Urobme experiment. Do stredu optického disku umiestnime sklenenú platňu a nasmerujeme na ňu lúč svetla. Uvidíme, že na rozhraní vzduchu so sklom sa bude svetlo nielen odrážať, ale bude prenikať aj dovnútra skla, čím sa zmení smer jeho šírenia (obr. 84).

Zmena smeru šírenia svetla pri prechode rozhraním medzi dvoma médiami sa nazýva lom svetla.

Obrázok 84 zobrazuje: AO - dopadajúci lúč; OB - odrazený lúč; OE - lomený lúč.

Všimnite si, že ak by sme lúč nasmerovali v smere EO, potom by v dôsledku reverzibilnosti svetelných lúčov vychádzal zo skla v smere OA.

Lom svetla sa vysvetľuje zmenou rýchlosti šírenia svetla pri prechode z jedného prostredia do druhého. Po prvýkrát sa takéto vysvetlenie tohto javu dostalo v polovici 17. storočia. Otec Menyan. Podľa Meignana, keď svetlo prechádza z jedného média do druhého, lúč svetla mení svoj smer rovnako, ako sa mení smer pohybu „frontu vojaka“, keď je lúka, po ktorej vojaci kráčajú, blokovaná ornou pôdou. , ktorej hranica prebieha šikmo dopredu. Každý z vojakov, ktorí sa dostali na ornú pôdu, spomalí svoj pohyb, zatiaľ čo tí z vojakov, ktorí ju ešte nedosiahli, pokračujú v pohybe rovnakou rýchlosťou. V dôsledku toho vojaci, ktorí vstúpili na ornú pôdu, začnú zaostávať za tými, ktorí idú po lúke, a kolóna vojska sa otáča (obr. 85).

Na určenie, ktorým smerom sa bude lúč svetla pri prechode rozhraním medzi dvoma prostrediami odchyľovať, je potrebné vedieť, v ktorom z týchto prostredí je rýchlosť svetla menšia a v ktorom väčšia.

Svetlo sú elektromagnetické vlny. Preto všetko, čo bolo povedané o rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn (pozri § 28), platí rovnako aj pre rýchlosť svetla. Takže napríklad rýchlosť svetla vo vákuu je maximálna a rovná sa:

c = 299792 km/s ≈ 300000 km/s.

Rýchlosť svetla v hmote v je vždy menšia ako vo vákuu:

Hodnoty rýchlosti svetla v rôznych médiách sú uvedené v tabuľke 6.

Z týchto dvoch médií sa nazýva to, v ktorom je rýchlosť svetla menšia opticky hustejšie a ten, v ktorom je rýchlosť svetla väčšia - opticky menej hustá. Napríklad voda je opticky hustejšia ako vzduch a sklo je opticky hustejšie ako voda.

Skúsenosti ukazujú, že po vstupe do média, ktoré je opticky hustejšie, sa lúč svetla odchýli od svojho pôvodného smeru smerom ku kolmici na rozhranie medzi dvoma médiami (obr. 86, a) a dostane sa do média, ktoré je opticky menej husté, lúč svetla sa odchyľuje na opačnú stranu (obr. 86, b).

Uhol medzi lomeným lúčom a kolmicou na rozhranie medzi dvoma médiami v bode dopadu lúča sa nazýva uhol lomu. Obrázok 86

α - uhol dopadu, β - uhol lomu.

Obrázok 86 ukazuje, že uhol lomu môže byť väčší alebo menší ako uhol dopadu. Môžu sa tieto uhly zhodovať? Môžu, ale iba vtedy, keď lúč svetla dopadá na rozhranie v pravom uhle k nemu; v tomto prípade α = β = 0.

Schopnosť lámať lúče v rôznych médiách je odlišná. Čím výraznejšie sa rýchlosti svetla v dvoch prostrediach líšia, tým silnejšie sa lúče lámu na hranici medzi nimi.

Jednou z hlavných častí mnohých optických prístrojov je sklenený trojuholníkový hranol (obr. 87, a). Obrázok 87, b znázorňuje dráhu lúča v takomto hranole: v dôsledku dvojitého lomu trojuholníkový hranol vychýli lúč dopadajúci naň na stranu smerom k jeho základni.

Lom svetla je príčinou toho, že hĺbka nádrže (rieky, rybníka, vodného kúpeľa) sa nám zdá menšia, ako v skutočnosti je. Na to, aby sme videli akýkoľvek bod S na dne zásobníka, je totiž potrebné, aby lúče svetla, ktoré z neho vychádzajú, dopadali do oka pozorovateľa (obr. 88). Ale po ohybe na hranici vody so vzduchom bude lúč svetla vnímaný okom ako svetlo pochádzajúce z imaginárneho obrazu S 1 umiestneného vyššie ako zodpovedajúci bod S na dne nádrže. Dá sa dokázať, že zdanlivá hĺbka h vodného útvaru je približne ¾ jeho skutočnej hĺbky H.

Prvýkrát tento jav opísal Euklides. Jedna z jeho kníh hovorí o skúsenostiach s prsteňom. Pozorovateľ sa pozerá na pohár s prsteňom ležiacim na jeho dne tak, že mu okraje pohára neumožňujú vidieť; potom, bez toho, aby zmenili polohu očí, začnú nalievať vodu do pohára a po chvíli sa prsteň stane viditeľným.

Lom svetla vysvetľuje aj mnohé ďalšie javy, napríklad zjavné rozbitie lyžice ponorenej do pohára s vodou; vyššie ako je skutočná poloha hviezd a Slnka nad obzorom atď.

1. Čo sa nazýva lom svetla? 2. Aký uhol sa nazýva uhol lomu? Ako je to určené? 3. Aká je rýchlosť svetla vo vákuu? 4. Ktoré médium je opticky hustejšie: ľad alebo kremeň? prečo? 5. V akom prípade je uhol lomu svetla menší ako uhol dopadu a v ktorom viac? 6. Aký je uhol dopadu lúča, ak je lomený lúč kolmý na rozhranie medzi médiami? 7. Prečo sa pozorovateľ pozerá na vodu, hĺbka nádrže sa mu zdá menšia, ako v skutočnosti je? Aká bude hĺbka rieky, ak je v skutočnosti 2 m? 8. Vo vzduchu sú kusy skla, kremeňa a diamantu. Na ktorom povrchu sa svetelné lúče najviac lámu?

Experimentálna úloha. Zopakujte si Euklidovu skúsenosť. Umiestnite prsteň (alebo mincu) na spodok čajovej šálky a potom ju položte pred seba tak, aby okraje šálky zakrývali jej dno. Ak bez toho, aby ste zmenili vzájomnú polohu pohára a očí, nalejte do neho vodu, prsteň (alebo minca) sa stane viditeľným. prečo?

Na hranici prechodu z jedného prostredia do druhého, ak je výrazne dlhšia ako vlnová dĺžka, sa pozoruje zmena smeru svetelných lúčov. V tomto prípade sa časť energie odrazí, to znamená, že sa vráti do rovnakého média a časť sa láme a preniká do iného média. Pomocou zákonov odrazu a lomu svetla možno vysvetliť, aký smer majú odrazené a lomené lúče a aký je podiel svetelnej energie, ktorá sa odráža alebo prenáša z jedného média do druhého. Aby došlo k javu odrazu a lomu svetla, teleso musí byť dosť hladké, nie matné a mať dosť jednotnú vnútornú štruktúru. Príkladom takéhoto prípadu by bolo rozhranie medzi vodou a vzduchom v širokej nádobe. Leštené kovové telá majú aj zrkadlový povrch.

Aby ste pochopili podstatu týchto zákonov, môžete vykonať jednoduchý experiment. Úzky prúd lúčov by mal smerovať na vodu naliatu do veľkej nádoby. Je vidieť, že časť lúčov sa odrazí na hladine a zvyšok pôjde do vody. Navyše uvidíme, čo sa stane lom svetla vo vode.

Zákon odrazu

Zákon odrazu určuje zmenu smeru lúča svetla, keď sa stretne s odrazovým povrchom. Spočíva v tom, že dopadajúci aj odrazený lúč sú v rovnakej rovine s kolmicou k povrchu a táto kolmica rozdeľuje uhol medzi týmito lúčmi na rovnaké časti.

Častejšie sa formuluje takto: uhol dopadu a uhol odrazu svetla sú si rovné:

α=γ

Táto formulácia je menej presná, pretože nešpecifikuje presný smer odrazu lúča.

Zákon odrazu pochádza z princípov vlnovej optiky. Experimentálne ho našiel Euklides v 3. storočí pred Kristom. Možno to považovať za dôsledok použitia Fermatovho princípu pre zrkadlový povrch.

Akékoľvek médium má určitý stupeň reflexnej a absorbčnej schopnosti. Hodnota, ktorá udáva odrazivosť povrchu je odrazivosť svetla. Určuje, aký podiel energie privedenej na povrch tvorí energia, ktorá je z neho odnesená odrazeným žiarením. Jeho hodnota závisí od mnohých faktorov vrátane uhla dopadu a zloženia žiarenia.

V dôsledku prechodu z hustejšieho na opticky menej husté médium (povedzme do vzduchu zo skla) dochádza k úplnému odrazu, čo znamená, že lomený lúč zmizne.

Úplný odraz sa pozoruje, keď lúče dopadajú na tekutú ortuť alebo striebro nanesené na skle.

Tento jav nastáva, ak uhol dopadu prekročí limit uhol celkového odrazu svetla αpr.

Ak α = αpr, potom hriech β = 1, a sin αpr = n2/n1

Keď je druhým médiom vzduch (t.j. n2 ≈ 1), tento vzorec má nasledujúcu formu:

hriech αpr=1/n

Kritický uhol pre prechod zo skla do vzduchu je 42° (at n=1,5), pre prechod z vody do vzduchu - 48,7 ° (at n = 1,33).

Celkový vnútorný odraz svetla

V prírode sú príkladom úplného odrazu rôzne fata morgány a fata morgana. Vznikajú v dôsledku odrazu na rozhraní vzduchových vrstiev s rôznou teplotou. okrem toho úplný odraz svetla vysvetľuje tiež jasnú brilanciu drahých kameňov, keď každý prichádzajúci lúč vytvára veľa jasných vychádzajúcich lúčov.

Ak sa pod vodou pozeráte na povrch pod určitým uhlom, nevidíte to, čo je vo vzduchu, ale zrkadlový obraz predmetov pod vodou. Toto je ďalší príklad úplnej vnútornej reflexie.

V prípade, že uhol dopadu na hranici medzi dvoma dielektrickými médiami nie je rovný nule, odrazený aj lomený lúč sa čiastočne polarizujú. Polarizácia svetla pri odraze určený uhlom dopadu. Uhol, pri ktorom je odrazený lúč úplne polarizovaný a lomený lúč má maximálny možný stupeň polarizácie, sa nazýva Brewsterov uhol.

Upozorňujeme, že informácie o výbere filtrov pre šošovky sú k dispozícii na tejto adrese: .

Zákony odrazu a lomu svetla fotografie

Nižšie sú uvedené fotografie na tému článku "Zákony odrazu a lomu svetla." Pre otvorenie fotogalérie stačí kliknúť na miniatúru obrázka.

• Uhol dopaduα je uhol medzi dopadajúcim svetelným lúčom a kolmicou na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovený v bode dopadu (obr. 1).

• Uhol odrazuβ je uhol medzi odrazeným svetelným lúčom a kolmicou na odraznú plochu, obnovený v bode dopadu (pozri obr. 1).

• uhol lomuγ je uhol medzi lomeným lúčom svetla a kolmicou na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovený v bode dopadu (pozri obr. 1).

• pod trámom pochopiť čiaru, po ktorej sa prenáša energia elektromagnetickej vlny. Dovoľte nám súhlasiť s grafickým znázornením optických lúčov pomocou geometrických lúčov so šípkami. V geometrickej optike sa neberie do úvahy vlnový charakter svetla (pozri obr. 1).

• Lúče prichádzajúce z jedného bodu sa nazývajú divergentný a zhromaždenie v jednom bode - zbiehajúce sa. Príkladom divergentných lúčov je pozorované svetlo vzdialených hviezd a príkladom zbiehajúcich sa lúčov je súbor lúčov, ktoré vstupujú do zrenice nášho oka z rôznych predmetov.

Pri štúdiu vlastností svetelných lúčov boli experimentálne stanovené štyri základné zákony geometrickej optiky:

• zákon priamočiareho šírenia svetla;
• zákon nezávislosti svetelných lúčov;
• zákon odrazu svetelných lúčov;
• zákon lomu svetelných lúčov.

Lom svetla

Merania ukázali, že rýchlosť svetla v hmote υ je vždy menšia ako rýchlosť svetla vo vákuu c.

• Pomer rýchlosti svetla vo vákuu c k jeho rýchlosti v danom médiu sa nazýva υ absolútny index lomu:

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

Fráza " absolútny index lomu média"je často nahradený " index lomu média».

Uvažujme lúč dopadajúci na ploché rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami s indexmi lomu n 1 a n 2 pod určitým uhlom α (obr. 2).

• Zmena smeru šírenia lúča svetla pri prechode rozhraním medzi dvoma prostrediami sa nazýva lom svetla.

Zákony lomu:

• pomer sínusu uhla dopadu α ​​k sínusu uhla lomu γ je konštantná hodnota pre dve dané prostredia

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

• dopadajúce a lomené lúče ležia v rovnakej rovine s kolmicou vedenou v bode dopadu lúča na rovinu rozhrania medzi dvoma prostrediami.

Pre lom, princíp reverzibility svetelných lúčov:

• lúč svetla šíriaci sa po dráhe lomeného lúča, lomeného v bode O na rozhraní medzi médiami sa šíri ďalej po dráhe dopadajúceho lúča.

Zo zákona lomu vyplýva, že ak je druhé prostredie cez prvé prostredie opticky hustejšie,

• tie. n 2 > n 1, potom α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \right)\) (obr. 3a);
• ak n 2 < n 1, potom a< γ (рис. 3, б).

Ryža. 3

Prvá zmienka o lomu svetla vo vode a skle sa nachádza v diele Claudia Ptolemaia „Optika“, publikovanom v 2. storočí nášho letopočtu. Zákon lomu svetla experimentálne stanovil v roku 1620 holandský vedec Willebrod Snellius. Všimnite si, že nezávisle od Snella zákon lomu objavil aj René Descartes.

Zákon lomu svetla umožňuje vypočítať dráhu lúčov v rôznych optických systémoch.

Na rozhraní medzi dvoma transparentnými médiami sa odraz vĺn zvyčajne pozoruje súčasne s lomom. Podľa zákona zachovania energie súčet energií odrazených W o a lomené W np vlny sa rovná energii dopadajúcej vlny W n:

Wn = Wnp + W o.

totálny odraz

Ako je uvedené vyššie, keď svetlo prechádza z opticky hustejšieho média do opticky menej hustého média ( n 1 > n 2) sa uhol lomu γ zväčší ako uhol dopadu α ​​(pozri obr. 3, b).

Keď sa uhol dopadu α ​​zväčšuje (obr. 4), pri určitej hodnote α 3 bude uhol lomu γ = 90°, t.j. svetlo nevstúpi do druhého prostredia. Pri veľkých uhloch α 3 sa svetlo iba odráža. Energia lomených vĺn Wnp v tomto prípade sa bude rovnať nule a energia odrazenej vlny sa bude rovnať energii dopadu: Wn = W o. Preto od tohto uhla dopadu α ​​3 (ďalej len α 0) sa všetka svetelná energia odráža od rozhrania medzi týmito médiami.

Tento jav sa nazýva úplný odraz (pozri obr. 4).

• Uhol α 0, pri ktorom začína úplný odraz, sa nazýva medzný uhol úplného odrazu.

Hodnota uhla α 0 sa určí zo zákona lomu za predpokladu, že uhol lomu γ = 90°:

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

Literatúra

Žilko, V.V. Fyzika: učebnica. Príspevok na všeobecné vzdelanie 11. ročníka. škola z ruštiny lang. tréning / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk: Nár. Asveta, 2009. - S. 91-96.

Zákony lomu svetla.

Fyzikálny význam indexu lomu. Svetlo sa láme v dôsledku zmeny rýchlosti jeho šírenia pri prechode z jedného prostredia do druhého. Index lomu druhého média vo vzťahu k prvému sa číselne rovná pomeru rýchlosti svetla v prvom médiu k rýchlosti svetla v druhom médiu:

Index lomu teda ukazuje, koľkokrát je rýchlosť svetla v médiu, z ktorého lúč vychádza, väčšia (menšia) ako rýchlosť svetla v médiu, do ktorého vstupuje.

Keďže rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je konštantná, je vhodné určiť indexy lomu rôznych prostredí vzhľadom na vákuum. Pomer rýchlosti s šírenie svetla vo vákuu na rýchlosť jeho šírenia v danom prostredí je tzv absolútny index lomu danú látku () a je hlavnou charakteristikou jej optických vlastností,

,

tie. index lomu druhého prostredia vzhľadom k prvému sa rovná pomeru absolútnych indexov týchto médií.

Zvyčajne sú optické vlastnosti látky charakterizované indexom lomu n vzhľadom na vzduch, ktorý sa len málo líši od absolútneho indexu lomu. V tomto prípade sa médium, v ktorom je absolútny index väčší, nazýva opticky hustejšie.

Limitný uhol lomu. Ak svetlo prechádza z média s nižším indexom lomu do média s vyšším indexom lomu ( n 1< n 2 ), potom je uhol lomu menší ako uhol dopadu

r< i (obr. 3).

Ryža. 3. Lom svetla pri prechode

z opticky menej hustého média na médium

opticky hustejšie.

Keď sa uhol dopadu zväčší na ja m = 90° (lúč 3, obr. 2) svetlo v druhom médiu sa bude šíriť len v rámci uhla r pr volal limitný uhol lomu. V oblasti druhého média v uhle dodatočnom k ​​limitnému uhlu lomu (90° - ja pr ), nepreniká svetlo (táto oblasť je na obr. 3 zatienená).

Limitný uhol lomu r pr

Ale hriech i m = 1, teda .

Fenomén totálnej vnútornej reflexie. Keď svetlo prechádza z média s vysokým indexom lomu n 1 > n 2 (obr. 4), potom je uhol lomu väčší ako uhol dopadu. Svetlo sa láme (prechádza do druhého prostredia) len v rámci uhla dopadu ja pr , čo zodpovedá uhlu lomu rm = 90°.

Ryža. 4. Lom svetla pri prechode z opticky hustejšieho prostredia do prostredia

menej opticky hustá.

Svetlo dopadajúce pod veľkým uhlom sa úplne odráža od hranice média (obr. 4 zväzok 3). Tento jav sa nazýva úplný vnútorný odraz a uhol dopadu ja pr je hraničný uhol celkového vnútorného odrazu.

Limitný uhol celkového vnútorného odrazu ja pr určuje sa podľa stavu:

, potom sin r m =1, teda .

Ak svetlo prechádza z akéhokoľvek média do vákua alebo do vzduchu, potom

Vzhľadom na reverzibilitu dráhy lúčov pre tieto dve prostredia sa medzný uhol lomu pri prechode z prvého prostredia do druhého rovná medznému uhlu úplného vnútorného odrazu pri prechode lúča z druhého prostredia do prvého. .

Hraničný uhol celkového vnútorného odrazu skla je menší ako 42°. Preto sa lúče prechádzajúce sklom a dopadajúce na jeho povrch pod uhlom 45° úplne odrážajú. Táto vlastnosť skla sa využíva v rotačných (obr. 5a) a reverzibilných (obr. 4b) hranoloch, ktoré sa často využívajú v optických prístrojoch.

Ryža. 5: a – rotačný hranol; b - reverzný hranol.

vláknová optika. Pri konštrukcii flexibilných sa používa úplný vnútorný odraz svetlovody. Svetlo, ktoré sa dostane do priehľadného vlákna obklopeného látkou s nižším indexom lomu, sa mnohonásobne odráža a šíri sa týmto vláknom (obr. 6).

Obr.6. Prechod svetla vo vnútri priehľadného vlákna obklopeného hmotou

s nižším indexom lomu.

Pre prenos vysokých svetelných tokov a zachovanie flexibility svetlovodného systému sú jednotlivé vlákna zostavené do zväzkov - svetlovody. Odvetvie optiky, ktoré sa zaoberá prenosom svetla a obrazov cez svetlovody, sa nazýva vláknová optika. Rovnaký termín sa vzťahuje na samotné časti a zariadenia z optických vlákien. V medicíne sa svetlovody používajú na osvetlenie vnútorných dutín studeným svetlom a prenos obrazu.

Praktická časť

Prístroje na stanovenie indexu lomu látok sa nazývajú refraktometre(obr. 7).

Obr.7. Optická schéma refraktometra.

1 - zrkadlo, 2 - meracia hlava, 3 - systém hranolov na elimináciu rozptylu, 4 - šošovka, 5 - rotačný hranol (otočenie lúča o 90 0), 6 - stupnica (u niektorých refraktometrov

existujú dve stupnice: stupnica indexov lomu a stupnica koncentrácie roztokov),

7 - okulár.

Hlavnou časťou refraktometra je meracia hlavica, pozostávajúca z dvoch hranolov: osvetľovacieho, ktorý je umiestnený v sklopnej časti hlavice a meracieho.

Na výstupe z osvetľovacieho hranola jeho matný povrch vytvára rozptýlený lúč svetla, ktorý prechádza cez testovaciu kvapalinu (2-3 kvapky) medzi hranolmi. Lúče dopadajú na povrch meracieho hranola pod rôznymi uhlami, vrátane uhla 90°. V meracom hranole sa lúče zhromažďujú v oblasti medzného uhla lomu, čo vysvetľuje vznik hranice svetla a tieňa na obrazovke zariadenia.

Obr.8. Dráha lúča v meracej hlave:

1 – osvetľovací hranol, 2 – skúmaná kvapalina,

3 - merací hranol, 4 - sito.

STANOVENIE PERCENTUÁLNEHO OBSAHU CUKRU V ROZTOKU

Prirodzené a polarizované svetlo. viditeľné svetlo- Toto elektromagnetické vlny s frekvenciou kmitov v rozsahu od 4∙10 14 do 7,5∙10 14 Hz. Elektromagnetické vlny sú priečne: vektory E a H síl elektrického a magnetického poľa sú navzájom kolmé a ležia v rovine kolmej na vektor rýchlosti šírenia vlny.

Vzhľadom na to, že chemické aj biologické účinky svetla sú spojené najmä s elektrickou zložkou elektromagnetickej vlny, vektor E intenzita tohto poľa je tzv svetelný vektor, a rovina kmitov tohto vektora je rovina kmitania svetelnej vlny.

V akomkoľvek zdroji svetla sú vlny emitované mnohými atómami a molekulami, svetelné vektory týchto vĺn sú umiestnené v rôznych rovinách a oscilácie sa vyskytujú v rôznych fázach. Následne rovina kmitov svetelného vektora výslednej vlny plynule mení svoju polohu v priestore (obr. 1). Toto svetlo sa nazýva prirodzené, alebo nepolarizované.

Ryža. 1. Schematické znázornenie lúča a prirodzeného svetla.

Ak zvolíme dve na seba kolmé roviny prechádzajúce lúčom prirodzeného svetla a premietneme na rovinu vektory E, potom budú tieto priemetne v priemere rovnaké. Preto je vhodné zobraziť lúč prirodzeného svetla ako priamku, na ktorej je rovnaký počet oboch projekcií vo forme pomlčiek a bodiek:

Keď svetlo prechádza kryštálmi, je možné získať svetlo, ktorého rovina kmitov vlny zaujíma konštantnú polohu v priestore. Toto svetlo sa nazýva plochý- alebo lineárne polarizované. Vďaka usporiadanému usporiadaniu atómov a molekúl v priestorovej mriežke prenáša kryštál len svetelné vektorové kmity, ktoré sa vyskytujú v určitej rovine charakteristickej pre danú mriežku.

Rovinná polarizovaná svetelná vlna je vhodne znázornená takto:

Polarizácia svetla môže byť aj čiastočná. V tomto prípade amplitúda kmitov vektora svetla v ktorejkoľvek rovine výrazne prevyšuje amplitúdy kmitov v iných rovinách.

Čiastočne polarizované svetlo môže byť konvenčne znázornené nasledovne: atď. Pomer počtu čiarok a bodiek určuje stupeň polarizácie svetla.

Pri všetkých metódach premeny prirodzeného svetla na polarizované svetlo sú zložky s dobre definovanou orientáciou polarizačnej roviny úplne alebo čiastočne vybrané z prirodzeného svetla.

Spôsoby získania polarizovaného svetla: a) odraz a lom svetla na hranici dvoch dielektrík; b) prenos svetla cez opticky anizotropné jednoosové kryštály; c) prenos svetla médiami, ktorých optická anizotropia je umelo vytvorená pôsobením elektrického alebo magnetického poľa, ako aj v dôsledku deformácie. Tieto metódy sú založené na fenoméne anizotropia.

Anizotropia je závislosť množstva vlastností (mechanických, tepelných, elektrických, optických) od smeru. Voláme telesá, ktorých vlastnosti sú vo všetkých smeroch rovnaké izotropný.

Polarizácia sa pozoruje aj pri rozptyle svetla. Stupeň polarizácie je tým vyšší, čím menšia je veľkosť častíc, na ktorých dochádza k rozptylu.

Zariadenia určené na produkciu polarizovaného svetla sú tzv polarizátory.

Polarizácia svetla pri odraze a lomu na rozhraní dvoch dielektrík. Keď sa prirodzené svetlo odráža a láme na rozhraní medzi dvoma izotropnými dielektrikami, dochádza k jeho lineárnej polarizácii. Pri ľubovoľnom uhle dopadu je polarizácia odrazeného svetla čiastočná. V odrazenom lúči prevládajú kmity kolmé na rovinu dopadu, zatiaľ čo v lámanom lúči prevládajú kmity s ním rovnobežné (obr. 2).

Ryža. 2. Čiastočná polarizácia prirodzeného svetla pri odraze a lomu

Ak uhol dopadu spĺňa podmienku tg i B = n 21, tak odrazené svetlo je úplne polarizované (Brewsterov zákon), a lomený lúč je polarizovaný nie úplne, ale maximálne (obr. 3). V tomto prípade sú odrazené a lomené lúče navzájom kolmé.

je relatívny index lomu týchto dvoch médií, iB je Brewsterov uhol.

Ryža. 3. Celková polarizácia odrazeného lúča počas odrazu a lomu

na rozhraní dvoch izotropných dielektrík.

Dvojitá refrakcia. Existuje množstvo kryštálov (kalcit, kremeň atď.), v ktorých sa lúč svetla láme a rozdeľuje na dva lúče s rôznymi vlastnosťami. Kalcit (islandský spar) je kryštál so šesťhrannou mriežkou. Os symetrie šesťuholníkového hranolu, ktorý tvorí jeho bunku, sa nazýva optická os. Optická os nie je čiara, ale smer v kryštáli. Akákoľvek priamka rovnobežná s týmto smerom je tiež optickou osou.

Ak je doska vyrezaná z kryštálu kalcitu tak, že jej strany sú kolmé na optickú os a lúč svetla smeruje pozdĺž optickej osi, nenastanú v nej žiadne zmeny. Ak lúč nasmerujeme pod uhlom k optickej osi, potom sa rozdelí na dva lúče (obr. 4), z ktorých jeden sa nazýva obyčajný, druhý - mimoriadny.

Ryža. 4. Dvojlom pri prechode svetla cez dosku kalcitu.

MN je optická os.

Bežný lúč leží v rovine dopadu a má obvyklý index lomu pre danú látku. Mimoriadny lúč leží v rovine prechádzajúcej dopadajúcim lúčom a optickou osou kryštálu, nakreslenou v bode dopadu lúča. Táto rovina sa nazýva hlavná rovina kryštálu. Indexy lomu pre bežné a mimoriadne lúče sú rôzne.

Bežné aj mimoriadne lúče sú polarizované. Rovina kmitania obyčajných lúčov je kolmá na hlavnú rovinu. Oscilácie mimoriadnych lúčov sa vyskytujú v hlavnej rovine kryštálu.

Fenomén dvojlomu je spôsobený anizotropiou kryštálov. Pozdĺž optickej osi je rýchlosť svetelnej vlny pre bežné a mimoriadne lúče rovnaká. V iných smeroch je rýchlosť mimoriadnej vlny v kalcite väčšia ako rýchlosť obyčajnej vlny. Najväčší rozdiel medzi rýchlosťami oboch vĺn nastáva v smere kolmom na optickú os.

Podľa Huygensovho princípu s dvojlomom v každom bode na povrchu vlny dosahujúcej hranicu kryštálu súčasne vznikajú dve elementárne vlny (nie jedna ako v bežných médiách), ktoré sa šíria v kryštáli.

Rýchlosť šírenia jednej vlny všetkými smermi je rovnaká, t.j. vlna má guľový tvar a je tzv obyčajný. Rýchlosť šírenia ďalšej vlny v smere optickej osi kryštálu je rovnaká ako rýchlosť obyčajnej vlny a v smere kolmom na optickú os sa od nej líši. Vlna má elipsoidný tvar a je tzv mimoriadny(obr. 5).

Ryža. 5. Šírenie obyčajnej (o) a mimoriadnej (e) vlny v kryštáli

s dvojitým lomom.

Hranol Mikuláš. Na získanie polarizovaného svetla sa používa polarizačný hranol Nicol. Z kalcitu sa vyreže hranol určitého tvaru a veľkosti, potom sa napíli pozdĺž diagonálnej roviny a zlepí kanadským balzamom. Pri dopade svetelného lúča na hornú plochu pozdĺž osi hranola (obr. 6) dopadá mimoriadny lúč na rovinu lepenia pod menším uhlom a prechádza ňou takmer bez zmeny smeru. Bežný lúč dopadá pod uhlom väčším ako je uhol totálneho odrazu pre kanadský balzam, odráža sa od lepiacej roviny a absorbuje začiernená plocha hranola. Nicolov hranol vytvára plne polarizované svetlo, ktorého rovina oscilácie leží v hlavnej rovine hranola.

Ryža. 6. Mikulášsky hranol. Schéma prechodu obyčajného

a mimoriadne lúče.

Dichroizmus. Existujú kryštály, ktoré pohlcujú bežné a mimoriadne lúče rôznymi spôsobmi. Ak je teda prirodzený svetelný lúč nasmerovaný na turmalínový kryštál kolmo na smer optickej osi, potom pri hrúbke dosky len niekoľko milimetrov bude obyčajný lúč úplne absorbovaný a z neho bude vychádzať iba výnimočný lúč. kryštál (obr. 7).

Ryža. 7. Prechod svetla cez turmalínový kryštál.

Odlišný charakter absorpcie obyčajných a mimoriadnych lúčov je tzv anizotropia absorpcie, alebo dichroizmus. Turmalínové kryštály teda možno použiť aj ako polarizátory.

Polaroidy. V súčasnosti sú polarizátory široko používané. polaroidy. Na výrobu polaroidu sa medzi dve dosky zo skla alebo plexiskla nalepí priehľadná fólia, ktorá obsahuje kryštály dichroickej látky polarizujúcej svetlo (napríklad jodochinón sulfát). Počas procesu výroby fólie sú kryštály orientované tak, že ich optické osi sú rovnobežné. Celý systém je upevnený v ráme.

Nízka cena polaroidov a možnosť výroby platní s veľkou plochou zabezpečili ich široké uplatnenie v praxi.

Analýza polarizovaného svetla. Na štúdium povahy a stupňa polarizácie svetla slúžia prístroje tzv analyzátory. Ako analyzátory sa používajú rovnaké zariadenia, ktoré slúžia na získanie lineárne polarizovaného svetla - polarizátory, avšak prispôsobené na rotáciu okolo pozdĺžnej osi. Analyzátorom prechádza iba vibrácie, ktoré sa zhodujú s jeho hlavnou rovinou. V opačnom prípade cez analyzátor prechádza iba oscilačná zložka, ktorá sa zhoduje s touto rovinou.

Ak je svetelná vlna vstupujúca do analyzátora lineárne polarizovaná, potom intenzita vlny opúšťajúcej analyzátor vyhovuje Malusov zákon:

,

kde I 0 je intenzita prichádzajúceho svetla, φ je uhol medzi rovinami prichádzajúceho svetla a svetla prenášaného analyzátorom.

Priechod svetla systémom polarizátor-analyzátor je schematicky znázornený na obr. osem.

Ryža. Obr. 8. Schéma prechodu svetla systémom polarizátor-analyzátor (P - polarizátor,

A - analyzátor, E - obrazovka):

a) hlavné roviny polarizátora a analyzátora sa zhodujú;

b) hlavné roviny polarizátora a analyzátora sú umiestnené pod určitým uhlom;

c) hlavné roviny polarizátora a analyzátora sú navzájom kolmé.

Ak sa hlavné roviny polarizátora a analyzátora zhodujú, potom svetlo úplne prechádza analyzátorom a osvetľuje obrazovku (obr. 7a). Ak sú umiestnené pod určitým uhlom, svetlo prechádza analyzátorom, ale je tlmené (obr. 7b) tým viac, čím je tento uhol bližšie k 90 0 . Ak sú tieto roviny navzájom kolmé, potom svetlo analyzátorom úplne zhasne (obr. 7c)

Rotácia roviny kmitania polarizovaného svetla. polarimetria. Niektoré kryštály, ako aj roztoky organických látok, majú tú vlastnosť, že otáčajú rovinu kmitov polarizovaného svetla, ktoré nimi prechádza. Tieto látky sú tzv opticky a aktívny. Patria sem cukry, kyseliny, alkaloidy atď.

Pre väčšinu opticky aktívnych látok bola zistená existencia dvoch modifikácií, ktoré otáčajú rovinu polarizácie v smere hodinových ručičiek a proti smeru hodinových ručičiek (pre pozorovateľa pozerajúceho sa smerom k lúču). Prvá modifikácia je tzv pravotočivý, alebo pozitívne druhý - ľavotočivý, alebo negatívne.

Prirodzená optická aktivita látky v nekryštalickom stave je spôsobená asymetriou molekúl. V kryštalických látkach môže byť optická aktivita spôsobená aj zvláštnosťami usporiadania molekúl v mriežke.

V pevných látkach je uhol φ natočenia roviny polarizácie priamo úmerný dĺžke d dráhy svetelného lúča v tele:

kde je α rotačná schopnosť (špecifická rotácia), v závislosti od typu látky, teploty a vlnovej dĺžky. Pre modifikácie ľavého a pravého otáčania sú rotačné schopnosti rovnaké.

Pre roztoky uhol natočenia polarizačnej roviny

,

kde α je špecifická rotácia, c je koncentrácia opticky aktívnej látky v roztoku. Hodnota α závisí od povahy opticky aktívnej látky a rozpúšťadla, teploty a vlnovej dĺžky svetla. Špecifická rotácia- ide o 100-násobne zväčšený uhol natočenia pre roztok s hrúbkou 1 dm pri látkovej koncentrácii 1 gram na 100 cm 3 roztoku pri teplote 20 0 C a pri vlnovej dĺžke svetla λ=589 nm. Veľmi citlivá metóda na určenie koncentrácie c, založená na tomto pomere, sa nazýva polarimetria (sacharometria).

Závislosť rotácie polarizačnej roviny od vlnovej dĺžky svetla je tzv rotačná disperzia. V prvom priblížení existuje Bio zákon:

kde A je koeficient závislý od povahy látky a teploty.

V klinickom prostredí je metóda polarimetria používa sa na stanovenie koncentrácie cukru v moči. Zariadenie na to slúžiace je tzv sacharimeter(obr. 9).

Ryža. 9. Optické usporiadanie sacharimetra:

A - zdroj prirodzeného svetla;

C - svetelný filter (monochromátor), ktorý zabezpečuje koordináciu činnosti zariadenia

s Biotovým zákonom;

L je zbiehavá šošovka, ktorá dáva na výstupe paralelný lúč svetla;

P - polarizátor;

K – skúmavka s testovacím roztokom;

A - analyzátor namontovaný na otočnom disku D s delením.

Pri vykonávaní štúdie sa analyzátor najskôr nastaví na maximálne stmavenie zorného poľa bez testovacieho roztoku. Potom sa do zariadenia vloží skúmavka s roztokom a otáčaním analyzátora sa zorné pole opäť stmaví. Menší z dvoch uhlov, o ktoré sa musí analyzátor otáčať, je uhol natočenia analytu. Uhol sa používa na výpočet koncentrácie cukru v roztoku.

Na zjednodušenie výpočtov je trubica s roztokom vyrobená tak dlho, aby sa uhol natočenia analyzátora (v stupňoch) numericky rovnal koncentrácii s roztoku (v gramoch na 100 cm3). Dĺžka trubice na glukózu je 19 cm.

polarizačná mikroskopia. Metóda je založená na anizotropia niektoré zložky buniek a tkanív, ktoré sa objavia pri pozorovaní v polarizovanom svetle. Štruktúry pozostávajúce z molekúl usporiadaných paralelne alebo diskov usporiadaných vo forme zväzku, keď sa zavedú do média s indexom lomu, ktorý sa líši od indexu lomu častíc štruktúry, vykazujú schopnosť dvojitý lom. To znamená, že štruktúra bude prepúšťať polarizované svetlo len vtedy, ak je rovina polarizácie rovnobežná s dlhými osami častíc. Toto platí aj vtedy, keď častice nemajú vlastný dvojlom. Optické anizotropia pozorované vo svaloch, spojivovom tkanive (kolagéne) a nervových vláknach.

Samotný názov kostrového svalstva pruhované" v dôsledku rozdielu v optických vlastnostiach jednotlivých úsekov svalového vlákna. Pozostáva zo striedania tmavších a svetlejších oblastí tkanivovej hmoty. To dáva vláknu priečne pruhovanie. Štúdium svalového vlákna v polarizovanom svetle ukazuje, že tmavšie oblasti sú anizotropný a majú vlastnosti dvojlom, zatiaľ čo tmavšie oblasti sú izotropný. Kolagén vlákna sú anizotropné, ich optická os je umiestnená pozdĺž osi vlákna. Micely v buničine neurofibrily sú tiež anizotropné, ale ich optické osi sú umiestnené v radiálnych smeroch. Na histologické vyšetrenie týchto štruktúr sa používa polarizačný mikroskop.

Najdôležitejšou súčasťou polarizačného mikroskopu je polarizátor, ktorý sa nachádza medzi zdrojom svetla a kondenzátorom. Okrem toho má mikroskop otočný stolík alebo držiak vzorky, analyzátor umiestnený medzi objektívom a okulárom, ktorý je možné nainštalovať tak, že jeho os je kolmá na os polarizátora, a kompenzátor.

Pri prekrížení polarizátora a analyzátora a chýbajúceho predmetu resp izotropný pole sa javí rovnomerne tmavé. Ak existuje objekt s dvojlomom a je umiestnený tak, že jeho os zviera s rovinou polarizácie uhol, odlišný od 0 0 alebo od 90 0 , rozdelí polarizované svetlo na dve zložky - rovnobežnú a kolmú na rovina analyzátora. V dôsledku toho časť svetla prejde cez analyzátor, čo vedie k jasnému obrazu objektu na tmavom pozadí. Keď sa objekt otáča, jas jeho obrazu sa zmení a dosiahne maximum pod uhlom 45° vzhľadom na polarizátor alebo analyzátor.

Polarizačná mikroskopia sa používa na štúdium orientácie molekúl v biologických štruktúrach (napr. svalové bunky), ako aj pri pozorovaní štruktúr neviditeľných inými metódami (napr. mitotické vretienko pri delení buniek), identifikáciu špirálovej štruktúry.

Polarizované svetlo sa používa v modelových podmienkach na posúdenie mechanického namáhania, ktoré sa vyskytuje v kostných tkanivách. Táto metóda je založená na fenoméne fotoelasticity, ktorý spočíva vo výskyte optickej anizotropie v pôvodne izotropných tuhých látkach pri pôsobení mechanického zaťaženia.

STANOVENIE DĹŽKY VLNY SVETLA POMOCOU DIFRAKČNEJ MRIEŽKY

Rušenie svetla. Svetelná interferencia je jav, ku ktorému dochádza pri superponovaní svetelných vĺn a je sprevádzaný ich zosilnením alebo zoslabením. Pri superponovaní koherentných vĺn vzniká stabilný interferenčný vzor. Koherentné vlny sa nazývajú vlny s rovnakými frekvenciami a rovnakými fázami alebo s konštantným fázovým posunom. Zosilnenie svetelných vĺn počas interferencie (maximálny stav) nastane, ak sa Δ zmestí do párneho počtu polovičných vlnových dĺžok:

kde k – maximálne poradie, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ je dĺžka svetelnej vlny.

Oslabenie svetelných vĺn počas interferencie (minimálny stav) sa pozoruje, ak sa do rozdielu optickej dráhy Δ zmestí nepárny počet polovičných vlnových dĺžok:

kde k je rádovo minimum.

Rozdiel optickej dráhy dvoch lúčov je rozdiel vo vzdialenostiach od zdrojov k bodu pozorovania interferenčného obrazca.

Interferencia v tenkých vrstvách. Interferenciu v tenkých filmoch možno pozorovať v mydlových bublinách, v škvrne petroleja na povrchu vody pri osvetlení slnečným žiarením.

Lúč 1 necháme dopadať na povrch tenkej fólie (pozri obr. 2). Lúč, lámaný na rozhraní vzduch-film, prechádza filmom, odráža sa od jeho vnútorného povrchu, približuje sa k vonkajšiemu povrchu filmu, láme sa na rozhraní film-vzduch a lúč vychádza. Lúč 2 nasmerujeme na výstupný bod lúča, ktorý prechádza rovnobežne s lúčom 1. Lúč 2 sa odráža od povrchu fólie , superponuje sa na lúč a oba lúče interferujú.

Pri osvetlení filmu polychromatickým svetlom dostaneme dúhový obraz. Je to spôsobené tým, že fólia nemá rovnomernú hrúbku. V dôsledku toho vznikajú rozdiely v dráhe rôznej veľkosti, ktoré zodpovedajú rôznym vlnovým dĺžkam (farebné mydlové filmy, dúhové farby krídel niektorých druhov hmyzu a vtákov, olejové alebo olejové filmy na hladine vody atď.).

Rušenie svetla sa využíva v prístrojoch – interferometroch. Interferometre sú optické zariadenia, ktoré možno použiť na priestorové oddelenie dvoch lúčov a vytvorenie určitého rozdielu dráhy medzi nimi. Interferometre sa používajú na stanovenie vlnovej dĺžky s vysokou presnosťou malých vzdialeností, indexov lomu látok a určenie kvality optických povrchov.

Na sanitárne a hygienické účely sa interferometer používa na stanovenie obsahu škodlivých plynov.

Kombinácia interferometra a mikroskopu (interferenčný mikroskop) sa používa v biológii na meranie indexu lomu, koncentrácie sušiny a hrúbky priehľadných mikroobjektov.

Huygensov-Fresnelov princíp. Podľa Huygensa je zdrojom sekundárnych vĺn každý bod média, do ktorého sa v danom momente dostane primárna vlna. Fresnel spresnil túto Huygensovu polohu tým, že dodal, že sekundárne vlny sú koherentné, t.j. keď sa prekryjú, poskytnú stabilný interferenčný vzor.

Difrakcia svetla. Difrakcia svetla je fenomén odchýlky svetla od priamočiareho šírenia.

Difrakcia v paralelných lúčoch z jednej štrbiny. Nechajte na cieľ široký v dopadá paralelný lúč monochromatického svetla (pozri obr. 3):

V dráhe lúčov je inštalovaná šošovka L , v ktorej ohniskovej rovine je umiestnená obrazovka E . Väčšina lúčov sa nedifraktuje; nemenia ich smer a sú zaostrené šošovkou L v strede obrazovky, tvoriac centrálne maximum alebo maximum nultého rádu. Lúče difraktujúce pri rovnakých difrakčných uhloch φ , vytvorí maximum na obrazovke 1,2,3,…, n - príkazy.

Difrakčný obrazec získaný z jednej štrbiny v paralelných lúčoch pri osvetlení monochromatickým svetlom je teda jasný pruh s maximálnym osvetlením v strede obrazovky, potom príde tmavý pruh (minimálne 1. rádu), potom príde jasný pruh ( maximálne 1. rádu), tmavý pás (minimálne 2. rádu), maximálne 2. rádu atď. Difrakčný obrazec je symetrický vzhľadom na centrálne maximum. Pri osvetlení štrbiny bielym svetlom sa na obrazovke vytvorí systém farebných pásov, len stredové maximum si zachová farbu dopadajúceho svetla.

Podmienky max a min difrakcia. Ak je v optickej dráhe rozdiel Δ vložte nepárny počet segmentov rovný , potom dôjde k zvýšeniu intenzity svetla ( max difrakcia):

kde k je poradie maxima; k =±1,±2,±...,± n;

λ je vlnová dĺžka.

Ak je v optickej dráhe rozdiel Δ vložte párny počet segmentov rovný , potom dôjde k oslabeniu intenzity svetla ( min difrakcia):

kde k je rádovo minimum.

Difrakčná mriežka. Difrakčná mriežka pozostáva zo striedajúcich sa pásikov, ktoré sú nepriepustné pre priechod svetla s pásikmi (štrbinami) priehľadnými pre svetlo rovnakej šírky.

Hlavnou charakteristikou difrakčnej mriežky je jej perióda d . perióda difrakčnej mriežky je celková šírka priehľadných a nepriehľadných pásov:

Difrakčná mriežka sa používa v optických prístrojoch na zvýšenie rozlíšenia prístroja. Rozlíšenie difrakčnej mriežky závisí od poradia spektra k a na počte zdvihov N :

kde R - rozhodnutie.

Odvodenie vzorca difrakčnej mriežky. Nasmerujme dva rovnobežné lúče na difrakčnú mriežku: 1 a 2 tak, aby vzdialenosť medzi nimi bola rovná perióde mriežky d .

V bodoch ALE a AT lúče 1 a 2 sa difraktujú, odchyľujú sa pod uhlom od priamočiareho smeru φ je difrakčný uhol.

Lúče a zaostrené objektívom L na clonu umiestnenú v ohniskovej rovine šošovky (obr. 5). Každá štrbina mriežky môže byť považovaná za zdroj sekundárnych vĺn (Huygensov-Fresnelov princíp). Na obrazovke v bode D pozorujeme maximum interferenčného obrazca.

Z jedného bodu ALE na dráhe lúča pustite kolmicu a získajte bod C. uvažujme trojuholník ABC : správny trojuholník РВАС=Рφ ako uhly so vzájomne kolmými stranami. Od Δ ABC:

kde AB = d (podľa konštrukcie),

SW = ∆ je rozdiel v optickej dráhe.

Keďže v bode D pozorujeme maximálne rušenie, potom

kde k je rádovo maximum,

λ je dĺžka svetelnej vlny.

Vložte hodnoty AB=d, do vzorca pre sinφ :

Odtiaľto dostaneme:

Vo všeobecnosti má vzorec difrakčnej mriežky tvar:

Značky ± ukazujú, že interferenčný obrazec na obrazovke je symetrický vzhľadom na centrálne maximum.

Fyzikálne základy holografie. Holografia je metóda zaznamenávania a rekonštrukcie vlnového poľa, ktorá je založená na fenoméne vlnovej difrakcie a interferencie. Ak je na bežnej fotografii zafixovaná iba intenzita vĺn odrazených od objektu, potom sa na holograme dodatočne zaznamenajú fázy vĺn, čo poskytuje dodatočné informácie o objekte a umožňuje získať trojrozmerný obraz objekt.