2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5. Волновая и квантовая оптика

УРОК 4/62

Тема. Преломления света. Полное отражение

Цель урока: ознакомить учащихся с законом преломления света.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Явление преломления света

Из опытов следует, что во время падения узкого пучка света на границу раздела двух сред пучок разделяется: одна его часть возвращается в первое среду (и это явление называется отражением света), а другая - проникает во вторую среду, изменив свое направление (это явление называется преломлением света).

В случае изменения угла падения пучка наблюдается изменение яркости отраженного и заломленого пучков: яркость одного увеличивается, а другого - уменьшается. За нормального падения пучка света на плоскую границу преломления нет. В соответствии с увеличением угла падения увеличивается и угол преломления.

Количественный закон, описывающий преломления света был установлен в 1621 году голландским ученым Снелліусом.

2. Закон преломления света

Рассмотрим падение света из среды 1 на границу раздела с прозрачной жидкостью 2 (например, из воздуха на поверхность воды). Если угол падения луча на границу раздела отличен от нуля, то после перехода в среду 2 направление луча меняется.

Углом преломления γ называется угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

В начале XVII в. был открыт закон преломления света:

Ø луч падающий, луч загнут и перпендикуляр к поверхности в точке падения луча лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:

Величина n называется относительным показателем преломления двух сред. Если среда 1 является вакуумом, то n называют абсолютным показателем преломления среды 2.

3. Принцип Гюйгенса и закон преломления света

Рассмотрим плоскую волну, которая падает на границу раздела MN двух сред.

Направление распространения волны зададим лучами A1A и B1B, параллельные друг другу и перпендикулярные к волновой поверхности AC.

Понятно, что сначала поверхности MN достигнет луч A1A. Луч B1B достигнет ее через время Δt = CB/1 , где 1 - скорость света в первой среде. В момент, когда вторичная волна в точке B только начнет возбуждаться, волна от точки A уже распространится в другой среде на расстояние AD = 2Δt, где 2 - скорость света во второй среде. Проведя плоскость BD, касательную ко всем вторичным волнам, получим волновую поверхность загнутой волны.

Рассмотрим прямоугольные треугольники ACB и ADB. В треугольнике ACB угол CAB равен углу падения а , следовательно, CB = ABsin. Учитывая то, что CB = 1Δt, находим AB:

Аналогично в треугольнике ADB угол ABD равен углу преломления γ, следовательно, AD = ABsinγ. Учитывая, что AD = 2Δt, находим AB:

Сравнивая выражения (1) и (2), находим:

4. Показатель преломления

Физическая величина n21 называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света 1 в первой среде больше скорости света 2 во второй среде: n21 = 1/2.

Именно изменение скорости распространения света в случае его перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления света.

Введем понятие оптической плотности среды: чем меньше скорость света в среде, тем больше ее оптическая плотность.

Физическую величину, которая определяет, во сколько раз скорость света в среде меньше, чем в вакууме, называют абсолютным показателем преломления среды.

Ø Абсолютный показатель преломления среды n - это физическая величина, характеризующая оптическую плотность среды и равна отношению скорости света c в вакууме к скорости света в среде:

Абсолютный показатель преломления зависит от физического состояния среды (температуры, плотности и др.) и от свойств световой волны (длины или частоты).

Необходимо обратить внимание: относительный показатель преломления равен n21 = n2/n1.

5. Полное отражение

Если падающий луч направленный из оптически более густого среды в оптически менее густое (например, из воды в воздух), то Это означает, что в этом случае угол преломления γ больше угла падения . При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча увеличивается, а интенсивность заломленого луча уменьшается. И за такого угла падения 0, когда загнутый луч должен был бы идти вдоль поверхности раздела двух сред, т.е. при γ = 90°, загнутый луч полностью исчезает.

Этот угол падения 0 называется предельным углом полного отражения, потому что если угол падения равен этому углу или больше него, луч света полностью отражается от границы раздела двух сред. Это явление называется полным отражением:

Ø явление отражения света от оптически менее густого среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего.

Таким образом, преломление не сможет происходить, если > 0, где - предельный угол полного отражения. Например, угол полного отражения для границы раздела вода-воздух равен 49°, для границы стекло-воздух этот угол равен 39°, а для границы алмаз-воздух 0 = 24°.

Явление полного отражения используется, например, в световодах во время передачи световых сигналов по тонких стеклянных нитях («волоконная оптика»). За счет многократного полного отражения свет может быть направлено любым (прямым или изогнутым) путем.

Волоконно-оптические устройства используют в медицине как эндоскопы - зонды, вводимые в различные внутренние органы для непосредственного визуального наблюдения.

В это время волоконная оптика вытесняет металлические проводники в системах передачи информации.

Полное отражение используют в призматических биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах, а также в светло-обертувачах (катафотах), обеспечивающие безопасную стоянку и движение автомобилей.

6. Преломление света в призме

Направим луч света на стеклянную призму, как показано на рисунке. Проходя сквозь призму, луч преломляется дважды. В результате он отклоняется к основанию призмы. Ниже показаны призмы полного отражения и ход световых лучей в них.

Такие призмы заменяют зеркала в перископах, позволяют перевернуть изображение в оптическом устройстве и др.

Преломление света в призме приводит к тем большего отклонения луча, чем больше угол между гранями призмы, на которых происходит преломление. Этот угол называют заломлювальним углом призмы.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что происходит с пучком света на границе раздела двух сред?

2. В любом случае относительный показатель преломления больше единицы? меньше единицы? Приведите примеры.

3. Приведите примеры наблюдение полного отражения света.

4. В какую сторону отклоняется луч света, проходя сквозь призму?

Второй уровень

1. Чем обусловлено преломления света на границе двух прозрачных сред?

2. Почему погруженный в воду карандаш кажется сломанным?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему глубина реки, определенная «на глаз», оказывается меньше истинной глубины?

2. Почему небольшие пузырьки воздуха в воде кажутся «серебристыми»?

3. Может ли произойти полное отражение света при переходе из воды в стекло?

2). Учимся решать задачи

1. Определите скорость света в алмазе; в воде; в льду.

2. В дно водоема глубиной 2,5 м устромлено столб так, что его верхняя часть возвышается над поверхностью воды на 1 м. Вычислите длину тени столба на дне водоема, если высота Солнца над горизонтом 30°.

3. Вычислите толщину d стеклянной плоско-параллельной пластинки, после прохождения которой световой луч смещается на расстояние l = 4 мм. Угол падения света на пластинку = 45°.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Закон преломления света: луч падающий, луч загнут и перпендикуляр к поверхности в точке падения луча лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления является величиной постоянной для двух сред:

• Абсолютный показатель преломления среды n - это физическая величина, характеризующая оптическую плотность среды и равна отношению скорости света c в вакууме к скорости света v в среде:

• Полное отражение: явление отражения света от оптически менее густого среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего.

Домашнее задание

1. Подр-1: § 40; подр-2: § 19 (п. 3, 4).

2. Сб.:

Рів1 № 13.18; 13.19; 13.20; 13.21.

Рів2 № 13.37; 13.38; 13.39; 13.40.

Рів3 № 13.68, 13.69; 13.70; 13.71.