Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 11 класс>> Полное отражение

                                                             § 62     ПОЛНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например из воздуха в стекло или воду, ₁ > ₂ и, следовательно, согласно закону преломления (см. формулу (8.4)) показатель преломлениия n.1. Поэтому > (рис. 8.10): в результате преломления луч приближается к нормали к границе раздела сред.



Если же направить луч света в обратном направлении — из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль ранее преломленного луча (рис. 8.11), то закон преломления можно записать так:



Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды будет направлен по линии ранее падавшего луча, поэтому < , т. е. преломленный луч отклоняется на сей раз от нормали. По мере увеличения угла а угол преломления также увеличивается, оставаясь все время больше угла . Наконец, при некотором угле падения значение угла преломления приблизится к 90°, и преломленный луч будет направлен почти по границе раздела двух сред (рис. 8.12). Наибольшему возможному углу преломления = 90° соответствует угол падения ₀.

При > _o преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.



Для наблюдения полного отражения света можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 8.13). Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, а преломление — в соответствии с законом преломления (см. формулу (8.4)).

Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка усиливается, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90°. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела двух сред (см. рис. 8.12), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, увеличив угол падения до ₀. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела двух сред, т. е. происходит полное отражение света.

Угол падения ₀., соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного отражения. При sin =1 формула (8.8) принимает вид



Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения ₀. Для воды (n = 1,33) оно равно 48°35', для стекла (n = 1,5) принимает значение 41°51', а для алмаза (n = 2,42) составляет 24°40'. Во всех случаях второй средой является воздух.

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан воду и поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды, если рассматривать ее снизу сквозь стенку, кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.

Явление полного отрансения света используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон — свето водов. Световод представляет собой стеклянное воло1смо цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления.

За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 8.14). Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения (рис. 8.15). Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.

Согласно формуле (7.6) энергия, переносимая волной, а следовательно, и передаваемый объем информации пропорциональны четвертой степени частоты. Частота же световых волн в 10⁵—10⁶ раз больше частоты радиоволн. Таким образом, с помощью световых волн можно передавать большой объем информации.



В последнее время волоконная оптика широко используется для быстрой передачи компьютерных сигналов. По волоконному кабелю передается модулированное лазерное излучение.

Полное отражение света показывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространения света заключены в законе преломления. Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации.

1.    Чему равен предельный угол полного отражения на границе раздела сред алмаз — воздух!
2.    Как называется телевизионная связь, которая основана на явлении полного отражения!

                                                       ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
 
1. Плоское зеркало повернули на угол = 17° вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала. На какой угол повернется отраженный от зеркала луч, если направление падающего луча осталось неизменным?

Решение. Пусть — первоначальный угол падения луча (рис. 8.16). По закону отражения угол отражения также равен , и, следовательно, угол между падающим лучом и отраженным лучом равен 2. При повороте зеркала на угол а перпендикуляр / к зеркалу, восставленный в точке падения, также повернется на угол и займет положение //. Значит, новый угол падения будет равен + . Таким же будет и новый угол отражения.


 
Поэтому угол, на который повернется отраженный луч 

= ( + ) + - = 2 = 34° (см. рис. 8.16).

2.    Определите, на какой угол отклоняется световой луч от своего первоначального направления при переходе из воздуха в воду, если угол падения = 75°.

Решение. Из рисунка 8.17 видно, что = - . Согласно закону преломления

3.    Начертите ход лучей сквозь треугольную стеклянную призму, основанием которой является равнобедренный прямоугольный треугольник. Лучи падают на широкую грань перпендикулярно этой грани. Показатель преломления стекла равен 1,5.

Решение. Проходя через широкую грань, лучи не изменяют своего направления, так как угол падения равен нулю (рис. 8.18). На узкой грани АВ лучи полностью отражаются, так как угол падения равен 45° и, следовательно, больше предельного угла полного отражения для стекла, равного 42°. После полного отражения от левой грани лучи падают на правую грань, снова полностью отражаются и выходят из призмы по направлению, перпендикулярному широкой грани. Таким образом, направление пучка света изменяется на 180°. Такой ход лучей используется, например, в призматических биноклях.

4.    Определите, во сколько раз истинная глубина водоема больше кажущейся, если смотреть по вертикали вниз.
 



 
Решение. Построим ход лучей, вышедших из точки S на дне водоема и попавших в глаз наблюдателя (рис. 8.19). Так как наблюдение ведется по вертикали, один из лучей SA направим перпендикулярно поверхности воды, другой SB — под малым углом к перпендикуляру, восставленному в точке В (при больших углах лучи не попадут в глаз). Точка S₁ пересечения луча SA и продолжения преломленного луча SB — мнимое изображение точки S.

Угол ASB равен углу падения (внутренние накрест лежащие углы), а угол AS₁B равен углу преломления (соответственные углы при параллельных прямых). Прямоугольные треугольники ASB и AS₁B имеют общий катет АВ, который можно выразить через истинную глубину водоема SA = Н и через кажущуюся глубину S₁A = h:


 
Истинная  глубина   водоема   больше   кажущейся   в n = 1,3 раза.
 

                                                                   УПРАЖНЕНИЕ 8

1. «Комната, в которую вступил Иван Иванович, была совершенно темна, потому что ставни были закрыты, и солнечный луч, проходя в дыру, сделанную в ставне, принял радужный цвет и, ударяясь в противоположную стену, рисовал на ней пестрый ландшафт из крыш деревьев и развешанного на дворе платья, все только в поращенном виде» (Н. В. Гоголь. «Повесть о том, как поссорился Иван Иванович с Иваном Никифоровичем»). Объясните это явление.

2.    Почему тень ног человека на земле от фонаря резко очерчена, а тень головы более расплывчата?

3.    На рисунке 8.20 представлена схема опыта Майкельсона по определению скорости света. С какой частотой должна вращаться восьмиугольная зеркальная призма, чтобы источник был виден в зрительную трубу, если световой луч проходит расстояние, примерно равное 71 км?

4.    Небольшой предмет расположен между двумя плоскими зеркалами, образующими угол = 30°. Предмет находится на расстоянии l = 10 см от линии пересечения зеркал и на одинаковом расстоянии от обоих зеркал. Определите расстояние между мнимыми изображениями этого предмета в зеркалах.

5.    Луч от точечного источника S падает на плоское зеркало в точке А и, отражаясь, проходит через точку В (рис. 8.21). Докажите, что если бы луч от того же источника прошел через точку В, отразившись от зеркала в точке D, соседней с точкой А, то:

1)    не был бы выполнен закон отражения;
2)    путь SDB был бы пройден светом за большее время, чем путь SAB.

6.    Какой высоты должно быть плоское зеркало, висящее вертикально, чтобы человек, рост которого Н, видел себя в нем во весь рост?

7.    Вычислите показатель преломления воды относительно алмаза и сероуглерода относительно льда.

8.    Сечение призмы представляет собой равносторонний треугольник. Луч проходит сквозь призму, преломляясь в точках, равноотстоящих от вершины (рис. 8.22). Чему равно наибольшее допустимое значение показателя преломления вещества призмы?
 

 
9. Изобразите ход лучей через треугольную стеклянную призму, основанием которой является равнобедренный прямоугольный треугольник. Лучи падают на призму, как показано на рисунке 8.23, а, б. Останется ли ход лучей таким же, если призму погрузить в воду?

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений : базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 17-е изд., перераб. и доп. — М. : Просвещение, 2008. — 399 с : ил.

_{Школьная библиотека онлайн, учебники и книги по всему предметам, Физика и астрономия 11 класс скачать}

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.