Kritični kut ili granični kut c i totalna unutarnja refleksija
Ako je n 1 >n 2, onda je >α, tj. ako svjetlost prelazi iz optički gušćeg medija u optički manje gusto, tada je kut loma veći od upadnog kuta (slika 3.)
Granični upadni kut. Ako je α=α p,=90˚ i zraka će kliziti duž sučelja zrak-voda.
Ako je α'>α p, tada svjetlost neće proći u drugi prozirni medij, jer će se u potpunosti odraziti. Ova pojava se zove puna refleksija svjetlosti. Upadni kut α p, pod kojim lomljena zraka klizi duž površine između medija, naziva se granični kut potpuni odraz.
Potpuna refleksija može se promatrati u jednakokračnoj pravokutnoj staklenoj prizmi (slika 4), koja se široko koristi u periskopima, dalekozorima, refraktometrima itd.
a) Svjetlost pada okomito na prvu plohu i stoga se ovdje ne lomi (α=0 i =0). Upadni kut na drugu stranu α=45˚, tj.>α p, (za staklo α p =42˚). Stoga se na ovom licu svjetlost potpuno reflektira. Ovo je rotacijska prizma koja rotira zraku za 90˚.
b) U tom slučaju svjetlost unutar prizme doživljava već dvostruku totalnu refleksiju. Ovo je također rotacijska prizma koja rotira zraku za 180˚.
c) U ovom slučaju prizma je već obrnuta. Kada zrake izlaze iz prizme, one su paralelne s upadnim, ali u tom slučaju gornji upadni snop postaje donji, a donji postaje gornji.
Fenomen potpune refleksije našao je široku tehničku primjenu u svjetlovodima.
Svjetlovod je veliki broj tankih staklenih niti, promjera kojih je oko 20 mikrona, a svaka je dugačka oko 1 m. Ove niti su paralelne jedna s drugom i nalaze se blizu (Sl. 5)
Svaka je nit okružena tankom staklenom ljuskom, čiji je indeks loma manji od indeksa same niti. Svjetlovod ima dva kraja, međusobni dogovor krajevi niti na oba kraja svjetlovoda su strogo isti.
Ako se objekt postavi na jedan kraj svjetlovoda i osvijetli, tada će se slika tog objekta pojaviti na drugom kraju svjetlovoda.
Slika se dobiva zahvaljujući činjenici da svjetlost s nekog malog područja objekta ulazi u kraj svake od niti. Doživljavajući mnoge potpune refleksije, svjetlost izlazi iz suprotnog kraja žarne niti, prenoseći refleksiju određenog malog područja objekta.
Jer položaj niti jedan u odnosu na drugi je strogo isti, tada se odgovarajuća slika objekta pojavljuje na drugom kraju. Jasnoća slike ovisi o promjeru niti. Što je manji promjer svake niti, to će slika predmeta biti jasnija. Gubici svjetlosne energije duž putanje svjetlosnog snopa obično su relativno mali u snopovima (svjetlosvodima), budući da je kod totalne refleksije koeficijent refleksije relativno visok (~0,9999). Gubitak energije uglavnom su posljedica apsorpcije svjetlosti od strane tvari unutar vlakna.
Na primjer, u vidljivom dijelu spektra u vlaknu duljine 1 m gubi se 30-70% energije (ali u snopu).
Stoga, kako bi se prenijeli veliki svjetlosni tokovi i održala fleksibilnost sustava za vođenje svjetlosti, pojedinačna vlakna se sastavljaju u snopove (snopove) - svjetlovodi.
Svjetlosvodi se široko koriste u medicini za osvjetljavanje unutarnjih šupljina hladnim svjetlom i prijenos slike. endoskop- poseban uređaj za pregled unutarnjih šupljina (želudac, rektum, itd.). Svjetlosni vodiči prenose lasersko zračenje na terapeutski učinak na tumore. Da, a ljudska mrežnica je visoko organiziran sustav optičkih vlakana koji se sastoji od ~ 130x10 8 vlakana.
Potpuna unutarnja refleksija
Unutarnja refleksija- pojava refleksije elektromagnetskih valova od sučelja između dva prozirna medija, pod uvjetom da val pada iz medija s višim indeksom loma.
Nepotpuni unutarnji odraz- unutarnja refleksija, pod uvjetom da je upadni kut manji od kritičnog kuta. U ovom slučaju, zraka se dijeli na lomljenu i reflektiranu.
Potpuna unutarnja refleksija- unutarnja refleksija, pod uvjetom da upadni kut prelazi određeni kritični kut. U ovom slučaju, upadni val se potpuno reflektira, a vrijednost koeficijenta refleksije prelazi svoje najveće vrijednosti za polirane površine. Osim toga, koeficijent refleksije za totalnu unutarnju refleksiju ne ovisi o valnoj duljini.
Ovaj optički fenomen promatra se za širok raspon elektromagnetsko zračenje uključujući područje X-zraka.
U okviru geometrijske optike objašnjenje fenomena je trivijalno: na temelju Snellova zakona i uzimajući u obzir da kut loma ne smije biti veći od 90°, dobivamo da pri upadnom kutu čiji je sinus veći od omjera manji indeks loma prema većem koeficijentu, elektromagnetski val bi se trebao potpuno reflektirati u prvi medij.
U skladu s valnom teorijom fenomena, elektromagnetski val ipak prodire u drugi medij - tamo se širi takozvani "nejednolični val", koji eksponencijalno opada i ne odnosi energiju sa sobom. Karakteristična dubina prodora nehomogenog vala u drugi medij je reda valne duljine.
Potpuni unutarnji odraz svjetlosti
Razmotrite unutarnju refleksiju na primjeru dviju monokromatskih zraka koje padaju na granicu između dva medija. Zrake padaju iz zone gušćeg medija (označeno tamnijim plava boja) s indeksom loma do granice s manje gustim medijem (označeno svijetloplavom bojom) s indeksom loma.
Crvena zraka pada pod kutom 
, odnosno na granici medija račva se - djelomično se lomi, a djelomično reflektira. Dio zrake se lomi pod kutom.
Zelena zraka pada i potpuno se reflektira src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.
Totalna unutarnja refleksija u prirodi i tehnici
Refleksija x-zraka
Refrakciju rendgenskih zraka u pašnjaku prvi je formulirao M. A. Kumakhov, koji je razvio rendgensko zrcalo, a teorijski ga je potkrijepio Arthur Compton 1923. godine.
Ostali valni fenomeni
Dokazivanje loma, a time i učinka potpune unutarnje refleksije, moguće je, na primjer, za zvučni valovi na površini i u masi tekućine na prijelazu između zona različite viskoznosti ili gustoće.
Fenomen sličan učinku potpune unutarnje refleksije elektromagnetska radijacija, promatraju se za snopove sporih neutrona.
Ako vertikalno polarizirani val padne na granicu pod Brewsterovim kutom, tada će se primijetiti učinak potpunog loma - neće biti reflektiranog vala.
Bilješke
Zaklada Wikimedia. 2010. godine.
- Pun dah
- Potpuna promjena
Pogledajte što je "potpuna unutarnja refleksija" u drugim rječnicima:
TOTALNI UNUTARNJI REFLEKSIJA- e-pošta za refleksiju. magn. zračenje (osobito svjetlost) kada padne na granicu između dvaju prozirnih medija iz medija s visokim indeksom loma. P. in. oko. provodi se kada upadni kut i prijeđe određeni granični (kritični) kut ... Fizička enciklopedija
Potpuna unutarnja refleksija- Potpuna unutarnja refleksija. Pri prolasku svjetlosti iz medija s n1 > n2 dolazi do totalne unutarnje refleksije ako je upadni kut a2 > apr; pod upadnim kutom a1 Ilustrirani enciklopedijski rječnik
Potpuna unutarnja refleksija- refleksija optičkog zračenja (vidi Optičko zračenje) (svjetlost) ili elektromagnetsko zračenje drugog raspona (na primjer, radio valovi) kada padne na sučelje između dva prozirna medija od medija s visokim indeksom loma ... .. . Velika sovjetska enciklopedija
TOTALNI UNUTARNJI REFLEKSIJA- elektromagnetski valovi, nastaju kada iz medija s visokim indeksom loma n1 prelaze u medij s nižim indeksom loma n2 pod upadnim kutom a većim od graničnog kuta apr, određenog omjerom sinapr=n2/n1. Završeno…… Moderna enciklopedija
TOTALNI UNUTARNJI REFLEKSIJA- POTPUNI UNUTARNJI REFLEKSIJA, REFLEKSIJA bez loma svjetlosti na granici. Kada svjetlost prelazi iz gušćeg medija (kao što je staklo) u medij manje gustoće (voda ili zrak), postoji zona kutova loma u kojoj svjetlost ne prolazi kroz granicu ... Znanstveni i tehnički enciklopedijski rječnik
totalna unutarnja refleksija- Refleksija svjetlosti od medija optički manje gustoće s potpunim vraćanjem u medij iz kojeg pada. [Zbirka preporučenih pojmova. Broj 79. Fizička optika. Akademija znanosti SSSR-a. Odbor za znanstveno i tehničko nazivlje. 1970] Teme… … Tehnički prevoditeljski priručnik
TOTALNI UNUTARNJI REFLEKSIJA- elektromagnetski valovi nastaju kada padaju koso na granicu između 2 medija, kada zračenje prelazi iz medija s visokim indeksom loma n1 u medij s nižim indeksom loma n2, a kut upada i prelazi granični kut ... ... Veliki enciklopedijski rječnik
totalna unutarnja refleksija- elektromagnetski valovi, nastaju kosim upadom na granici između 2 medija, kada zračenje prelazi iz medija s visokim indeksom loma n1 u medij s nižim indeksom loma n2, a kut upada i prelazi granični kut ipr.. . enciklopedijski rječnik
Prvo, idemo malo maštati. Zamislite vrući ljetni dan prije Krista, primitivni čovjek lovi ribu kopljem. Primjećuje njezin položaj, cilja i udara iz nekog razloga uopće ne tamo gdje je riba bila vidljiva. propustili? Ne, ribar ima plijen u svojim rukama! Stvar je u tome što je naš predak intuitivno razumio temu koju ćemo sada proučavati. NA Svakidašnjica vidimo da se žlica umočena u čašu vode čini iskrivljenom, kada gledamo kroz staklenu posudu, predmeti izgledaju nakrivljeni. Sva ova pitanja razmotrit ćemo u lekciji čija je tema: „Refrakcija svjetlosti. Zakon loma svjetlosti. Potpuna unutarnja refleksija.
U prethodnim lekcijama govorili smo o sudbini zrake u dva slučaja: što se događa ako se zraka svjetlosti širi u prozirno homogenom mediju? Točan odgovor je da će se širiti u ravnoj liniji. A što će se dogoditi kada snop svjetlosti padne na sučelje između dva medija? U prošloj lekciji smo govorili o reflektiranoj zraki, danas ćemo razmotriti onaj dio svjetlosne zrake koji apsorbira medij.
Kakva će biti sudbina zrake koja je prodrla iz prvog optički prozirnog medija u drugi optički prozirni medij?
Riža. 1. Lom svjetlosti
Ako zraka padne na granicu između dva prozirna medija, tada se dio svjetlosne energije vraća u prvi medij, stvarajući reflektiranu zraku, dok drugi dio prolazi prema unutra u drugi medij i, u pravilu, mijenja smjer.
Promjena smjera prostiranja svjetlosti u slučaju njezina prolaska kroz sučelje dvaju medija naziva se lom svjetlosti(Sl. 1).
Riža. 2. Upadni kut, lom i refleksija
Na slici 2 vidimo upadnu zraku, upadni kut označit ćemo s α. Zraka koja će odrediti smjer lomljene zrake svjetlosti nazvat ćemo lomljena zraka. Kut između okomice na granicu između medija, vraćene iz točke upada, i lomljene zrake naziva se kut loma, na slici je to kut γ. Za potpunu sliku dajemo i sliku reflektirane zrake i, sukladno tome, kut refleksije β. Kakav je odnos upadnog kuta i lomnog kuta, može li se, znajući upadni kut i iz koje sredine je zraka u koju sredinu prešla, predvidjeti koliki će biti lomni kut? Ispostavilo se da možete!
Dobivamo zakon koji kvantitativno opisuje odnos između upadnog kuta i kuta loma. Poslužimo se Huygensovim principom koji regulira širenje vala u mediju. Zakon se sastoji od dva dijela.
Upadna zraka, lomljena zraka i okomica vraćena na točku upada leže u istoj ravnini.
Omjer sinusa upadnog kuta i sinusa kuta loma konstantna je vrijednost za dva dana medija i jednak je omjeru brzina svjetlosti u tim medijima.
Taj se zakon naziva Snellov zakon, po nizozemskom znanstveniku koji ga je prvi formulirao. Razlog loma je razlika u brzinama svjetlosti u različitim medijima. Valjanost zakona refrakcije možete provjeriti eksperimentalnim usmjeravanjem zrake svjetlosti pod različitim kutovima na granicu između dva medija i mjerenjem kutova upada i refrakcije. Promijenimo li te kutove, izmjerimo sinuse i nađemo omjere sinusa tih kutova, uvjerit ćemo se da zakon loma doista vrijedi.
Dokaz o zakonu refrakcije pomoću Huygensovog principa još je jedna potvrda valne prirode svjetlosti.
Relativni indeks loma n 21 pokazuje koliko se puta brzina svjetlosti V 1 u prvom sredstvu razlikuje od brzine svjetlosti V 2 u drugom sredstvu.
Relativni indeks loma jasna je demonstracija činjenice da je razlog promjene smjera svjetlosti pri prelasku iz jednog medija u drugi različita brzina svjetlo u dva okruženja. Pojam "optička gustoća medija" često se koristi za karakterizaciju optičkih svojstava medija (slika 3).
Riža. 3. Optička gustoća medija (α > γ)
Ako zraka prelazi iz medija veće brzine svjetlosti u medij manje brzine svjetlosti, tada će, kao što je vidljivo iz slike 3. i zakona loma svjetlosti, biti pritisnuta na okomicu, tj. , kut loma manji je od upadnog kuta. U tom slučaju se kaže da je zraka prešla iz optičkog medija manje gustoće u optički gušći medij. Primjer: iz zraka u vodu; od vode do stakla.
Moguća je i obrnuta situacija: brzina svjetlosti u prvom mediju manja je od brzine svjetlosti u drugom mediju (slika 4).
Riža. 4. Optička gustoća medija (α< γ)
Tada će kut loma biti veći od upadnog kuta, pa ćemo za takav prijelaz reći da je napravljen iz optički gušćeg u optički manje gusto sredstvo (iz stakla u vodu).
Optička gustoća dvaju medija može se značajno razlikovati, pa postaje moguća situacija prikazana na fotografiji (sl. 5):
Riža. 5. Razlika između optičke gustoće medija
Obratite pozornost na to kako je glava pomaknuta u odnosu na tijelo koje se nalazi u tekućini, u mediju veće optičke gustoće.
No, relativni indeks loma nije uvijek zgodna karakteristika za rad, jer ovisi o brzinama svjetlosti u prvom i drugom mediju, ali takvih kombinacija i kombinacija dva medija (voda - zrak, staklo) može biti jako puno. - dijamant, glicerin - alkohol, staklo - voda i tako dalje). Tablice bi bile jako glomazne, bilo bi nezgodno raditi, a onda je uvedena jedna apsolutna okolina, u usporedbi s kojom se uspoređuje brzina svjetlosti u drugim sredinama. Vakuum je odabran kao apsolutni, a brzine svjetlosti uspoređuju se s brzinom svjetlosti u vakuumu.
Apsolutni indeks loma sredstva n- ovo je vrijednost koja karakterizira optičku gustoću medija i jednaka je omjeru brzine svjetlosti IZ u vakuumu do brzine svjetlosti u određenom mediju.
Apsolutni indeks loma je pogodniji za rad, jer uvijek znamo brzinu svjetlosti u vakuumu, ona je jednaka 3·10 8 m/s i univerzalna je fizikalna konstanta.
Apsolutni indeks loma ovisi o vanjski parametri: temperaturu, gustoću, a također i na valnu duljinu svjetlosti, tako da tablice obično pokazuju prosječni indeks loma za određeni raspon valnih duljina. Usporedimo li indekse loma zraka, vode i stakla (slika 6.), vidimo da je indeks loma zraka blizak jedinici, pa ćemo ga pri rješavanju zadataka uzeti kao jedinicu.
Riža. 6. Tablica apsolutnih indeksa loma za različite medije
Lako je dobiti odnos između apsolutnog i relativnog indeksa loma medija.
Relativni indeks loma, to jest za zraku koja prolazi od medija jedan do medija dva, jednaka je omjeru apsolutni indeks loma u drugom mediju na apsolutni indeks loma u prvom mediju.
Na primjer: 
= ≈ 1,16
Ako su apsolutni indeksi loma ta dva medija gotovo isti, to znači da će relativni indeks loma pri prelasku iz jednog medija u drugi biti jednak jedinici, odnosno svjetlosna zraka se zapravo neće lomiti. Na primjer, pri prelasku s ulja anisa na dragulj svjetlost berila praktički neće odstupati, odnosno ponašat će se kao da prolazi kroz ulje anisa, jer im je indeks loma 1,56 odnosno 1,57, pa se dragulj može sakriti u tekućini, jednostavno neće biti vidio.
Ako ulijete vodu u prozirnu čašu i pogledate kroz stijenku čaše u svjetlost, tada ćemo vidjeti srebrnasti sjaj površine zbog fenomena potpune unutarnje refleksije, o kojem ćemo sada raspravljati. Kada svjetlosna zraka prelazi iz gušćeg optičkog medija u manje gusti optički medij, može se uočiti zanimljiv učinak. Definitivno ćemo pretpostaviti da svjetlost ide iz vode u zrak. Pretpostavimo da u dubini rezervoara postoji točkasti izvor svjetlosti S koji emitira zrake u svim smjerovima. Na primjer, ronilac svijetli svjetiljkom.
Zraka SO 1 pada na površinu vode pod najmanjim kutom, ta se zraka djelomično lomi - zraka O 1 A 1 i djelomično se odbija natrag u vodu - zraka O 1 B 1. Dakle, dio energije upadne zrake prelazi na lomljenu zraku, a preostali dio energije prelazi na reflektiranu zraku.
Riža. 7. Potpuna unutarnja refleksija
Zraka SO 2, čiji je upadni kut veći, također se dijeli na dvije zrake: lomljenu i reflektiranu, ali se energija izvorne zrake između njih raspoređuje na drugačiji način: lomljena zraka O 2 A 2 bit će tamnija od snop O 1 A 1, odnosno primit će manji udio energije, a reflektirani snop O 2 V 2, odnosno, bit će svjetliji od snopa O 1 V 1, odnosno primit će veći udio energije. Povećanjem upadnog kuta prati se ista pravilnost - sve veći dio energije upadne zrake odlazi na odbijenu zraku, a sve manji na lomljenu zraku. Refraktirani snop postaje slabiji iu nekom trenutku potpuno nestaje, taj nestanak se događa kada se postigne upadni kut koji odgovara kutu loma od 90 0 . U ovoj situaciji, lomljena zraka OA bi morala ići paralelno s površinom vode, ali nema ništa - sva energija upadne zrake SO otišla je u cijelosti na reflektiranu zraku OB. Naravno, s daljnjim povećanjem kuta upada, lomljena zraka će izostati. Opisana pojava je potpuna unutarnja refleksija, odnosno gušći optički medij pod razmatranim kutovima ne emitira zrake iz sebe, sve se one reflektiraju unutar njega. Kut pod kojim se ta pojava događa naziva se granični kut totalne unutarnje refleksije.
Vrijednost graničnog kuta lako je pronaći iz zakona loma:
= => = arcsin, za vodu ≈ 49 0
Najzanimljivija i najpopularnija primjena fenomena potpune unutarnje refleksije su tzv. valovodi, odnosno optička vlakna. Upravo takav način signalizacije koriste moderne telekomunikacijske tvrtke na internetu.
Dobili smo zakon o lomu svjetlosti, uveli novi koncept - relativni i apsolutni indeks loma, a također smo shvatili fenomen potpune unutarnje refleksije i njegove primjene, kao što je optičko vlakno. Znanje možete konsolidirati ispitivanjem relevantnih testova i simulatora u odjeljku lekcija.
Dokažimo zakon o lomu svjetlosti pomoću Huygensovog principa. Važno je razumjeti da je uzrok loma razlika u brzinama svjetlosti u dva različita medija. Označimo brzinu svjetlosti u prvom sredstvu V 1 , au drugom sredstvu - V 2 (slika 8).
Riža. 8. Dokaz zakona o lomu svjetlosti
Neka ravni svjetlosni val padne na ravnu površinu između dva medija, na primjer, iz zraka u vodu. Valna ploha AC okomita je na zrake i , sučelje medija MN prvo dopire do snopa , a snop dolazi do iste površine nakon vremenskog intervala ∆t koji će biti jednak putu SW podijeljenom s brzinom svjetlosti u prvom srednjem .
Dakle, u trenutku kada se sekundarni val u točki B tek počinje pobuđivati, val iz točke A već ima oblik hemisfere polumjera AD, koji jednako brzini svjetlosti u drugom mediju za ∆t: AD = ·∆t, odnosno Huygensov princip u vizualnom djelovanju. Valna ploha lomljenog vala može se dobiti crtanjem plohe tangente na sve sekundarne valove u drugom mediju, čija središta leže na sučelju medija, u ovom slučaju to je ravnina BD, to je ovojnica sekundarne valove. Upadni kut α zraka jednaka kutu CAB u trokutu ABC, stranice jednog od tih kutova okomite su na stranice drugog. Stoga će SW biti jednak brzini svjetlosti u prvom mediju za ∆t
CB = ∆t = AB sin α
S druge strane, kut loma će biti jednak kutu ABD u trokutu ABD, dakle:
AD = ∆t = AB sin γ
Dijeleći izraze pojam po pojam, dobivamo:
n je konstantna vrijednost koja ne ovisi o upadnom kutu.
Dobili smo zakon loma svjetlosti, sinus kuta upada na sinus kuta loma je konstantna vrijednost za zadana dva medija i jednaka je omjeru brzina svjetlosti u dva zadana medija.
Kubična posuda neprozirnih stijenki smještena je tako da oko promatrača ne vidi njezino dno, već u potpunosti vidi stijenku posude CD. Koliko vode treba uliti u posudu da promatrač vidi predmet F koji se nalazi na udaljenosti b = 10 cm od kuta D? Rub posude α = 40 cm (sl. 9).
Što je vrlo važno u rješavanju ovog problema? Pretpostavljam da, budući da oko ne vidi dno posude, već vidi krajnju točku bočne stijenke, a posuda je kocka, onda će upadni kut zrake na površinu vode kada je izlijemo biti biti jednak 45 0.
Riža. 9. Zadatak ispita
Zraka pada u točku F, što znači da jasno vidimo objekt, a crna točkasta crta pokazuje tijek zrake kad ne bi bilo vode, odnosno u točku D. Iz trokuta NFC, tangens kuta β, tangens kuta loma, je omjer suprotnog kraka u odnosu na susjedni ili, na temelju slike, h minus b podijeljeno s h.
tg β = = , h je visina tekućine koju smo ulili;
Najintenzivniji fenomen potpune unutarnje refleksije koristi se u vlaknima optički sustavi.
Riža. 10. Svjetlovodna vlakna
Ako se zraka svjetlosti usmjeri na kraj cijevi od punog stakla, tada će nakon višestruke totalne unutarnje refleksije zraka izaći sa suprotne strane cijevi. Ispada da je staklena cijev vodič svjetlosnog vala ili valovod. To će se dogoditi bez obzira je li cijev ravna ili zakrivljena (Slika 10). Prvi svjetlovodi, ovo je drugi naziv valovoda, korišteni su za isticanje teško dostupnih mjesta (tijekom medicinsko istraživanje kada se svjetlo dovodi na jedan kraj svjetlovoda, a drugi kraj osvjetljava željeno mjesto). Glavna primjena je medicina, defektoskopija motora, no takvi se valovodi najviše koriste u sustavima za prijenos informacija. Noseća frekvencija pri prijenosu signala svjetlosnim valom je milijun puta veća od frekvencije radijskog signala, što znači da je količina informacija koju možemo prenijeti svjetlosnim valom milijune puta više količine informacije koje se prenose radio valovima. Ovo je izvrsna prilika za prenošenje ogromne količine informacija na jednostavan i jeftin način. U pravilu se informacije prenose preko optičkog kabela pomoću laserskog zračenja. Svjetlovodna vlakna nezamjenjiva su za brz i kvalitetan prijenos računalnog signala koji sadrži veliku količinu prenesenih informacija. A u srcu svega toga leži tako jednostavan i uobičajen fenomen kao što je lom svjetlosti.
Bibliografija
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna razina) - M.: Mnemozina, 2012.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika - 9, Moskva, Obrazovanje, 1990.
- edu.glavsprav.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Raal100.narod.ru ().
- Optika.ucoz.ru ().
Domaća zadaća
- Definirajte lom svjetlosti.
- Navedite razlog loma svjetlosti.
- Navedite najpopularnije primjene potpune unutarnje refleksije.
Geometrijska i valna optika. Uvjeti za primjenu ovih pristupa (iz omjera valne duljine i veličine objekta). Koherencija valova. Pojam prostorne i vremenske koherencije. prisilna emisija. Značajke laserskog zračenja. Građa i princip rada lasera.
S obzirom na to da je svjetlost valna pojava dolazi do interferencije uslijed koje ograničeno snop svjetlosti se ne širi u jednom smjeru, već ima konačnu kutnu raspodjelu, tj. dolazi do difrakcije. Međutim, u onim slučajevima gdje su karakteristične poprečne dimenzije svjetlosnih zraka dovoljno velike u usporedbi s valnom duljinom, može se zanemariti divergencija svjetlosnog snopa i pretpostaviti da se on širi u jednom jedinom smjeru: duž svjetlosnog snopa.
Valna optika je grana optike koja opisuje širenje svjetlosti, uzimajući u obzir njenu valnu prirodu. Fenomeni valne optike - interferencija, difrakcija, polarizacija itd.
Interferencija valova - međusobno pojačanje ili slabljenje amplitude dvaju ili više koherentnih valova koji se istovremeno šire prostorom.
Difrakcija valova je pojava koja se očituje kao odstupanje od zakona geometrijske optike pri prostiranju valova.
Polarizacija - procesi i stanja povezani s odvajanjem bilo kojih objekata, uglavnom u prostoru.
U fizici koherencija je korelacija (dosljednost) više oscilatornih ili valnih procesa u vremenu, koja se očituje njihovim zbrajanjem. Oscilacije su koherentne ako je razlika između njihovih faza konstantna u vremenu, a kad se titraji zbroje, dobiva se titraj iste frekvencije.
Ako se fazna razlika dvaju oscilacija mijenja vrlo sporo, tada se kaže da oscilacije ostaju koherentne neko vrijeme. Ovo vrijeme se naziva vrijeme koherencije.
Prostorna koherencija – koherencija oscilacija koje se pojavljuju u isto vrijeme u različitim točkama u ravnini okomitoj na smjer širenja vala.
Stimulirana emisija - nastajanje novog fotona tijekom prijelaza kvantnog sustava (atoma, molekule, jezgre itd.) iz pobuđenog stanja u stabilno stanje (niža energetska razina) pod utjecajem inducirajućeg fotona, energije koja je bila jednaka razlici u razinama energije. Stvoreni foton ima istu energiju, moment, fazu i polarizaciju kao inducirajući foton (koji se ne apsorbira).
Lasersko zračenje može biti kontinuirano, s konstantnom snagom, ili pulsno, s iznimno visokim vršnim snagama. U nekim se shemama radni element lasera koristi kao optičko pojačalo za zračenje iz drugog izvora.
Fizička osnova Djelovanje lasera je fenomen stimuliranog (induciranog) zračenja. Bit fenomena je da pobuđeni atom može emitirati foton pod utjecajem drugog fotona bez njegove apsorpcije, ako je energija potonjeg jednaka razlici u energijama razina atoma prije i poslije fotona. emisija. U ovom slučaju, emitirani foton je koherentan fotonu koji je izazvao zračenje (to je njegova “točna kopija”). Ovako se svjetlost pojačava. Ovaj se fenomen razlikuje od spontane emisije, u kojoj emitirani fotoni imaju slučajne smjerove širenja, polarizaciju i fazu.
Svi se laseri sastoje od tri glavna dijela:
aktivna (radna) okolina;
crpni sustavi (izvor energije);
optički rezonator (može biti odsutan ako laser radi u načinu rada pojačala).
Svaki od njih osigurava rad lasera za obavljanje njegovih specifičnih funkcija.
Geometrijska optika. Fenomen totalne unutarnje refleksije. Granični kut totalne refleksije. Tijek zraka. optička vlakna.
Geometrijska optika je grana optike koja proučava zakone prostiranja svjetlosti u prozirnim medijima i principe konstruiranja slika tijekom prolaska svjetlosti u optičkim sustavima ne uzimajući u obzir njezina valna svojstva.
Potpuni unutarnji odraz je unutarnji odraz pod uvjetom da upadni kut prelazi neki kritični kut. U ovom slučaju, upadni val se potpuno reflektira, a vrijednost koeficijenta refleksije prelazi svoje najveće vrijednosti za polirane površine. Koeficijent refleksije za totalnu unutarnju refleksiju ne ovisi o valnoj duljini.
Granični kut potpune unutarnje refleksije
Upadni kut pod kojim lomljena zraka počinje kliziti duž sučelja između dva medija bez prijelaza u optički gušći medij
Put zraka u zrcalima, prizmama i lećama
Svjetlosne zrake iz točkastog izvora šire se u svim smjerovima. U optičkim sustavima, savijajući se unazad i reflektirajući se od sučelja između medija, neke se zrake mogu ponovno presijecati u nekom trenutku. Točka se naziva slika točke. Kad se zraka odbije od zrcala, ispunjen je zakon: "reflektirana zraka uvijek leži u istoj ravnini kao i upadna zraka i normala na površinu koja se odbija, koja prolazi kroz točku upada, a upadni kut oduzet od ova normala je jednaka kutu odbijanja."
Svjetlovodna vlakna – ovaj pojam znači
grana optike koja proučava fizičke pojave nastajanje i događanje u optička vlakna, ili
proizvodi industrije preciznog inženjerstva, koji uključuju komponente temeljene na optičkim vlaknima.
Uređaji s optičkim vlaknima uključuju lasere, pojačala, multipleksere, demultipleksere i niz drugih. Komponente svjetlovodnih vlakana uključuju izolatore, zrcala, konektore, razdjelnike itd. Osnovu svjetlovodnog uređaja čini njegov optički sklop – skup svjetlovodnih komponenti spojenih u određenom nizu. Optički krugovi mogu biti zatvoreni i otvoreni, sa Povratne informacije ili bez njega.
Granični kut potpune refleksije je kut upadanja svjetlosti na granicu između dva medija, koji odgovara kutu loma od 90 stupnjeva.
Fiberoptika je grana optike koja proučava fizikalne pojave koje se događaju i događaju u optičkim vlaknima.
4. Širenje valova u optički nehomogenom sredstvu. Objašnjenje zakrivljenosti zraka. fatamorgane. Astronomska refrakcija. Nehomogen medij za radio valove.
Fatamorgana je optički fenomen u atmosferi: refleksija svjetlosti na granici između slojeva zraka koji se gustoće oštro razlikuju. Za promatrača, takav odraz se sastoji u činjenici da je, zajedno s udaljenim objektom (ili dijelom neba), vidljiva njegova zamišljena slika, pomaknuta u odnosu na objekt. Miradži se dijele na donje, vidljive ispod objekta, gornje, iznad objekta i bočne.
inferiorna fatamorgana
Opaža se s vrlo velikim vertikalnim gradijentom temperature (opadajući s visinom) preko pregrijane ravne površine, često pustinje ili asfaltne ceste. Zamišljena slika neba stvara iluziju vode na površini. Dakle, cesta koja ide u daljinu u vrućem ljetnom danu djeluje mokro.
superior fatamorgana
Pazio na hladnoću Zemljina površina s inverznom raspodjelom temperature (raste s njegovom visinom).
Fatamorgana
Složeni fenomen fatamorgane s oštrim iskrivljenjem izgleda predmeta naziva se Fata Morgana.
volumetrijska fatamorgana
U planinama je vrlo rijetko, pod određenim uvjetima, da možete vidjeti "iskrivljeno ja" na prilično maloj udaljenosti. Ovaj fenomen se objašnjava prisustvom "ustajale" vodene pare u zraku.
Astronomska refrakcija - pojava loma svjetlosnih zraka nebeskih tijela pri prolasku kroz atmosferu / Budući da gustoća planetarnih atmosfera uvijek opada s visinom, lom svjetlosti se događa na način da svojom konveksnošću zakrivljena zraka u svim slučajeva suočava zenitu. S tim u vezi, refrakcija uvijek "podiže" slike nebeskih tijela iznad njihovog stvarnog položaja.
Refrakcija uzrokuje niz optičko-atmosferskih učinaka na Zemlji: povećanje dužina dana zbog toga što Sunčev disk, zbog loma, izlazi iznad horizonta nekoliko minuta ranije od trenutka u kojem bi Sunce moralo izaći na temelju geometrijskih razmatranja; spljoštenost vidljivih diskova Mjeseca i Sunca u blizini horizonta zbog činjenice da se donji rub diskova diže lomom više od gornjeg; svjetlucanje zvijezda itd. Zbog razlike u lomu svjetlosnih zraka različitih valnih duljina (plave i ljubičaste zrake više odstupaju od crvenih) dolazi do prividnog obojenja nebeskih tijela u blizini horizonta.
5. Pojam linearno polariziranog vala. Polarizacija prirodnog svjetla. nepolarizirano zračenje. dikroični polarizatori. Polarizator i analizator svjetlosti. Malusov zakon.
Polarizacija valova- fenomen narušavanja simetrije raspodjele poremećaja u poprečni val (primjerice, jakost električnog i magnetskog polja u elektromagnetskim valovima) u odnosu na smjer njegova širenja. NA uzdužni U valu ne može doći do polarizacije, budući da se poremećaji u ovoj vrsti valova uvijek podudaraju sa smjerom širenja.
linearno - oscilacije perturbacije se javljaju u nekoj jednoj ravnini. U ovom slučaju govori se o plane polarized val";
kružni - kraj vektora amplitude opisuje kružnicu u ravnini titranja. Ovisno o smjeru rotacije vektora, pravo ili lijevo.
Polarizacija svjetlosti je proces usmjeravanja oscilacija vektora jakosti električnog polja svjetlosnog vala kada svjetlost prolazi kroz određene tvari (tijekom loma) ili kada se svjetlosni tok reflektira.
Dikroični polarizator sadrži film koji sadrži najmanje jednu dikroičnu organsku tvar čije molekule ili fragmenti molekula imaju ravna struktura. Barem dio filma ima kristalnu strukturu. Dihroična tvar ima najmanje jedan maksimum krivulje spektralne apsorpcije u spektralnim područjima od 400 - 700 nm i/ili 200 - 400 nm i 0,7 - 13 μm. U proizvodnji polarizatora, film koji sadrži dikroičnu organsku tvar nanosi se na podlogu, nanosi se orijentirajući učinak i suši. U ovom slučaju, uvjeti za nanošenje filma te vrsta i veličina orijentirajućeg učinka biraju se tako da parametar reda filma koji odgovara barem jednom maksimumu na krivulji spektralne apsorpcije u spektralnom području od 0,7 - 13 μm ima vrijednost od najmanje 0,8. Kristalna struktura barem dijela filma je trodimenzionalna kristalna rešetka tvore dikroične molekule organska tvar. UČINAK: proširenje spektralnog područja rada polarizatora uz istovremeno poboljšanje njegovih polarizacijskih karakteristika.
Malusov zakon je fizikalni zakon koji izražava ovisnost intenziteta linearno polarizirane svjetlosti nakon što prođe kroz polarizator o kutu između ravnina polarizacije upadne svjetlosti i polarizatora.
gdje ja 0 - intenzitet svjetlosti koja pada na polarizator, ja je intenzitet svjetlosti koja izlazi iz polarizatora, k a- koeficijent prozirnosti polarizatora.
6. Fenomen Brewster. Fresnelove formule za koeficijent refleksije za valove čiji električni vektor leži u ravnini upada i za valove čiji je električni vektor okomit na ravninu upada. Ovisnost koeficijenata refleksije o upadnom kutu. Stupanj polarizacije reflektiranih valova.
Brewsterov zakon je zakon optike koji izražava odnos indeksa loma s takvim kutom pod kojim će svjetlost odbijena od sučelja biti potpuno polarizirana u ravnini, okomito na ravninu upada, a lomljena zraka je djelomično polarizirana u ravnini upada, a polarizacija lomljene zrake doseže najveća vrijednost. Lako je ustanoviti da su u tom slučaju odbijena i lomljena zraka međusobno okomite. Odgovarajući kut naziva se Brewsterov kut. Brewsterov zakon: 
, gdje n 21 - indeks loma drugog medija u odnosu na prvi, θ Br je upadni kut (Brewsterov kut). S amplitudama upadnog (U dolje) i reflektiranog (U ref) vala u KBV liniji povezan je relacijom:
K bv \u003d (U pad - U neg) / (U pad + U neg)
Preko koeficijenta refleksije napona (K U), KBV se izražava na sljedeći način:
K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Kada je čisto aktivni karakter opterećenje KBV jednako je:
K bv \u003d R / ρ na R< ρ или
K bv = ρ / R pri R ≥ ρ
gdje je R aktivni otpor opterećenja, ρ je valni otpor voda
7. Pojam interferencije svjetlosti. Zbrajanje dvaju nekoherentnih i koherentnih valova čije se polarizacijske linije podudaraju. Ovisnost intenziteta rezultirajućeg vala u zbrajanju dva koherentna vala o razlici njihovih faza. Pojam geometrijske i optičke razlike putanje valova. Opći uvjeti promatrati maksimume i minimume smetnje.
Svjetlosna interferencija je nelinearno zbrajanje intenziteta dva ili više svjetlosnih valova. Ovaj fenomen prati izmjena maksimuma i minimuma intenziteta u prostoru. Njegova raspodjela naziva se interferencijski uzorak. Kada svjetlost interferira, energija se redistribuira u prostoru.
Valovi i izvori koji ih pobuđuju nazivaju se koherentnim ako razlika faza valova ne ovisi o vremenu. Valovi i izvori koji ih pobuđuju nazivaju se nekoherentnima ako se fazna razlika valova mijenja s vremenom. Formula za razliku:
, gdje , ,
8. Laboratorijske metode promatranja interferencije svjetlosti: Youngov pokus, Fresnelova biprizma, Fresnelova zrcala. Izračun položaja maksimuma i minimuma interferencije.
Jungov pokus - U pokusu se snop svjetlosti usmjerava na neprozirni ekran-ekran s dva paralelna proreza, iza kojih je ugrađen projekcijski ekran. Ovaj eksperiment pokazuje interferenciju svjetlosti, što je dokaz valne teorije. Osobitost proreza je u tome što je njihova širina približno jednaka valnoj duljini emitirane svjetlosti. Učinak širine proreza na smetnje razmatra se u nastavku.
Pod pretpostavkom da se svjetlost sastoji od čestica ( korpuskularna teorija svjetlosti), tada bi se na projekcijskom platnu vidjele samo dvije paralelne trake svjetlosti koje prolaze kroz proreze na platnu. Između njih bi projekcijsko platno ostalo praktički neosvijetljeno.
Fresnelova biprizma – u fizici – dvostruka prizma s vrlo malim kutovima na vrhovima.
Fresnelova biprizma je optički uređaj koji omogućuje da jedan izvor svjetlosti formira dva koherentna vala, što omogućuje promatranje stabilnog interferencijskog uzorka na ekranu.
Frenkelova biprizma služi kao sredstvo za eksperimentalni dokaz valne prirode svjetlosti.
Fresnelova zrcala su optički uređaj koji je 1816. predložio O. J. Fresnel za promatranje fenomena interferencijskih koherentnih svjetlosnih zraka. Uređaj se sastoji od dva ravna zrcala I i II koja tvore diedarski kut koji se od 180° razlikuje za samo nekoliko lučnih minuta (vidi sliku 1 u točki Interferencija svjetlosti). Kada su zrcala osvijetljena iz izvora S, snopovi zraka reflektirani od zrcala mogu se smatrati kao da dolaze iz koherentnih izvora S1 i S2, koji su imaginarne slike S. U prostoru gdje se snopovi preklapaju dolazi do interferencije. Ako je izvor S linearan (prorez) i paralelan s rubom FZ, tada se pri osvjetljavanju monokromatskim svjetlom na ekranu M uočava interferencijski uzorak u obliku ekvidistantnih tamnih i svijetlih pruga paralelnih s prorezom, koji se može postaviti bilo gdje u području preklapanja greda. Udaljenost između vrpci može se koristiti za određivanje valne duljine svjetlosti. Eksperimenti provedeni s PV-om bili su jedan od odlučujućih dokaza valne prirode svjetlosti.
9. Interferencija svjetlosti u tankim filmovima. Uvjeti za nastanak svijetlih i tamnih traka u reflektiranoj i propuštenoj svjetlosti.
10. Pruge jednakog nagiba i pruge jednake debljine. Newtonovi interferencijski prstenovi. Radijusi tamnih i svijetlih prstenova.
11. Interferencija svjetlosti u tankim filmovima pri normalnom upadu svjetlosti. Prosvjetljenje optičkih uređaja.
12. Michelsonov i Jaminov optički interferometar. Određivanje indeksa loma tvari pomoću dvozračnih interferometra.
13. Pojam višestazne interferencije svjetlosti. Fabry-Perot interferometar. Zbrajanje konačnog broja valova jednakih amplituda, čije faze tvore aritmetičku progresiju. Ovisnost intenziteta nastalog vala o razlici faza interferentnih valova. Uvjet za nastanak glavnih maksimuma i minimuma smetnje. Priroda interferencijskog uzorka s više zraka.
14. Pojam difrakcije valova. Valni parametar i granice primjenjivosti zakona geometrijske optike. Huygens-Fresnel princip.
15. Metoda Fresnelovih zona i dokaz pravocrtnog prostiranja svjetlosti.
16. Fresnelova difrakcija na okruglom otvoru. Radijusi Fresnelovih zona za fronte sfernih i ravnih valova.
17. Difrakcija svjetlosti na neprozirnom disku. Izračunavanje površine Fresnelovih zona.
18. Problem povećanja amplitude vala pri prolasku kroz okrugli otvor. Ploče amplitudne i fazne zone. Ploče za fokusiranje i zone. Fokusna leća kao granični slučaj stepenasto fazne zone ploče. Zonirajuće leće.