Šírenie elektromagnetických vĺn v rôznych médiách sa riadi zákonmi odrazu a lomu. Z týchto zákonov za určitých podmienok vyplýva jeden zaujímavý efekt, ktorý sa vo fyzike nazýva úplný vnútorný odraz svetla. Pozrime sa bližšie na to, aký je tento efekt.

Odraz a lom

Predtým, ako pristúpime priamo k úvahe o vnútornom totálnom odraze svetla, je potrebné vysvetliť procesy odrazu a lomu.

Odrazom sa rozumie zmena smeru pohybu svetelného lúča v tom istom médiu, keď narazí na rozhranie. Napríklad, ak smerujete z laserového ukazovátka na zrkadlo, môžete pozorovať opísaný efekt.

Refrakcia je, podobne ako odraz, zmena smeru pohybu svetla, nie však v prvom, ale v druhom médiu. Výsledkom tohto javu bude skreslenie obrysov predmetov a ich priestorového usporiadania. Bežným príkladom lomu svetla je zlomenie ceruzky alebo pera, ak je vložený do pohára s vodou.

Lom a odraz spolu súvisia. Takmer vždy sú prítomné spolu: časť energie lúča sa odráža a druhá časť sa láme.

Oba javy sú výsledkom aplikácie Fermatovho princípu. Tvrdí, že svetlo sa pohybuje po trajektórii medzi dvoma bodmi, ktorá mu zaberie najmenej času.

Pretože odraz je efekt, ktorý sa vyskytuje v jednom médiu a lom sa vyskytuje v dvoch médiách, je dôležité, aby obe médiá boli transparentné pre elektromagnetické vlny.

Pojem index lomu

Index lomu je dôležitá veličina pre matematický popis uvažovaných javov. Index lomu konkrétneho média sa určuje takto:

Kde c a v sú rýchlosti svetla vo vákuu a v hmote. Hodnota v je vždy menšia ako c, takže exponent n bude väčší ako jedna. Bezrozmerný koeficient n ukazuje, koľko svetla v látke (médiu) bude zaostávať za svetlom vo vákuu. Rozdiel medzi týmito rýchlosťami vedie k objaveniu sa javu lomu.

Rýchlosť svetla v hmote koreluje s hustotou hmoty. Čím je médium hustejšie, tým ťažšie sa v ňom pohybuje svetlo. Napríklad pre vzduch n = 1,00029, teda takmer ako pre vákuum, pre vodu n = 1,333.

Odrazy, lom a ich zákony

Pozoruhodným príkladom výsledku úplného odrazu sú lesklé povrchy diamantu. Index lomu diamantu je 2,43, takže mnohé svetelné lúče dopadajúce na drahokam zažijú niekoľko totálnych odrazov, kým ho opustia.

Problém určenia kritického uhla θc pre diamant

Zoberme si jednoduchý problém, kde si ukážeme, ako použiť vyššie uvedené vzorce. Je potrebné vypočítať, ako veľmi sa zmení kritický uhol úplného odrazu, ak sa diamant umiestni zo vzduchu do vody.

Po pohľade na hodnoty indexov lomu uvedených médií v tabuľke ich vypíšeme:

• pre vzduch: n1 = 1,00029;
• pre vodu: n2 = 1,333;
• pre diamant: n3 = 2,43.

Kritický uhol pre pár diamant-vzduch je:

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

Ako vidíte, kritický uhol pre túto dvojicu médií je dosť malý, to znamená, že len tie lúče môžu opustiť diamant do vzduchu, ktorý bude bližšie k normálu ako 24,31 o.

Pre prípad diamantu vo vode dostaneme:

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

Zvýšenie kritického uhla bolo:

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

Toto mierne zvýšenie kritického uhla pre úplný odraz svetla v diamante vedie k tomu, že sa vo vode leskne takmer rovnako ako vo vzduchu.

Ak n 1 >n 2, potom >α, t.j. ak svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého prostredia, potom je uhol lomu väčší ako uhol dopadu (obr. 3)

Limitný uhol dopadu. Ak α=α p,=90˚ a lúč bude kĺzať pozdĺž rozhrania vzduch-voda.

Ak α'>α p, tak svetlo neprejde do druhého priehľadného média, pretože sa plne prejaví. Tento jav sa nazýva plný odraz svetla. Uhol dopadu α ​​p, pri ktorom lomený lúč kĺže po rozhraní medzi médiami, sa nazýva medzný uhol úplného odrazu.

Úplný odraz je možné pozorovať v rovnoramennom pravouhlom sklenenom hranole (obr. 4), ktorý je široko používaný v periskopech, ďalekohľadoch, refraktometroch atď.

a) Svetlo dopadá kolmo na prvú plochu, a preto tu nepodlieha lomu (α=0 a =0). Uhol dopadu na druhú plochu α=45˚, t.j.>αp, (pre sklo αp =42˚). Preto sa na tejto tvári svetlo úplne odráža. Ide o rotačný hranol, ktorý otáča lúč o 90˚.

b) V tomto prípade svetlo vo vnútri hranola zažíva už dvojnásobný úplný odraz. Toto je tiež rotačný hranol, ktorý otáča lúč o 180˚.

c) V tomto prípade je hranol už obrátený. Keď lúče opustia hranol, sú rovnobežné s dopadajúcimi lúčmi, ale v tomto prípade sa horný dopadajúci lúč zníži a spodný sa stane horným.

Fenomén úplného odrazu našiel široké technické uplatnenie vo svetlovodoch.

Svetlovod je veľké množstvo tenkých sklenených vlákien, ktorých priemer je asi 20 mikrónov a každé je dlhé asi 1 m. Tieto závity sú navzájom rovnobežné a sú umiestnené blízko (obr. 5)

Každé vlákno je obklopené tenkou sklenenou škrupinou, ktorej index lomu je menší ako index lomu samotného vlákna. Svetlovod má dva konce, vzájomné usporiadanie koncov závitov na oboch koncoch svetlovodu je striktne rovnaké.

Ak je objekt umiestnený na jeden koniec svetlovodu a osvetlený, potom sa obraz tohto objektu objaví na druhom konci svetlovodu.

Obraz je získaný vďaka skutočnosti, že svetlo z nejakej malej oblasti objektu vstupuje na koniec každého vlákna. Svetlo, ktoré zažije veľa úplných odrazov, vychádza z opačného konca vlákna a prenáša odraz danej malej oblasti objektu.

Pretože umiestnenie vlákien voči sebe je striktne rovnaké, potom sa na druhom konci objaví zodpovedajúci obrázok objektu. Jasnosť obrazu závisí od priemeru závitov. Čím menší je priemer každého vlákna, tým jasnejší bude obraz objektu. Strata svetelnej energie pozdĺž dráhy svetelného lúča je vo zväzkoch (svetlovodoch) zvyčajne relatívne malá, keďže pri úplnom odraze je koeficient odrazu relatívne vysoký (~0,9999). Strata energie sú spôsobené najmä absorpciou svetla látkou vo vnútri vlákna.

Napríklad vo viditeľnej časti spektra vo vlákne dlhom 1 m sa stratí 30-70% energie (ale vo zväzku).

Preto, aby sa preniesli veľké svetelné toky a zachovala sa pružnosť svetlovodného systému, jednotlivé vlákna sa skladajú do zväzkov (zväzkov) - svetlovody.

Svetlovody sú široko používané v medicíne na osvetľovanie vnútorných dutín studeným svetlom a prenášanie obrazov. endoskop- špeciálny prístroj na vyšetrenie vnútorných dutín (žalúdka, konečníka a pod.). Pomocou svetlovodov sa prenáša laserové žiarenie na terapeutický účinok na nádory. Áno, a ľudská sietnica je vysoko organizovaný optický systém pozostávajúci z ~ 130x108 vlákien.

Geometrická a vlnová optika. Podmienky pre uplatnenie týchto prístupov (z pomeru vlnovej dĺžky a veľkosti objektu). Koherencia vĺn. Pojem priestorovej a časovej koherencie. nútená emisia. Vlastnosti laserového žiarenia. Štruktúra a princíp činnosti lasera.

Vzhľadom na to, že svetlo je vlnový jav, dochádza k interferencii, v dôsledku čoho obmedzené lúč svetla sa nešíri jedným smerom, ale má konečné uhlové rozloženie, t.j. dochádza k difrakcii. Avšak v tých prípadoch, kde sú charakteristické priečne rozmery svetelných lúčov dostatočne veľké v porovnaní s vlnovou dĺžkou, možno zanedbať divergenciu svetelného lúča a predpokladať, že sa šíri v jednom smere: pozdĺž svetelného lúča.

Vlnová optika je odvetvie optiky, ktoré popisuje šírenie svetla s prihliadnutím na jeho vlnovú povahu. Fenomény vlnovej optiky - interferencia, difrakcia, polarizácia a pod.

Vlnová interferencia - vzájomné zosilnenie alebo zoslabenie amplitúdy dvoch alebo viacerých koherentných vĺn súčasne sa šíriacich v priestore.

Difrakcia vĺn je jav, ktorý sa pri šírení vĺn prejavuje ako odchýlka od zákonov geometrickej optiky.

Polarizácia - procesy a stavy spojené s oddelením akýchkoľvek objektov, hlavne vo vesmíre.

Vo fyzike je koherencia korelácia (konzistencia) viacerých oscilačných alebo vlnových procesov v čase, ktorá sa prejaví pri ich sčítaní. Kmity sú koherentné, ak je rozdiel medzi ich fázami v čase konštantný a keď sa oscilácie sčítajú, získa sa oscilácia rovnakej frekvencie.

Ak sa fázový rozdiel dvoch kmitov mení veľmi pomaly, potom sa hovorí, že oscilácie zostanú nejaký čas koherentné. Tento čas sa nazýva koherentný čas.

Priestorová koherencia - koherencia kmitov, ktoré sa vyskytujú súčasne v rôznych bodoch v rovine kolmej na smer šírenia vlny.

Stimulovaná emisia - generovanie nového fotónu pri prechode kvantového systému (atóm, molekula, jadro atď.) z excitovaného stavu do stabilného stavu (nižšia energetická hladina) vplyvom indukujúceho fotónu, energie tzv. čo sa rovnalo rozdielu energetických hladín. Vytvorený fotón má rovnakú energiu, hybnosť, fázu a polarizáciu ako indukujúci fotón (ktorý nie je absorbovaný).

Laserové žiarenie môže byť kontinuálne, s konštantným výkonom, alebo pulzné, dosahujúce extrémne vysoké špičkové výkony. V niektorých schémach sa pracovný prvok lasera používa ako optický zosilňovač pre žiarenie z iného zdroja.

Fyzikálnym základom pre činnosť lasera je fenomén stimulovaného (indukovaného) žiarenia. Podstatou tohto javu je, že excitovaný atóm je schopný emitovať fotón pod vplyvom iného fotónu bez jeho absorpcie, ak sa energia tohto fotónu rovná rozdielu energií hladín atómu pred a po emisie. V tomto prípade je emitovaný fotón koherentný s fotónom, ktorý spôsobil žiarenie (je to jeho „presná kópia“). Takto sa zosilňuje svetlo. Tento jav sa líši od spontánnej emisie, pri ktorej majú emitované fotóny náhodné smery šírenia, polarizácie a fázy.

Všetky lasery sa skladajú z troch hlavných častí:

aktívne (pracovné) prostredie;

čerpacie systémy (zdroj energie);

optický rezonátor (môže chýbať, ak laser pracuje v režime zosilňovača).

Každý z nich zabezpečuje fungovanie lasera na vykonávanie jeho špecifických funkcií.

Geometrická optika. Fenomén totálnej vnútornej reflexie. Limitný uhol úplného odrazu. Priebeh lúčov. vláknová optika.

Geometrická optika je odbor optiky, ktorý študuje zákony šírenia svetla v priehľadných médiách a princípy konštrukcie obrazov pri prechode svetla v optických systémoch bez zohľadnenia jeho vlnových vlastností.

Úplný vnútorný odraz je vnútorný odraz za predpokladu, že uhol dopadu presahuje určitý kritický uhol. V tomto prípade sa dopadajúca vlna úplne odráža a hodnota koeficientu odrazu presahuje svoje najvyššie hodnoty pre leštené povrchy. Koeficient odrazu pre úplný vnútorný odraz nezávisí od vlnovej dĺžky.

Limitný uhol celkového vnútorného odrazu

Uhol dopadu, pri ktorom lomený lúč začne kĺzať pozdĺž rozhrania medzi dvoma médiami bez prechodu na opticky hustejšie médium

Cesta lúčov v zrkadlách, hranoloch a šošovkách

Svetelné lúče z bodového zdroja sa šíria všetkými smermi. V optických systémoch, ktoré sa ohýbajú a odrážajú od rozhrania medzi médiami, sa môžu niektoré lúče v určitom bode opäť pretínať. Bod sa nazýva bodový obraz. Pri odraze lúča od zrkadiel je splnený zákon: „odrazený lúč leží vždy v tej istej rovine ako dopadajúci lúč a kolmica na odrazovú plochu, ktorá prechádza bodom dopadu, a uhol dopadu sa odpočíta od táto normála sa rovná uhlu odrazu."

Vláknová optika – tento pojem znamená

odbor optiky, ktorý študuje fyzikálne javy vyskytujúce sa a vyskytujúce sa v optických vláknach, príp

produkty presného strojárskeho priemyslu, ktoré zahŕňajú komponenty na báze optických vlákien.

Medzi zariadenia s optickými vláknami patria lasery, zosilňovače, multiplexory, demultiplexory a množstvo ďalších. Medzi optické komponenty patria izolátory, zrkadlá, konektory, rozbočovače atď. Základom zariadenia s optickými vláknami je jeho optický obvod - súbor optických komponentov spojených v určitom poradí. Optické obvody môžu byť uzavreté alebo otvorené, so spätnou väzbou alebo bez nej.

Najprv si poďme trochu zafantazírovať. Predstavte si horúci letný deň pred naším letopočtom, primitívny človek loví ryby oštepom. Všíma si jej polohu, mieri a udrie z nejakého dôvodu vôbec nie tam, kde bolo vidieť rybu. Zmeškaný? Nie, rybár má korisť vo svojich rukách! Ide o to, že náš predok intuitívne pochopil tému, ktorú budeme teraz študovať. V každodennom živote vidíme, že lyžica ponorená do pohára s vodou sa javí ako krivá, keď sa pozeráme cez sklenenú nádobu, predmety sa zdajú byť krivé. Všetky tieto otázky zvážime v lekcii, ktorej témou je: „Lom svetla. Zákon lomu svetla. Totálny vnútorný odraz.

V predchádzajúcich lekciách sme hovorili o osude lúča v dvoch prípadoch: čo sa stane, ak sa lúč svetla šíri v priehľadnom homogénnom prostredí? Správna odpoveď je, že sa bude šíriť v priamke. A čo sa stane, keď lúč svetla dopadne na rozhranie medzi dvoma médiami? V minulej lekcii sme hovorili o odrazenom lúči, dnes budeme uvažovať o tej časti svetelného lúča, ktorá je absorbovaná médiom.

Aký bude osud lúča, ktorý prenikol z prvého opticky priehľadného média do druhého opticky priehľadného média?

Ryža. 1. Lom svetla

Ak lúč dopadne na rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami, časť svetelnej energie sa vráti do prvého média, čím sa vytvorí odrazený lúč, a druhá časť prejde dovnútra do druhého média a spravidla zmení svoj smer.

Zmena smeru šírenia svetla v prípade jeho prechodu rozhraním medzi dvoma prostrediami sa nazýva lom svetla(obr. 1).

Ryža. 2. Uhly dopadu, lomu a odrazu

Na obrázku 2 vidíme dopadajúci lúč, uhol dopadu bude označený α. Lúč, ktorý určuje smer lomu svetla, sa bude nazývať lomený lúč. Uhol medzi kolmicou na rozhranie medzi médiami, obnovený z bodu dopadu, a lomeným lúčom sa nazýva uhol lomu, na obrázku je to uhol γ. Na dokončenie obrázku uvádzame aj obraz odrazeného lúča a podľa toho aj uhol odrazu β. Aký je vzťah medzi uhlom dopadu a uhlom lomu, je možné predpovedať, ak poznáme uhol dopadu a z akého prostredia lúč do ktorého prechádzal, aký bude uhol lomu? Ukazuje sa, že môžete!

Získame zákon, ktorý kvantitatívne popisuje vzťah medzi uhlom dopadu a uhlom lomu. Využime Huygensov princíp, ktorý reguluje šírenie vlny v médiu. Zákon sa skladá z dvoch častí.

Dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica obnovená k bodu dopadu ležia v rovnakej rovine.

Pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu je konštantná hodnota pre dve dané prostredia a rovná sa pomeru rýchlostí svetla v týchto prostrediach.

Tento zákon sa nazýva Snellov zákon podľa holandského vedca, ktorý ho ako prvý sformuloval. Dôvodom lomu je rozdiel v rýchlostiach svetla v rôznych médiách. Platnosť zákona lomu môžete overiť experimentálnym nasmerovaním lúča svetla pod rôznymi uhlami na rozhranie medzi dvoma médiami a meraním uhlov dopadu a lomu. Ak tieto uhly zmeníme, zmeriame sínusy a nájdeme pomery sínusov týchto uhlov, presvedčíme sa, že zákon lomu skutočne platí.

Dôkaz zákona lomu pomocou Huygensovho princípu je ďalším potvrdením vlnovej povahy svetla.

Relatívny index lomu n 21 ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť svetla V 1 v prvom prostredí líši od rýchlosti svetla V 2 v druhom prostredí.

Relatívny index lomu je jasnou demonštráciou skutočnosti, že dôvodom zmeny smeru svetla pri prechode z jedného prostredia do druhého je rozdielna rýchlosť svetla v dvoch prostrediach. Na charakterizáciu optických vlastností média sa často používa termín „optická hustota média“ (obr. 3).

Ryža. 3. Optická hustota média (α > γ)

Ak lúč prechádza z média s vyššou rýchlosťou svetla do média s nižšou rýchlosťou svetla, potom, ako je zrejmé z obrázku 3 a zákona lomu svetla, bude pritlačený proti kolmici, tj. , uhol lomu je menší ako uhol dopadu. V tomto prípade sa hovorí, že lúč prešiel z média s menšou hustotou do média s vyššou hustotou. Príklad: zo vzduchu do vody; z vody do skla.

Je možná aj opačná situácia: rýchlosť svetla v prvom médiu je menšia ako rýchlosť svetla v druhom médiu (obr. 4).

Ryža. 4. Optická hustota média (α< γ)

Potom bude uhol lomu väčší ako uhol dopadu a o takomto prechode sa hovorí, že sa uskutoční z opticky hustejšieho do opticky menej hustého média (zo skla do vody).

Optická hustota dvoch médií sa môže značne líšiť, takže situácia znázornená na fotografii (obr. 5) je možná:

Ryža. 5. Rozdiel medzi optickou hustotou médií

Dávajte pozor na to, ako je hlava posunutá vzhľadom na telo, ktoré je v kvapaline, v médiu s vyššou optickou hustotou.

Relatívny index lomu však nie je vždy vhodnou charakteristikou pre prácu, pretože závisí od rýchlosti svetla v prvom a druhom médiu, ale takýchto kombinácií a kombinácií dvoch médií (voda - vzduch, sklo) môže byť veľa. - diamant, glycerín - alkohol, sklo - voda atď.). Tabuľky by boli veľmi ťažkopádne, nepohodlne by sa s nimi pracovalo a potom sa zaviedlo jedno absolútne prostredie, v porovnaní s ktorým sa porovnáva rýchlosť svetla v iných prostrediach. Vákuum bolo zvolené ako absolútne a rýchlosti svetla sú porovnávané s rýchlosťou svetla vo vákuu.

Absolútny index lomu prostredia n- je to hodnota, ktorá charakterizuje optickú hustotu prostredia a rovná sa pomeru rýchlosti svetla S vo vákuu na rýchlosť svetla v danom prostredí.

Absolútny index lomu je pre prácu výhodnejší, pretože rýchlosť svetla vo vákuu vždy poznáme, rovná sa 3·10 8 m/s a je univerzálnou fyzikálnou konštantou.

Absolútny index lomu závisí od vonkajších parametrov: teploty, hustoty a tiež od vlnovej dĺžky svetla, takže tabuľky zvyčajne uvádzajú priemerný index lomu pre daný rozsah vlnových dĺžok. Ak porovnáme indexy lomu vzduchu, vody a skla (obr. 6), vidíme, že index lomu vzduchu sa blíži k jednote, preto ho pri riešení úloh budeme brať ako jednotku.

Ryža. 6. Tabuľka absolútnych indexov lomu pre rôzne médiá

Je ľahké získať vzťah medzi absolútnym a relatívnym indexom lomu médií.

Relatívny index lomu, to znamená pre lúč prechádzajúci z média jedna do média dva, sa rovná pomeru absolútneho indexu lomu v druhom médiu k absolútnemu indexu lomu v prvom médiu.

Napríklad: = ≈ 1,16

Ak sú absolútne indexy lomu oboch médií takmer rovnaké, znamená to, že relatívny index lomu počas prechodu z jedného prostredia do druhého sa bude rovnať jednej, to znamená, že svetelný lúč sa v skutočnosti nelomí. Napríklad pri prechode z anízového oleja na drahokam beryl prakticky neodchýli svetlo, to znamená, že sa bude správať ako pri prechode cez anízový olej, pretože ich index lomu je 1,56 a 1,57, takže drahokam môže byť ako sa schovať v tekutine, to jednoducho nebude vidieť.

Ak nalejete vodu do priehľadného pohára a pozriete sa cez stenu pohára do svetla, potom uvidíme striebristý lesk povrchu v dôsledku javu úplného vnútorného odrazu, o ktorom budeme teraz diskutovať. Keď svetelný lúč prechádza z hustejšieho optického prostredia do menej hustého optického prostredia, možno pozorovať zaujímavý efekt. Pre istotu budeme predpokladať, že svetlo prechádza z vody do vzduchu. Predpokladajme, že v hĺbke nádrže je bodový zdroj svetla S, ktorý vyžaruje lúče do všetkých strán. Napríklad potápač svieti baterkou.

Lúč SO 1 dopadá na hladinu vody v najmenšom uhle, tento lúč sa čiastočne láme - lúč O 1 A 1 a čiastočne sa odráža späť do vody - lúč O 1 B 1. Časť energie dopadajúceho lúča sa teda prenáša na lomený lúč a zvyšná časť energie sa prenáša na odrazený lúč.

Ryža. 7. Celková vnútorná reflexia

Lúč SO 2, ktorého uhol dopadu je väčší, je tiež rozdelený na dva lúče: lomený a odrazený, ale energia pôvodného lúča je medzi nimi rozdelená inak: lomený lúč O 2 A 2 bude slabší ako lúč O 1 A 1, to znamená, že dostane menší zlomok energie a odrazený lúč O 2 V 2 bude jasnejší ako lúč O 1 V 1, to znamená, že dostane väčší podiel energie. S rastúcim uhlom dopadu sa sleduje rovnaká pravidelnosť – čoraz menší podiel energie dopadajúceho lúča ide do odrazeného lúča a stále menší podiel na lomený lúč. Lomený lúč sa stmieva a v určitom bode úplne zmizne, k tomuto vymiznutiu dochádza pri dosiahnutí uhla dopadu, ktorý zodpovedá uhlu lomu 90 0 . V tejto situácii by lomený lúč OA musel ísť rovnobežne s vodnou hladinou, ale nemá čo ísť - všetka energia dopadajúceho lúča SO išla celá do odrazeného lúča OB. Prirodzene, s ďalším zvýšením uhla dopadu bude lomený lúč chýbať. Opísaný jav je totálny vnútorný odraz, to znamená, že hustejšie optické médium pri uvažovaných uhloch nevyžaruje lúče zo seba, všetky sa v ňom odrážajú. Uhol, pod ktorým sa tento jav vyskytuje, sa nazýva hraničný uhol celkového vnútorného odrazu.

Hodnota medzného uhla sa dá ľahko zistiť zo zákona lomu:

= => = arcsin, pre vodu ≈ 49 0

Najzaujímavejšou a najpopulárnejšou aplikáciou fenoménu úplného vnútorného odrazu sú takzvané vlnovody alebo vláknová optika. Presne takýto spôsob signalizácie využívajú moderné telekomunikačné spoločnosti na internete.

Dostali sme zákon lomu svetla, zaviedli nový pojem - relatívne a absolútne indexy lomu a tiež sme prišli na fenomén úplného vnútorného odrazu a jeho aplikácie, ako je vláknová optika. Znalosti si môžete upevniť preskúmaním príslušných testov a simulátorov v sekcii lekcií.

Urobme dôkaz zákona lomu svetla pomocou Huygensovho princípu. Je dôležité pochopiť, že príčinou lomu je rozdiel v rýchlostiach svetla v dvoch rôznych médiách. Označme rýchlosť svetla v prvom médiu V 1 a v druhom médiu - V 2 (obr. 8).

Ryža. 8. Dôkaz zákona lomu svetla

Nechajte rovinnú svetelnú vlnu dopadať na ploché rozhranie medzi dvoma médiami, napríklad zo vzduchu do vody. Vlnová plocha AC je kolmá na lúče a rozhranie medzi médiom MN najskôr dosiahne lúč a lúč dosiahne rovnaký povrch po časovom intervale ∆t, ktorý sa bude rovnať dráhe SW delenej rýchlosťou svetla. v prvom médiu.

Preto v momente, keď sa sekundárna vlna v bode B len začne excitovať, vlna z bodu A už má tvar pologule s polomerom AD, ktorý sa rovná rýchlosti svetla v druhom prostredí o ∆t: AD = ∆t, teda Huygensov princíp vo vizuálnom pôsobení. Vlnovú plochu lomenej vlny je možné získať nakreslením povrchovej dotyčnice ku všetkým sekundárnym vlnám v druhom prostredí, ktorých stredy ležia na rozhraní medzi prostrediami, v tomto prípade je to rovina BD, je to obálka sekundárne vlny. Uhol dopadu α ​​lúča sa rovná uhlu CAB v trojuholníku ABC, strany jedného z týchto uhlov sú kolmé na strany druhého. Preto sa SW bude rovnať rýchlosti svetla v prvom médiu o ∆t

CB = ∆t = AB sin α

Na druhej strane sa uhol lomu bude rovnať uhlu ABD v trojuholníku ABD, preto:

AD = ∆t = AB sin γ

Rozdelením výrazov podľa výrazov dostaneme:

n je konštantná hodnota, ktorá nezávisí od uhla dopadu.

Získali sme zákon lomu svetla, sínus uhla dopadu k sínusu uhla lomu je konštantná hodnota pre dané dve prostredia a rovná sa pomeru rýchlostí svetla v dvoch daných prostrediach.

Kubická nádoba s nepriehľadnými stenami je umiestnená tak, že oko pozorovateľa nevidí jej dno, ale úplne vidí stenu nádoby CD. Koľko vody treba naliať do nádoby, aby pozorovateľ videl predmet F, ktorý sa nachádza vo vzdialenosti b = 10 cm od rohu D? Okraj cievy α = 40 cm (obr. 9).

Čo je veľmi dôležité pri riešení tohto problému? Hádajte, že keďže oko nevidí dno nádoby, ale vidí krajný bod bočnej steny a nádoba je kocka, potom uhol dopadu lúča na hladinu vody, keď ju nalievame, bude sa rovná 45 0.

Ryža. 9. Úloha skúšky

Lúč dopadá do bodu F, čo znamená, že objekt jasne vidíme a čierna bodkovaná čiara ukazuje priebeh lúča, ak by tam nebola voda, teda do bodu D. Z trojuholníka NFC vychádza tangens uhla. β, dotyčnica uhla lomu, je pomer protiľahlého ramena k susednému alebo, na základe obrázku, h mínus b delené h.

tg β = =, h je výška kvapaliny, ktorú sme naliali;

Najintenzívnejší jav úplného vnútorného odrazu sa využíva v systémoch s optickými vláknami.

Ryža. 10. Vláknová optika

Ak je lúč svetla nasmerovaný na koniec pevnej sklenenej trubice, potom po viacnásobnom úplnom vnútornom odraze bude lúč vychádzať z opačnej strany trubice. Ukazuje sa, že sklenená trubica je vodičom svetelnej vlny alebo vlnovodu. Stane sa to bez ohľadu na to, či je trubica rovná alebo zakrivená (obrázok 10). Prvé svetlovody, to je druhý názov vlnovodov, sa používali na osvetlenie ťažko dostupných miest (počas lekárskeho výskumu, keď sa svetlo dodáva na jeden koniec svetlovodu a druhý koniec osvetľuje správne miesto) . Hlavnou aplikáciou je medicína, defektoskopia motorov, avšak najčastejšie sa takéto vlnovody používajú v systémoch prenosu informácií. Nosná frekvencia svetelnej vlny je miliónkrát väčšia ako frekvencia rádiového signálu, čo znamená, že množstvo informácií, ktoré dokážeme preniesť pomocou svetelnej vlny, je miliónkrát väčšie ako množstvo informácií prenášaných rádiovými vlnami. Je to skvelá príležitosť sprostredkovať obrovské množstvo informácií jednoduchým a lacným spôsobom. Informácie sa spravidla prenášajú cez optický kábel pomocou laserového žiarenia. Vláknová optika je nevyhnutná pre rýchly a kvalitný prenos počítačového signálu obsahujúceho veľké množstvo prenášaných informácií. A podstatou toho všetkého je taký jednoduchý a bežný jav, akým je lom svetla.

Bibliografia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základná úroveň) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. 10. ročník z fyziky. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika - 9, Moskva, Vzdelávanie, 1990.

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

Domáca úloha

1. Definujte lom svetla.
2. Pomenujte príčinu lomu svetla.
3. Vymenuj najpopulárnejšie aplikácie totálnej vnútornej reflexie.

Pri určitom uhle dopadu svetla $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, ktorý je tzv. limitný uhol, uhol lomu sa rovná $\frac(\pi )(2),\ $v tomto prípade sa lomený lúč kĺže po rozhraní medzi médiami, preto nedochádza k lomu lúča. Potom zo zákona lomu môžeme napísať, že:

Obrázok 1.

V prípade úplného odrazu platí rovnica:

nemá riešenie v oblasti skutočných hodnôt uhla lomu ($(\alpha )_(pr)$). V tomto prípade je $cos((\alpha )_(pr))$ čisto imaginárny. Ak sa obrátime na Fresnelove vzorce, je vhodné ich reprezentovať vo forme:

kde je uhol dopadu označený $\alpha $ (pre stručnosť), $n$ je index lomu prostredia, kde sa svetlo šíri.

Fresnelove vzorce ukazujú, že moduly $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ vľavo |E_(otr//)\right|$ čo znamená, že odraz je "plný".

Poznámka 1

Treba poznamenať, že nehomogénna vlna v druhom médiu nezmizne. Ak teda $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ žiadny prípad. Keďže Fresnelove vzorce platia pre monochromatické pole, teda pre ustálený proces. V tomto prípade zákon zachovania energie vyžaduje, aby sa priemerná zmena energie za obdobie v druhom médiu rovnala nule. Vlna a zodpovedajúca časť energie prenikajú cez rozhranie do druhého prostredia do malej hĺbky rádu vlnovej dĺžky a pohybujú sa v ňom rovnobežne s rozhraním s fázovou rýchlosťou, ktorá je menšia ako fázová rýchlosť vlny v druhé médium. Vráti sa do prvého prostredia v bode, ktorý je odsadený od vstupného bodu.

V experimente možno pozorovať prienik vlny do druhého prostredia. Intenzita svetelnej vlny v druhom prostredí je badateľná len vo vzdialenostiach menších ako je vlnová dĺžka. V blízkosti rozhrania, na ktoré dopadá svetelná vlna, ktorá zažíva úplný odraz, na strane druhého média je možné vidieť žiaru tenkej vrstvy, ak je v druhom médiu fluorescenčná látka.

Úplný odraz spôsobuje fatamorgány, keď má zemský povrch vysokú teplotu. Úplný odraz svetla z oblakov teda vedie k dojmu, že na povrchu zohriateho asfaltu sú mláky.

Pri normálnej reflexii sú vzťahy $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ a $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ vždy skutočné . Pri úplnej reflexii sú zložité. To znamená, že v tomto prípade fáza vlny utrpí skok, pričom sa líši od nuly alebo $\pi $. Ak je vlna polarizovaná kolmo na rovinu dopadu, potom môžeme písať:

kde $(\delta )_(\bot )$ je požadovaný fázový skok. Porovnaním skutočných a imaginárnych častí máme:

Z výrazov (5) dostaneme:

V súlade s tým je možné pre vlnu, ktorá je polarizovaná v rovine dopadu, získať:

Fázové skoky $(\delta )_(//)$ a $(\delta )_(\bot )$ nie sú rovnaké. Odrazená vlna bude elipticky polarizovaná.

Aplikácia totálneho odrazu

Predpokladajme, že dve rovnaké médiá sú oddelené tenkou vzduchovou medzerou. Svetelná vlna na ňu dopadá pod uhlom, ktorý je väčší ako limit. Môže sa stať, že prenikne do vzduchovej medzery ako nehomogénna vlna. Ak je hrúbka medzery malá, potom táto vlna dosiahne druhú hranicu látky a nebude veľmi oslabená. Po prechode zo vzduchovej medzery do látky sa vlna opäť zmení na homogénnu. Takýto experiment uskutočnil Newton. Vedec pritlačil ďalší hranol, ktorý bol sféricky vyleštený, na preponu tvár obdĺžnikového hranola. V tomto prípade svetlo prechádzalo do druhého hranolu nielen tam, kde sa dotýkajú, ale aj v malom prstenci okolo kontaktu, v mieste, kde je hrúbka medzery porovnateľná s vlnovou dĺžkou. Ak sa pozorovania uskutočnili v bielom svetle, okraj prstenca mal červenkastú farbu. Tak to má byť, keďže hĺbka prieniku je úmerná vlnovej dĺžke (pre červené lúče je väčšia ako pre modré). Zmenou hrúbky medzery je možné meniť intenzitu prechádzajúceho svetla. Tento jav tvoril základ svetelného telefónu, ktorý si nechal patentovať Zeiss. V tomto zariadení funguje priehľadná membrána ako jedno z médií, ktoré sa hýbe pôsobením zvuku, ktorý na ňu dopadá. Svetlo, ktoré prechádza vzduchovou medzerou, mení intenzitu v čase so zmenami v sile zvuku. Keď sa dostane na fotobunku, generuje striedavý prúd, ktorý sa mení v súlade so zmenami v sile zvuku. Výsledný prúd sa zosilní a použije ďalej.

Fenomény prenikania vĺn cez tenké medzery nie sú špecifické pre optiku. To je možné pre vlnu akejkoľvek povahy, ak je fázová rýchlosť v medzere vyššia ako fázová rýchlosť v prostredí. Tento jav má veľký význam v jadrovej a atómovej fyzike.

Na zmenu smeru šírenia svetla sa využíva jav úplného vnútorného odrazu. Na tento účel sa používajú hranoly.

Príklad 1

Cvičenie: Uveďte príklad fenoménu totálnej reflexie, s ktorým sa často stretávame.

rozhodnutie:

Dá sa uviesť taký príklad. Ak je diaľnica veľmi horúca, potom je teplota vzduchu maximálna v blízkosti asfaltového povrchu a s rastúcou vzdialenosťou od cesty klesá. To znamená, že index lomu vzduchu je pri povrchu minimálny a s rastúcou vzdialenosťou sa zvyšuje. V dôsledku toho lúče, ktoré majú malý uhol vzhľadom na povrch diaľnice, trpia úplným odrazom. Ak zameriate svoju pozornosť počas jazdy v aute na vhodný úsek povrchu diaľnice, môžete vidieť auto idúce prevrátene dosť ďaleko vpredu.

Príklad 2

Cvičenie: Aký je Brewsterov uhol pre lúč svetla, ktorý dopadá na povrch kryštálu, ak je hraničný uhol úplného odrazu tohto lúča na rozhraní vzduch-kryštál 400?

rozhodnutie:

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

Z výrazu (2.1) máme:

Do vzorca (2.2) dosadíme pravú stranu výrazu (2.3), vyjadríme požadovaný uhol:

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

Urobme výpočty:

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

odpoveď:$(\alpha )_b=57()^\circ .$