Заломлення світла. Повне відбиття

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

5. Хвильова й квантова оптика

УРОК 4/62

Тема. Заломлення світла. Повне відбиття

Мета уроку: ознайомити учнів із законом заломлення світла.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	3 хв.	1. Закон прямолінійного поширення світла. 2. Закон відбиття світла. 3. Зображення предмета в плоскому дзеркалі.
Демонстрації	4 хв.	1. Заломлення світла. 2. Повне відбиття. 3. Заломлення світла в призмі.
Вивчення нового матеріалу	28 хв.	1. Явище заломлення світла. 2. Закон заломлення світла. 3. Принцип Гюйгенса й закон заломлення. 4. Показник заломлення. 5. Повне відбиття. 6. Заломлення світла в призмі.
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Явище заломлення світла

З дослідів випливає, що під час падіння вузького пучка світла на границю розділу двох середовищ пучок розділяється:

одна його частина повертається в перше середовище (і це явище називається відбиттям світла), а інша – проникає в друге середовище, змінивши свій напрямок (це явище називається заломленням світла).

У разі зміни кута падіння пучка спостерігається зміна яскравості відбитого й заломленого пучків: яскравість одного збільшується, а іншого – зменшується. За нормального падіння пучка світла на плоску границю заломлення немає. Відповідно до збільшення кута падіння збільшується й кут заломлення.

Кількісний закон, що описує заломлення світла, був установлений 1621 року голландським ученим Снелліусом.

2. Закон заломлення світла

Розглянемо падіння світла із середовища 1 на границю розділу із прозорим середовищем 2 (наприклад, із повітря на поверхню води). Якщо кут падіння променя на границю розділу відмінний від нуля, то після переходу в середовище 2 напрямок променя змінюється.

Кутом заломлення? називається кут між заломленим променем і перпендикуляром до границі розділу двох середовищ.

На початку XVII ст. було відкрито закон заломлення світла:

O промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння променя до синуса кута заломлення є величиною постійною для двох певних середовищ:

Величина n називається відносним показником заломлення двох певних середовищ. Якщо середовище 1 є вакуумом, то n називають абсолютним показником заломлення середовища 2.

3. Принцип Гюйгенса й закон заломлення світла

Розглянемо плоску хвилю, що падає на границю розділу MN двох середовищ.

Напрямок поширення хвилі задамо променями A1A і B1B, які паралельні один до одного й перпендикулярні до хвильової поверхні AC.

Зрозуміло, що спочатку поверхні MN досягне промінь A1A. Промінь B1B досягне її через час? t = CB/1 , де 1 – швидкість світла в першому середовищі. У момент, коли вторинна хвиля в точці B тільки почне збуджуватися, хвиля від точки A вже пошириться в іншому середовищі на відстань AD = 2?t, де 2 – швидкість світла в другому середовищі. Провівши площину BD, дотичну до всіх вторинних хвиль, одержимо хвильову поверхню заломленої хвилі.

Розглянемо прямокутні трикутники ACB і ADB. У трикутнику ACB кут CAB дорівнює куту падіння а, отже, CB = ABsin. З огляду на те, що CB = 1?t, знаходимо AB:

Аналогічно в трикутнику ADB кут ABD дорівнює куту заломлення?, отже, AD = ABsin?. З огляду на те, що AD = 2?t, знаходимо AB:

Порівнюючи вираження (1) і (2), знаходимо:

4. Показник заломлення

Фізична величина n21 називається відносним показником заломлення, або показником заломлення другого середовища відносно першого. Відносний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість світла 1 в першому середовищі більше швидкості світла 2 в другому середовищі: n21 = 1/2.

Саме зміна швидкості поширення світла у випадку його переходу з одного прозорого середовища в інше є причиною заломлення світла.

Уведемо поняття оптичної густини середовища: чим менше швидкість світла в середовищі, тим більша її оптична густина.

Фізичну величину, що визначає, у скільки разів швидкість світла в середовищі менше, ніж у вакуумі, називають абсолютним показником заломлення середовища.

O Абсолютний показник заломлення середовища n – це фізична величина, що характеризує оптичну густину середовища й дорівнює відношенню швидкості світла c у вакуумі до швидкості світла в середовищі:

Абсолютний показник заломлення залежить від фізичного стану середовища (температури, густини й ін.) і від властивостей світлової хвилі (довжини або частоти).

Необхідно звернути увагу: відносний показник заломлення дорівнює n21 = n2/n1.

5. Повне відбиття

Якщо падаючий промінь напрямлений з оптично більш густого середовища в оптично менш густе (наприклад, з води в повітря), то Це означає, що в цьому випадку кут заломлення? більше кута падіння . У разі збільшення кута падіння інтенсивність відбитого променя збільшується, а інтенсивність заломленого променя зменшується. І за такого кута падіння 0, коли заломлений промінь повинен був би йти уздовж поверхні розділу двох середовищ, тобто при? = 90°, заломлений промінь повністю зникає.

Цей кут падіння 0 називається граничним кутом повного відбиття, тому що якщо кут падіння дорівнює цьому куту або є більшим за нього, промінь світла повністю відбивається від границі розділу двох середовищ. Це явище називається повним відбиттям:

O явище відбиття світла від оптично менш густого середовища, за якого заломлення відсутнє, а інтенсивність відбитого світла практично дорівнює інтенсивності падаючого.

Таким чином, заломлення не зможе відбуватися, якщо > 0, де – граничний кут повного відбиття. Наприклад, кут повного відбиття для границі розділу вода-повітря дорівнює 49°, для границі скло-повітря цей кут дорівнює 39°, а для границі алмаз-повітря 0 = 24°.

Явище повного відбиття використовують, наприклад, у світловодах під час передання світлових сигналів по тонких скляних нитках (“волоконна оптика”). За рахунок багаторазового повного відбиття світло може бути напрямлено будь-яким (прямим або вигнутим) шляхом.

Волоконно-оптичні пристрої використовують у медицині як ендоскопи – зонди, що вводять у різні внутрішні органи для безпосереднього візуального спостереження.

У цей час волоконна оптика витісняє металеві провідники в системах передання інформації.

Повне відбиття використовують у призматичних біноклях, перископах, дзеркальних фотоапаратах, а також у світло-обертувачах (катафотах), що забезпечують безпечну стоянку й рух автомобілів.

6. Заломлення світла в призмі

Спрямуємо промінь світла на скляну призму, як показано на рисунку. Проходячи крізь призму, промінь заломлюється двічі. У результаті він відхиляється до основи призми. Нижче показані призми повного відбиття й хід світлових променів у них.

Такі призми замінюють дзеркала в перископах, дозволяють перевернути зображення в оптичному пристрої й т. ін.

Заломлення світла в призмі призводить до тим більшого відхилення променя, що більший кут між гранями призми, на яких відбувається заломлення. Цей кут називають заломлювальним кутом призми.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Що відбувається з пучком світла на границі розділу двох середовищ?

2. У якому випадку відносний показник заломлення більше від одиниці? менше від одиниці? Наведіть приклади.

3. Наведіть приклади спостереження повного відбиття світла.

4. У яку сторону відхиляється промінь світла, проходячи крізь призму?

Другий рівень

1. Чим обумовлено заломлення світла на границі двох прозорих середовищ?

2. Чому занурений у воду олівець здається зламаним?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому глибина ріки, визначена “на око”, виявляється меншою від справжньої глибини?

2. Чому невеликі пухирці повітря у воді здаються “сріблястими”?

3. Чи може відбутися повне відбиття світла у разі переходу з води у скло?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Визначте швидкість світла в алмазі; у воді; у льоді.

2. У дно водойми глибиною 2,5 м устромлено стовп так, що його верхня частина вивищується над поверхнею води на 1 м. Обчисліть довжину тіні стовпа на дні водойми, якщо висота Сонця над горизонтом 30°.

3. Обчисліть товщину d скляної плоско-паралельної пластинки, після проходження якої світловий промінь зміщується на відстань l = 4 мм. Кут падіння світла на пластинку = 45°.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Закон заломлення світла: промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння променя до синуса кута заломлення є величиною сталою для двох певних середовищ:

– Абсолютний показник заломлення середовища n – це фізична величина, що характеризує оптичну густину середовища й дорівнює відношенню швидкості світла c у вакуумі до швидкості світла v в середовищі:

– Повне відбиття: явище відбиття світла від оптично менш густого середовища, за якого заломлення відсутнє, а інтенсивність відбитого світла практично дорівнює інтенсивності падаючого.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 40; підр-2: § 19 (п. 3, 4).

2. Зб.:

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.