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

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 пройдёт в воду, изменив направление своего распространения.

Изменение направления распространения света при пересечении границы двух прозрачных сред называют преломлением света. Угол $\gamma$ между перпендикуляром к границе раздела сред и преломлённым лучом называют углом преломления.

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

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 $\delta$. Можно показать, что этот угол зависит от угла падения ${\alpha }_1$, угла $\phi$ при вершине призмы (преломляющего угла призмы) и относительного показателя преломления материала призмы по отношению к окружающей среде:

$\delta =(n-1)·\phi$.
 

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.

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).

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, всё 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 объёмы 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.

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

В поворотной призме пучок света изменяет своё 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.