniaxiale optic anizotrope; c) transmiterea luminii prin medii a cărei anizotropie optică este creată artificial prin acţiunea unui câmp electric sau magnetic, precum şi datorită deformării. Aceste metode se bazează pe fenomen anizotropie.

Anizotropie este dependența unui număr de proprietăți (mecanice, termice, electrice, optice) de direcție. Se numesc corpuri ale căror proprietăți sunt aceleași în toate direcțiile izotrop.

Polarizarea este observată și în timpul împrăștierii luminii. Gradul de polarizare este cu atât mai mare, cu atât dimensiunea particulelor pe care are loc împrăștierea este mai mică.

Dispozitivele concepute pentru a produce lumină polarizată sunt numite polarizatoare.

Polarizarea luminii în timpul reflexiei și refracției la interfața dintre doi dielectrici. Când lumina naturală este reflectată și refractată la interfața dintre doi dielectrici izotropi, are loc polarizarea ei liniară. La un unghi de incidență arbitrar, polarizarea luminii reflectate este parțială. Fasciculul reflectat este dominat de oscilații perpendiculare pe planul de incidență, în timp ce fasciculul refractat este dominat de oscilații paralele cu acesta (Fig. 2).

Orez. 2. Polarizarea parțială a luminii naturale în timpul reflexiei și refracției

Dacă unghiul de incidență satisface condiția tg i B = n 21, atunci lumina reflectată este complet polarizată (legea lui Brewster), iar fasciculul refractat este polarizat nu complet, ci maxim (Fig. 3). În acest caz, razele reflectate și refractate sunt reciproc perpendiculare.

este indicele de refracție relativ al celor două medii, i B este unghiul Brewster.

Orez. 3. Polarizarea totală a fasciculului reflectat în timpul reflexiei și refracției

la interfaţa dintre doi dielectrici izotropi.

Refracție dublă. Există o serie de cristale (calcit, cuarț etc.) în care un fascicul de lumină este refractat și se împarte în două fascicule cu proprietăți diferite. Calcitul (spar islandez) este un cristal cu o rețea hexagonală. Axa de simetrie a prismei hexagonale care formează celula sa se numește axă optică. Axa optică nu este o linie, ci o direcție în cristal. Orice linie paralelă cu această direcție este, de asemenea, o axă optică.

Dacă o placă este tăiată dintr-un cristal de calcit astfel încât fețele sale să fie perpendiculare pe axa optică și un fascicul de lumină este îndreptat de-a lungul axei optice, atunci nu vor avea loc modificări în ea. Dacă, totuși, fasciculul este îndreptat într-un unghi față de axa optică, atunci acesta va fi împărțit în două fascicule (Fig. 4), dintre care unul se numește obișnuit, al doilea - extraordinar.

Orez. 4. Birefringență când lumina trece printr-o placă de calcit.

MN este axa optică.

Un fascicul obișnuit se află în planul de incidență și are indicele de refracție obișnuit pentru o anumită substanță. Fasciculul extraordinar se află într-un plan care trece prin fasciculul incident și prin axa optică a cristalului, desenată în punctul de incidență al fasciculului. Acest avion se numește planul principal al cristalului. Indicii de refracție pentru fasciculele obișnuite și extraordinare sunt diferiți.

Atât razele obișnuite, cât și cele extraordinare sunt polarizate. Planul de oscilație al razelor obișnuite este perpendicular pe planul principal. Oscilațiile razelor extraordinare au loc în planul principal al cristalului.

Fenomenul de birefringență se datorează anizotropiei cristalelor. De-a lungul axei optice, viteza unei unde de lumină pentru razele obișnuite și extraordinare este aceeași. În alte direcții, viteza unei unde extraordinare în calcit este mai mare decât cea a uneia obișnuite. Cea mai mare diferență între vitezele ambelor unde apare în direcția perpendiculară pe axa optică.

Conform principiului Huygens, cu birefringența în fiecare punct de pe suprafața unei unde care ajunge la limita cristalului, apar simultan două unde elementare (nu una, ca în mediile obișnuite), care se propagă în cristal.

Viteza de propagare a unei unde în toate direcțiile este aceeași, adică unda are formă sferică și se numește comun. Viteza de propagare a unei alte unde în direcția axei optice a cristalului este aceeași cu viteza unei unde obișnuite, iar în direcția perpendiculară pe axa optică, diferă de aceasta. Unda are o formă elipsoidală și se numește extraordinar(Fig.5).

Orez. 5. Propagarea unei unde obișnuite (o) și extraordinare (e) într-un cristal

cu dubla refractie.

Prisma Nicolae. Pentru a obține lumină polarizată, se folosește o prismă polarizantă Nicol. O prismă de o anumită formă și dimensiune este tăiată din calcit, apoi este tăiată de-a lungul unui plan diagonal și lipită cu balsam canadian. Când un fascicul de lumină incide pe fața superioară de-a lungul axei prismei (Fig. 6), fasciculul extraordinar este incident pe planul de lipire la un unghi mai mic și trece aproape fără schimbarea direcției. Un fascicul obișnuit cade la un unghi mai mare decât unghiul de reflexie totală pentru balsamul canadian, este reflectat din planul de lipire și absorbit de fața înnegrită a prismei. Prisma Nicol produce lumină complet polarizată, al cărei plan de oscilație se află în planul principal al prismei.

Orez. 6. Prisma Nicolas. Schema trecerii unui ordinar

și raze extraordinare.

Dicroism. Există cristale care absorb razele obișnuite și extraordinare în moduri diferite. Deci, dacă un fascicul de lumină naturală este îndreptat către un cristal de turmalină perpendicular pe direcția axei optice, atunci cu o grosime a plăcii de doar câțiva milimetri, fasciculul obișnuit va fi complet absorbit și numai fasciculul extraordinar va ieși din cristalul (Fig. 7).

Orez. 7. Trecerea luminii printr-un cristal de turmalina.

Se numește natura diferită a absorbției razelor obișnuite și extraordinare anizotropie de absorbție, sau dicroism. Astfel, cristalele de turmalina pot fi folosite si ca polarizatori.

Polaroiduri.În prezent, polarizatoarele sunt utilizate pe scară largă. polaroiduri. Pentru a face un polaroid, o peliculă transparentă este lipită între două plăci de sticlă sau plexiglas, care conține cristale de substanță dicroică care polarizează lumina (de exemplu, sulfat de iodochinonă). În timpul procesului de fabricare a filmului, cristalele sunt orientate astfel încât axele lor optice să fie paralele. Întregul sistem este fixat într-un cadru.

Costul redus al polaroidelor și posibilitatea de fabricare a plăcilor cu o suprafață mare au asigurat aplicarea lor largă în practică.

Analiza luminii polarizate. Pentru a studia natura și gradul de polarizare a luminii, dispozitivele numite analizoare. Ca analizoare, se folosesc aceleași dispozitive care servesc la obținerea luminii polarizate liniar - polarizatoare, dar adaptate pentru rotație în jurul axei longitudinale. Analizorul trece doar vibrațiile care coincid cu planul său principal. În caz contrar, doar componenta de oscilație care coincide cu acest plan trece prin analizor.

Dacă unda luminoasă care intră în analizor este polarizată liniar, atunci intensitatea undei care iese din analizor satisface Legea lui Malus:

,

unde I 0 este intensitatea luminii care intră, φ este unghiul dintre planurile luminii care intră și lumina transmisă de analizor.

Trecerea luminii prin sistemul polarizator-analizator este prezentat schematic in fig. opt.

Orez. Fig. 8. Schema trecerii luminii prin sistemul polarizator-analizator (P - polarizator,

A - analizor, E - ecran):

a) planurile principale ale polarizatorului și analizorului coincid;

b) planurile principale ale polarizatorului și analizorului sunt situate la un anumit unghi;

c) planurile principale ale polarizatorului și analizorului sunt reciproc perpendiculare.

Dacă planurile principale ale polarizatorului și analizorului coincid, atunci lumina trece complet prin analizor și luminează ecranul (Fig. 7a). Dacă sunt situate la un anumit unghi, lumina trece prin analizor, dar este atenuată (Fig. 7b) cu atât mai mult, cu atât acest unghi este mai aproape de 90 0 . Dacă aceste planuri sunt reciproc perpendiculare, atunci lumina este complet stinsă de analizor (Fig. 7c)

Rotația planului de oscilație al luminii polarizate. Polarimetrie. Unele cristale, precum și soluțiile de substanțe organice, au capacitatea de a roti planul oscilațiilor luminii polarizate care trece prin ele. Aceste substanțe sunt numite optic A activ. Acestea includ zaharuri, acizi, alcaloizi etc.

Pentru majoritatea substanțelor optic active s-a constatat existența a două modificări care rotesc planul de polarizare în sensul acelor de ceasornic, respectiv în sens invers acelor de ceasornic (pentru un observator care privește spre fascicul). Prima modificare se numește dextrogir, sau pozitiv al doilea - levorotară, sau negativ.

Activitatea optică naturală a unei substanțe în stare necristalină se datorează asimetriei moleculelor. În substanțele cristaline, activitatea optică se poate datora și particularităților aranjamentului moleculelor în rețea.

La solide, unghiul φ de rotație al planului de polarizare este direct proporțional cu lungimea d a traseului fasciculului de lumină în corp:

unde α este capacitatea de rotație (rotație specifică),în funcție de tipul de substanță, temperatură și lungime de undă. Pentru modificările de rotație la stânga și la dreapta, abilitățile de rotație sunt aceleași ca mărime.

Pentru soluții, unghiul de rotație al planului de polarizare

,

unde α este rotația specifică, c este concentrația substanței optic active în soluție. Valoarea lui α depinde de natura substanței optic active și a solventului, de temperatură și de lungimea de undă a luminii. Rotatie specifica- acesta este un unghi de rotație de 100 de ori mărit pentru o soluție de 1 dm grosime la o concentrație de substanță de 1 gram la 100 cm 3 de soluție la o temperatură de 20 0 C și la o lungime de undă a luminii λ=589 nm. Se numește o metodă foarte sensibilă pentru determinarea concentrației c, pe baza acestui raport polarimetrie (zaharimetrie).

Se numește dependența rotației planului de polarizare de lungimea de undă a luminii dispersie rotațională.În prima aproximare, există Legea lui Bio:

unde A este un coeficient care depinde de natura substanței și de temperatură.

Într-un cadru clinic, metoda polarimetrie folosit pentru determinarea concentrației de zahăr în urină. Dispozitivul folosit pentru aceasta se numește zaharimetru(Fig. 9).

Orez. 9. Dispunerea optică a zaharimetrului:

Și - o sursă de lumină naturală;

C - filtru de lumină (monocromator), care asigură coordonarea funcționării dispozitivului

cu legea lui Biot;

L este o lentilă convergentă care dă un fascicul de lumină paralel la ieșire;

P - polarizator;

K – tub cu soluție de testare;

A - analizor montat pe un disc rotativ D cu diviziuni.

Când se efectuează un studiu, analizorul este mai întâi setat la întunecarea maximă a câmpului vizual fără soluția de testare. Apoi, un tub cu o soluție este plasat în dispozitiv și, rotind analizorul, câmpul vizual se întunecă din nou. Cel mai mic dintre cele două unghiuri prin care trebuie rotit analizorul este unghiul de rotație al analitului. Unghiul este utilizat pentru a calcula concentrația de zahăr din soluție.

Pentru a simplifica calculele, tubul cu soluția este realizat atât de lung încât unghiul de rotație al analizorului (în grade) este numeric egal cu concentrația Cu soluție (în grame la 100 cm 3). Lungimea tubului pentru glucoză este de 19 cm.

microscopia polarizanta. Metoda se bazează pe anizotropie unele componente ale celulelor si tesuturilor care apar atunci cand sunt observate in lumina polarizata. Structurile formate din molecule dispuse în paralel sau discuri dispuse sub formă de stivă, atunci când sunt introduse într-un mediu cu un indice de refracție care diferă de indicele de refracție al particulelor structurii, prezintă capacitatea de a dubla refractie. Aceasta înseamnă că structura va transmite lumină polarizată numai dacă planul de polarizare este paralel cu axele lungi ale particulelor. Acest lucru rămâne valabil chiar și atunci când particulele nu au propria birefringență. Optic anizotropie observat la nivelul mușchilor, țesutului conjunctiv (colagen) și fibrelor nervoase.

Însuși numele mușchiului scheletic striat" datorită diferenței dintre proprietățile optice ale secțiunilor individuale ale fibrei musculare. Constă în alternarea zonelor mai întunecate și mai deschise ale substanței tisulare. Acest lucru conferă fibrei o striare transversală. Studiul fibrei musculare în lumină polarizată dezvăluie că zonele mai întunecate sunt anizotropși au proprietăți birefringenta, în timp ce zonele mai întunecate sunt izotrop. Colagen fibrele sunt anizotrope, axa lor optică este situată de-a lungul axei fibrei. Micele în pulpă neurofibrile sunt de asemenea anizotrope, dar axele lor optice sunt situate în direcții radiale. Pentru examinarea histologică a acestor structuri se folosește un microscop polarizant.

Cea mai importantă componentă a unui microscop polarizant este polarizatorul, care se află între sursa de lumină și condensator. În plus, microscopul are o plată rotativă sau suport de probă, un analizor situat între obiectiv și ocular, care poate fi instalat astfel încât axa acestuia să fie perpendiculară pe axa polarizatorului și un compensator.

Când polarizatorul și analizorul sunt încrucișate și obiectul lipsește sau izotrop câmpul apare uniform întunecat. Dacă există un obiect cu birefringență și este situat astfel încât axa acestuia să fie într-un unghi față de planul de polarizare, diferit de 0 0 sau de 90 0 , acesta va împărți lumina polarizată în două componente - paralele și perpendiculare pe planul analizorului. În consecință, o parte din lumină va trece prin analizor, rezultând o imagine strălucitoare a obiectului pe un fundal întunecat. Când obiectul se rotește, luminozitatea imaginii sale se va modifica, atingând un maxim la un unghi de 45 0 față de polarizator sau analizor.

Microscopia polarizante este utilizată pentru a studia orientarea moleculelor în structurile biologice (de exemplu, celulele musculare), precum și în timpul observării structurilor invizibile prin alte metode (de exemplu, fusul mitotic în timpul diviziunii celulare), identificarea structurii elicoidale.

Lumina polarizată este utilizată în condiții de model pentru a evalua solicitările mecanice care apar în țesuturile osoase. Această metodă se bazează pe fenomenul de fotoelasticitate, care constă în apariția anizotropiei optice în solidele inițial izotrope sub acțiunea sarcinilor mecanice.

DETERMINAREA LUNGIMII UNDEI DE LUMINĂ FOLOSIND UN GRĂT DE DIFRACȚIE

Interferență luminoasă. Interferența luminii este un fenomen care apare atunci când undele luminoase sunt suprapuse și este însoțită de amplificarea sau atenuarea lor. Un model de interferență stabil apare atunci când sunt suprapuse unde coerente. Undele coerente se numesc unde cu frecvențe egale și aceleași faze sau care au o defazare constantă. Amplificarea undelor luminoase în timpul interferenței (condiția maximă) are loc dacă Δ se potrivește unui număr par de semilungimi de undă:

Unde k – ordine maximă, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ este lungimea undei luminoase.

Slăbirea undelor luminoase în timpul interferenței (condiția minimă) este observată dacă un număr impar de semilungimi de undă se încadrează în diferența de cale optică Δ:

Unde k este de ordinul minimului.

Diferența de cale optică a două fascicule este diferența de distanțe de la surse până la punctul de observare a modelului de interferență.

Interferență în pelicule subțiri. Interferența în peliculele subțiri poate fi observată în bulele de săpun, într-un loc de kerosen de pe suprafața apei când este luminat de lumina soarelui.

Lăsați fasciculul 1 să cadă pe suprafața unei pelicule subțiri (vezi Fig. 2). Fasciculul, refractat la interfața aer-film, trece prin film, este reflectat de suprafața sa interioară, se apropie de suprafața exterioară a filmului, este refractat la interfața film-aer și fasciculul iese. Îndreptăm fasciculul 2 către punctul de ieșire al fasciculului, care trece paralel cu fasciculul 1. Fasciculul 2 este reflectat de suprafața filmului, suprapus peste fasciculul și ambele fascicule interferează.

Când iluminăm filmul cu lumină policromatică, obținem o imagine curcubeu. Acest lucru se datorează faptului că filmul nu este uniform ca grosime. În consecință, apar diferențe de traseu de amploare diferită, care corespund unor lungimi de undă diferite (filme de săpun colorate, culori irizate ale aripilor unor insecte și păsări, pelicule de ulei sau uleiuri pe suprafața apei etc.).

Interferența luminii este utilizată în dispozitive - interferometre. Interferometrele sunt dispozitive optice care pot fi folosite pentru a separa spațial două fascicule și pentru a crea o anumită diferență de cale între ele. Interferometrele sunt utilizate pentru determinarea lungimii de undă cu un grad ridicat de precizie a distanțelor mici, a indicilor de refracție ai substanțelor și pentru a determina calitatea suprafețelor optice.

În scopuri sanitare și igienice, interferometrul este utilizat pentru a determina conținutul de gaze nocive.

Combinația dintre un interferometru și un microscop (microscop de interferență) este utilizată în biologie pentru a măsura indicele de refracție, concentrația de substanță uscată și grosimea micro-obiectelor transparente.

Principiul Huygens-Fresnel. Potrivit lui Huygens, fiecare punct al mediului, la care ajunge unda primară la un moment dat, este o sursă de unde secundare. Fresnel a rafinat această poziție a lui Huygens adăugând că undele secundare sunt coerente, adică. atunci când sunt suprapuse, vor da un model de interferență stabil.

Difracția luminii. Difracția luminii este fenomenul de abatere a luminii de la propagarea rectilinie.

Difracția în fascicule paralele dintr-o fantă. Lăsați pe țintă larg în cade un fascicul paralel de lumină monocromatică (vezi Fig. 3):

O lentilă este instalată în calea razelor L , în planul focal al căruia se află ecranul E . Majoritatea fasciculelor nu difractează; nu-și schimba direcția și sunt focalizate de lentilă L în centrul ecranului, formând un maxim central sau un maxim de ordin zero. Raze care difractează la unghiuri de difracție egale φ , va forma maxime pe ecranul 1,2,3,…, n - Comenzi.

Astfel, modelul de difracție obținut dintr-o fantă în fascicule paralele atunci când este iluminat cu lumină monocromatică este o bandă strălucitoare cu iluminare maximă în centrul ecranului, apoi vine o dungă întunecată (minimum de ordinul I), apoi vine o dungă strălucitoare ( maxim de ordinul 1).ordine), bandă întunecată (minim de ordinul 2), maxim de ordinul 2 etc. Modelul de difracție este simetric față de maximul central. Când fanta este iluminată cu lumină albă, pe ecran se formează un sistem de benzi colorate, doar maximul central va păstra culoarea luminii incidente.

Termeni maxși min difracţie. Dacă în diferența de cale optică Δ potriviți un număr impar de segmente egal cu , atunci există o creștere a intensității luminii ( max difracţie):

Unde k este ordinul maximului; k =±1,±2,±…,± n;

λ este lungimea de undă.

Dacă în diferența de cale optică Δ potriviți un număr par de segmente egal cu , atunci are loc o slăbire a intensității luminii ( min difracţie):

Unde k este de ordinul minimului.

Rețeaua de difracție. Un rețele de difracție constă din benzi alternante care sunt opace la trecerea luminii cu benzi (fante) care sunt transparente la lumină și de lățime egală.

Caracteristica principală a rețelei de difracție este perioada sa d . perioada rețelei de difracție este lățimea totală a benzilor transparente și opace:

O rețea de difracție este utilizată în instrumentele optice pentru a îmbunătăți rezoluția instrumentului. Rezoluția unui rețele de difracție depinde de ordinea spectrului k și asupra numărului de lovituri N :

Unde R - rezoluție.

Derivarea formulei rețelei de difracție. Să direcționăm două fascicule paralele pe rețeaua de difracție: 1 și 2, astfel încât distanța dintre ele să fie egală cu perioada rețelei d .

La puncte DAR și LA fasciculele 1 și 2 difractează, deviând de la direcția rectilinie la un unghi φ este unghiul de difracție.

Raze și focalizat de lentilă L pe un ecran situat în planul focal al lentilei (Fig. 5). Fiecare fantă a grătarului poate fi considerată o sursă de unde secundare (principiul Huygens-Fresnel). Pe ecran la punctul D, observăm maximul modelului de interferență.

De la un punct DAR pe calea grinzii scade perpendiculara si obtine punctul C. consideram un triunghi ABC : triunghi dreptunghic РВАС=Рφ ca unghiuri cu laturile reciproc perpendiculare. Din Δ ABC:

Unde AB=d (prin construcție),

SW = ∆ este diferența de cale optică.

Deoarece în punctul D observăm interferența maximă, atunci

Unde k este de ordinul maximului,

λ este lungimea undei luminoase.

Conectarea valorilor AB=d, în formula pentru sinφ :

De aici obținem:

În general, formula rețelei de difracție are forma:

Semnele ± arată că modelul de interferență de pe ecran este simetric față de maximul central.

Bazele fizice ale holografiei. Holografia este o metodă de înregistrare și reconstrucție a unui câmp de undă, care se bazează pe fenomenele de difracție și interferență a undelor. Dacă doar intensitatea undelor reflectate de obiect este fixată pe o fotografie obișnuită, atunci fazele undelor sunt înregistrate suplimentar pe hologramă, ceea ce oferă informații suplimentare despre obiect și face posibilă obținerea unei imagini tridimensionale a obiectul.