Что такое явление полного внутреннего отражения
Перейти к содержимому

Что такое явление полного внутреннего отражения

  • автор:

Что такое явление полного внутреннего отражения

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы основной и средней школы (базового уровня).

Модель представляет собой анимированную демонстрацию явления полного отражения. Рассматривается система вода–вакуум. Прорисовывается ход лучей, идущих под разными углами от источника света, расположенного в воде.

Краткая теория

Закон преломления света : падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

Постоянную величину называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления . При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из воды в воздух) можно наблюдать явление полного отражения , то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного отражения света (см. рис. 1).

Для угла падения ; значение . Если второй средой является вакуум (), то формулу удобно переписать в виде:

где – абсолютный показатель преломления первой среды.
Работа с моделью

Кнопка Старт/Стоп позволяет начать или поставить на паузу эксперимент, кнопка Сброс – начать новый эксперимент.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 11 классе по теме «Явление полного отражения света». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися условие полного отражения света.

Пример планирования урока с использованием модели
Тема «Явление полного отражения света»

Цель урока: рассмотреть явление полного отражения света, определить, при каком условии это явление возможно.


п/п
Этапы урока Время,
мин
Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Проверка домашнего задания по теме «Закон преломления света» 10 Индивидуальный опрос
3 Объяснение нового материала по теме «Явление полного внутреннего отражения» 20 Объяснение нового материала с использованием модели «Полное внутреннее отражение»
4 Решение задач по теме «Полное внутреннее отражение» 10 Решение задач на доске
5 Объяснение домашнего задания 3

Примеры вопросов и заданий

  • Показатели преломления воды, стекла и алмаза относительно воздуха равны 1,33, 1,5, 2,42 соответственно. В каком из этих веществ предельный угол полного отражения имеет минимальное значение?
  • Оптические волоконные световоды иногда выполняют в виде жгута из тонких длинных нитей из прозрачного материала. Предполагая показатель преломления равным , определите, под каким максимальным углом к оси световода может падать световой луч на торец, чтобы он мог пройти световод без ослабления.
  • Какое выражение определяет предельный угол полного отражения для луча света, идущего из среды с абсолютным показателем преломления 1 в среду с абсолютным показателем преломления 2?

Что такое явление полного внутреннего отражения

3.6.5.1. Предельный угол полного внутреннего отражения

Рейтинг: 0

Явление полного отражения

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления n1 (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n2 (оптически менее плотной, n1 > n2), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 1.1.10, а).

С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 1.1.10, б, в) до тех пор, пока при некотором угле падения (α = αпр) угол преломления не окажется равным π/2.

Угол αпр называется предельным углом. При углах падения α > αпр весь падающий свет полностью отражается (рис. 1.1.10, г):

  • По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.
  • Если α = αпр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 1.1.10, г).
  • Таким образом, при углах падения в пределах от αпр доπ/2луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы.Это явление называется полным отражением.

Предельный угол αпр определяется из формулы

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (рис. 1.1.11).

Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух αпр = arcsin (1/1,5) = 42°.

При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.

На рис. 1.1.11 показаны призмы полного отражения, позволяющие:

а) повернуть луч на 90°;

б) перевернуть изображение;

в) обернуть лучи.

Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например: в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя αпр, определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).

Явление полного отражения используется также в световодах, представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала (рис. 1.1.12).

Современные оптические волокна имеют разные модификации и бывают одномодовыми и многомодовыми. В волоконных деталях применяют стекловолокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углом больше предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.

Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой пропускной способности. Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон, тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.

Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в ЭВМ, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.

3. Закон преломления света. Полное внутреннее отражение

В \(1621\) году голландский математик Виллеброрд Снеллиус опытным путём открыл и сформулировал закон преломления света. Он отметил, что при изменении угла падения угол преломления изменяется так, что постоянным остаётся соотношение синусов этих углов.

Закон преломления света (закон Снеллиуса)

  1. Падающий и преломлённый лучи и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
  2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, равная относительному показателю преломления:

sin α sin β = n 2 n 1 = n 21 .
Явление полного внутреннего отражения

Рассмотрим луч света, который переходит из среды с большим показателем преломления в вещество с меньшим абсолютным показателем преломления (например, из воды в воздух).

Рис. 1 . Схема полного внутреннего отражения

В этом случае угол преломления луча больше, чем угол падения. Если увеличивать угол падения, то при некотором предельном угле α пр угол преломления становится равным \(90\)°. При дальнейшем увеличении угла падения луч полностью отражается от границы раздела и не переходит в другую среду. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения (рис. 1).

Запишем закон преломления света для α пр :
sin α пр sin 90 = n 21 , то
sin α пр = n 21 .
Обрати внимание!

Явление полного внутреннего отражения наблюдается только при переходе светового луча из среды с большим абсолютным показателем преломления в среду с меньшим абсолютным показателем преломления вещества, а также при угле падения большем или равным углу α пр .

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния. Использование обычного зеркального отражения не дает желаемого результата, так как даже зеркало самого высокого качества (посеребрённое) поглощает часть световой энергии. И при многократном отражении энергия света стремится к нулю.

Рис. 2 . Изображение хода луча в световоде
\(1\) — защитная оболочка
\(2\) — оболочка (с меньшим показателем преломления)
\(3\) — сердцевина (с большим показателем преломления)

Оптическое волокно состоит из внутренней сердцевины, окружающей ее оболочки и дополнительного защитного покрытия (защитной оболочки) (рис. 2 ). Сердцевина — светопередающая часть волокна из стекла или пластика. Чем больше диаметр сердцевины, тем большее количество света может быть передано по волокну. Оболочка обеспечивает переотражение света в сердцевину волокна таким образом, чтобы световые волны распространялись только по сердцевине волокна. При входе в световод падающий луч направляется под углом больше предельного, что обеспечивает отражение луча без потери энергии. Волоконные световоды с успехом применяют в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения тех или иных участков внутренних органов. Использование световодов позволяет исследовать внутренние органы без введения лампочки, то есть исключая возможность перегрева.

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ (ПВО), от­ра­же­ние элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (в ча­ст­но­сти, све­та) при его па­де­нии на гра­ни­цу двух про­зрач­ных од­но­род­ных сред из сре­ды 1 с бо́льшим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_1$ на сре­ду 2 с мень­шим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_2$ . Этот эф­фект как осо­бый слу­чай пре­лом­ле­ния был от­ме­чен в лу­че­вой оп­ти­ке ещё до воз­ник­но­ве­ния элек­тро­маг­нит­ной тео­рии све­та. При та­ком па­де­нии на пло­скую сре­ду под уг­лом $γ$ угол пре­лом­ле­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и ко­гда он ста­но­вит­ся рав­ным $90°$ , пре­лом­ле­ние во вто­рую сре­ду пре­кра­ща­ет­ся, а об­рат­ное от­ра­же­ние в пер­вую сре­ду ста­но­вит­ся пол­ным. Это про­ис­хо­дит при т. н. кри­тич. уг­ле па­де­ния $γ_$ , оп­ре­де­ляе­мом из со­от­но­ше­ния $\sin γ_=n_2/n_1$ . ПВО со­храня­ет­ся и при $γ\gt γ_$ . При от­ра­же­нии лу­чей, про­хо­дя­щих из стек­ла ( $n_1=1,42$ ) в воз­дух ( $n_2=1$ ), $γ_≈44°$ .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *