Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Закон преломления света на границе раздела двух изотропных однородных прозрачных сред. Явление полного внутреннего отражения

Геометрическая оптика

Закон преломления света на границе раздела двух изотропных однородных прозрачных сред. Явление полного внутреннего отражения

План урока

  • Закон преломления света
  • Ход луча через треугольную призму
  • Полное внутреннее отражение

Цели урока

  • Знать и объяснять закон преломления света
  • Знать, что такое дисперсия света, какова последовательность цветов в спектре
  • Уметь рассчитывать предельный угол полного внутреннего отражения

Разминка

  • Что собой представляет световой луч?
  • Что можно наблюдать при падении луча на гладкую зеркальную поверхность и на матовую шероховатую?
  • Что можно наблюдать при прохождении светового луча из воздуха в воду?

Закон преломления света

Рис. 1. Преломление светового луча на границе воздух - вода Рис. 1. Преломление светового луча на границе воздух - вода

Если направить узкий пучок света (например, от лазерной указки) на поверхность налитой в стакан воды (рис. 1), то можно увидеть, как свет частично отразится от поверхности, а частично пройдет в воду изменив направление своего распространения.

 

Изменение направления распространения света при пересечении границы двух прозрачных сред называют преломлением света. Угол γ между перпендикуляром к границе раздела сред и преломленным лучом называют углом преломления.

 

Для определения направления распространения преломленного луча используют закон преломления света на плоской границе раздела двух изотропных однородных прозрачных сред.


Закон преломления света . Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела в точке падения лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данной пары сред не зависит от угла падения и равно: 

 

sin(α)sin(γ)=n21,

 

где n21 – относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой.


Если свет переходит из вакуума в среду, то отношение синуса угла падения к синусу угла преломления называют абсолютным показателем преломления n этой среды.


Среду, имеющую больший абсолютный показатель преломления, называют оптически более плотной . Если известны абсолютные показатели первой (n1) и второй (n2) сред, то относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой n21=n2n1

Следовательно, произведение абсолютного показателя преломления среды, из которой падает свет, на синус угла падения равно произведению абсолютного показателя преломления второй среды на синус угла преломления: 

 

n1·sin(α)=n2·sin(γ)


К настоящему времени установлено, что показатели преломления почти всех газов и паров при нормальных условиях не отличаются от единицы с точностью до одной тысячной. Поэтому, если свет падает из воздуха на жидкие или твердые прозрачные вещества, то относительные показатели этих веществ по отношению к окружающей среде можно считать совпадающими с их показателями преломления.

 

Таблица 1. Значение показателей преломления различных веществ для света желтого цвета при нормальных условиях

 

Среда

Показатель

Воздух (при обычных условия)

1,0002926

Вода

1,332986

Глицерин

1,4729

Бензол

1,500

Органическое стекло

1,51

Фианит (CZ)

2,15 - 2,18

Кремний

4,010

Алмаз

2,419

Кварц

1,544

Киноварь

3,02

Топаз

1,63

Лёд

1,31

Масло оливковое

1,46

Сахар

1,56

Спирт этиловый

1,36

Слюда

1,56 - 1,60

 

 

Ход луча через треугольную призму

 

Из закона преломления следует, что падающий и преломленный лучи обратимы.

Рис. 2. Ход светового луча в треугольной призме Рис. 2. Ход светового луча в треугольной призме

Рассмотрим ход луча через треугольную стеклянную призму (рис. 2). в результате двукратного преломления на боковых гранях призмы луч отклоняется от первоначального направления на угол δ. Можно показать, что этот угол зависит от угла падения α1, угла φ при вершине призмы (преломляющего угла призмы) и относительного показателя преломления материала призмы по отношению к окружающей среде: 

 

δ=(n-1)·φ.
 

При этом, если n>1, то луч отклоняется в сторону основания призмы (рис. 2).
 

Исследованием особенностей прохождения через стеклянные призмы узкого пучка солнечного света, выходящего из небольшого отверстия в ставне, занимался Ньютон.

Ньютон установил, что пучок белого света после прохождения через призму распадается в спектр. Наиболее сильно от первоначального направления отклоняются фиолетовые лучи, а красные лучи испытывают наименьшее отклонение. Если в экране, на котором наблюдается спектр, сделать узкую прорезь, параллельную основанию призмы, то из прорези будет выходить световой пучок только одного цвета. Если выделенный таким образом луч одного цвета пропустить через вторую призму, то он уже не будет распадаться на набор лучей разных цветов.

Рис. 3. Разложение белого света в спектр Рис. 3. Разложение белого света в спектр

Такой луч отклонится от первоначального направления на угол, величина которого определяется его цветом. На основании этих опытов Ньютон сделал вывод, что показатель преломления вещества зависит от цвета светового луча. Это явление он назвал дисперсией (зависимость показателя преломления вещества от частоты света).

Полное внутреннее отражение

 

Если проанализировать закон преломления, то можно объяснить явление полного внутреннего отражения. Пусть луч света падает из оптически более плотной среды с показателем преломления n1 на границу раздела с оптически менее плотной средой c показателем преломления n2 (риc. 4). Тогда угол преломления будет больше угла падения. С увеличением угла падения наступает такой момент, когда угол преломления становится равен 90°. В этом случае преломленный луч начинает скользить по поверхности раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения луч уже не выходит из первой среды во вторую, а испытывает полное отражение от границы этих сред, возвращаясь без потерь в первую, оптически более плотную среду. Это явление называют полным внутренним отражением .

Рис. 4. Ход луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (явление полного внутреннего отражения) Рис. 4. Ход луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (явление полного внутреннего отражения)


Угол падения αпр, которому соответствует угол преломления γ=90°, называют предельным углом полного внутреннего отражения.
 

Из закона преломления света: sin(αпр)=n1n2.


Рис. 5. Ход лучей в световоде Рис. 5. Ход лучей в световоде

Опыт показывает, что при полном внутреннем отражении весь свет, падающий на границу раздела сред, отражается без потерь энергии. На этом свойстве основана очень важная отрасль техники – волоконная оптика. Основной элемент волоконной оптики - световод (рис. 5) изготавливают из прозрачных волокон диаметром до 0,05 мм. Световод представляет собой прозрачное волокно, более плотное у поверхности. Вследствие этого свет, отражаясь от внутренней поверхности, все время возвращается в световод и не выходит наружу. Световод может содержать до нескольких тысяч таких волокон, плотно прижатых друг к другу. Торцы световода делают плоскими и тщательно шлифуют. Световоды можно как угодно изгибать, они не подвержены коррозии и много легче металлических проводников, на них не действуют электрические и магнитные поля, которые могут создавать значительные помехи в линиях передачи информации. Использование волоконной оптики позволяет увеличить объемы и скорость передаваемой информации в десятки раз по сравнению с обычными способами. Применяют волоконную оптику в медицине для осмотра внутренних органов и в системах передачи, шифровки и дешифровки информации, в интернете.

На явлении полного внутреннего отражения основано действие поворотных и оборотных равнобедренных прямоугольных призм, используемых в целом ряде оптических приборов, например, в перископах (рис. 6).

Рис. 6. Полное внутреннее отражение в поворотных и оборотных призмах Рис. 6. Полное внутреннее отражение в поворотных и оборотных призмах

В поворотной призме пучок света изменяет свое направление или на 90°, или на 180°. В оборотной призме выходящие лучи имеют то же направление, что и исходные, но их порядок меняется на противоположный. Используются такие призмы в разных оптических приборах: биноклях, перископах, микроскопах и др.


Контрольные вопросы

 

1. Что называют преломлением света?

2. Сформулируйте закон преломления света?
3. Что называют дисперсией света?
4. Какова последовательность цветов в спектре?
5. Что называют полным внутренним отражением?
6. Как рассчитывать предельный угол полного отражения?
7. Как устроен световод и для каких целей его применяют?


Предыдущий урок
Корпускулярно-волновой дуализм. Давление света. Гипотеза де Бройля
Квантовая физика
Следующий урок
Глаз и зрение. Оптические приборы
Геометрическая оптика
  • Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Причины радиоактивности. Альфа- и бета-распады. Правила смещения

    Физика

  • Вид, его критерии и структура

    Биология

  • Формы естественного отбора

    Биология

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке