Elektromagnetlainete levimine erinevates meediumites järgib peegelduse ja murdumise seadusi. Nendest seadustest tuleneb teatud tingimustel üks huvitav efekt, mida füüsikas nimetatakse valguse täielikuks sisepeegelduseks. Vaatame lähemalt, mis see mõju on.
Peegeldus ja murdumine
Enne otse valguse sisemise täieliku peegelduse käsitlemist on vaja selgitada peegeldumis- ja murdumisprotsesse.
Peegelduse all mõistetakse valguskiire liikumissuuna muutumist samas keskkonnas, kui see puutub kokku liidesega. Näiteks kui suunate laserkursorilt peeglile, saate jälgida kirjeldatud efekti.
Murdumine on sarnaselt peegeldusega valguse liikumise suuna muutumine, kuid mitte esimeses, vaid teises keskkonnas. Selle nähtuse tagajärjeks on objektide piirjoonte ja nende ruumilise paigutuse moonutamine. Tavaline murdumise näide on pliiatsi või pliiatsi purunemine, kui ta asetatakse veeklaasi.
Refraktsioon ja peegeldus on omavahel seotud. Need on peaaegu alati koos: osa kiire energiast peegeldub ja teine osa murdub.
Mõlemad nähtused on Fermat’ printsiibi rakendamise tulemus. Ta väidab, et valgus liigub mööda trajektoori kahe punkti vahel, mis võtab tal kõige vähem aega.
Kuna peegeldus on efekt, mis tekib ühes keskkonnas ja murdumine toimub kahes keskkonnas, siis on viimase puhul oluline, et mõlemad kandjad oleksid elektromagnetlainetele läbipaistvad.
Murdumisnäitaja mõiste
Murdumisnäitaja on vaadeldavate nähtuste matemaatilise kirjeldamise jaoks oluline suurus. Konkreetse keskkonna murdumisnäitaja määratakse järgmiselt:
Kus c ja v on vastavalt valguse kiirused vaakumis ja aines. V väärtus on alati väiksem kui c, seega on eksponent n suurem kui üks. Mõõtmeteta koefitsient n näitab, kui palju valgust aines (keskkonnas) jääb vaakumis valgusest maha. Nende kiiruste erinevus viib murdumisnähtuse ilmnemiseni.
Valguse kiirus aines korreleerub viimase tihedusega. Mida tihedam on keskkond, seda raskem on valgusel selles liikuda. Näiteks õhu puhul n = 1,00029, st peaaegu nagu vaakumi puhul, vee puhul n = 1,333.
Peegeldused, murdumine ja nende seadused
Ilmekas näide täieliku peegelduse tulemusest on teemandi läikivad pinnad. Teemandi murdumisnäitaja on 2,43, nii et paljud kalliskivisse sattunud valguskiired peegelduvad enne sellelt lahkumist mitu korda.
Teemandi kriitilise nurga θc määramise probleem
Vaatleme lihtsat ülesannet, kus näitame, kuidas ülaltoodud valemeid kasutada. Tuleb välja arvutada, kui palju muutub kogu peegelduse kriitiline nurk, kui teemant asetada õhust vette.
Olles tabelist otsinud näidatud kandja murdumisnäitajate väärtusi, kirjutame need välja:
- õhu jaoks: n 1 = 1,00029;
- vee jaoks: n 2 = 1,333;
- teemandi puhul: n 3 = 2,43.
Teemant-õhk paari kriitiline nurk on:
θ c1 \u003d arcsin (n 1 / n 3) \u003d arcsin (1,00029 / 2,43) ≈ 24,31 o.
Nagu näete, on selle kandjapaari kriitiline nurk üsna väike, see tähendab, et teemanti võivad õhku jätta ainult need kiired, mis on normaalsele lähemal kui 24,31 o .
Vees oleva teemandi puhul saame:
θ c2 \u003d arcsin (n 2 / n 3) \u003d arcsin (1,333 / 2,43) ≈ 33,27 o.
Kriitilise nurga suurenemine oli:
Δθ c \u003d θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o \u003d 8,96 o.
Valguse täieliku peegelduse kriitilise nurga väike tõus teemandis viib selleni, et see sätendab vees peaaegu samamoodi kui õhus.
kasutatakse niinimetatud fiiberoptikas. Fiiberoptika on optika haru, mis tegeleb valguskiirguse edastamisega läbi fiiberoptiliste valgusjuhtide. Kiudoptilised valgusjuhid on üksikute läbipaistvate kiudude süsteem, mis on kokku pandud kimpudeks (kimpudeks). Valgus, mis satub läbipaistva kiu sisse, mida ümbritseb madalama murdumisnäitajaga aine, peegeldub mitu korda ja levib piki kiudu (vt joonis 5.3).
1) Meditsiinis ja veterinaardiagnostikas kasutatakse valgusjuhte peamiselt sisemiste õõnsuste valgustamiseks ja kujutiste edastamiseks.
Üks näide fiiberoptika kasutamisest meditsiinis on endoskoop- spetsiaalne seade sisemiste õõnsuste (mao, pärasoole jne) uurimiseks. Üks selliste seadmete sortidest on kiud gastroskoop. Selle abiga saate mitte ainult visuaalselt uurida magu, vaid teha ka diagnoosimiseks vajalikke pilte.
2) Valgusjuhiste abil edastatakse laserkiirgust ka siseorganitesse kasvajate ravimise eesmärgil.
3) Fiiberoptika on leidnud laialdast rakendust tehnoloogias. Seoses infosüsteemide kiire arenguga viimastel aastatel on tekkinud vajadus kvaliteetse ja kiire teabeedastuse järele sidekanalite kaudu. Sel eesmärgil kasutatakse signaali edastamist mööda kiudoptiliste valgusjuhtide kaudu levivat laserkiirt.
VALGUSE LINEOMADUSED
HÄIRED SVETA.
Sekkumine- valguse lainelise olemuse üks eredamaid ilminguid. Seda huvitavat ja ilusat nähtust täheldatakse teatud tingimustel, kui kaks või enam valgusvihku asetatakse üksteise peale. Häirimisnähtustega kohtame üsna sageli: õliplekkide värvid asfaldil, külmetavate aknaklaaside värvus, veidrad värvimustrid mõne liblika ja mardika tiibadel – kõik see on valguse interferentsi ilming.
VALGUSE HÄIRED- kahe või enama ruumi lisamine sidus valguslaineid, mille erinevates punktides see ilmneb amplituudi võimendamine või nõrgenemine tekkiv laine.
Sidusus.
sidusus nimetatakse mitmete võnke- või laineprotsesside koordineeritud vooluks ajas ja ruumis, s.t. sama sageduse ja ajakonstantse faasierinevusega lained.
Monokromaatilised lained (ühe lainepikkusega lained ) - on ühtsed.
Sest tõelised allikadärge andke rangelt monokromaatilist valgust, siis laineid, mida kiirgavad mis tahes sõltumatud valgusallikad alati ebaühtlane. Allikas kiirgavad valgust aatomid, millest igaüks kiirgab valgust ainult ≈ 10 -8 s. Ainult sel ajal on aatomi poolt kiiratud lainetel püsiv amplituud ja võnkefaas. Aga olge sidus laineid saab jagada, jagades ühe allika kiirgava valguskiire 2 valguslaineks ja pärast erinevate radade läbimist need uuesti ühendada. Seejärel määratakse faasierinevus lainetee erinevusega: at konstantne käiguvahe faaside erinevus tahe ka konstantne .
SEISUKORD HÄIRED MAKSIMUM :
Kui a optilise tee erinevus ∆ vaakumis on paarisarv poollaineid või (lainepikkuste täisarv)
(4.5)
siis tekivad punktis M ergastatud võnked samas faasis.
SEISUKORD MINIMAALNE HÄIRESTUS.
Kui a optilise tee erinevus ∆ on võrdne paaritu arv poollaineid
(4.6)
siis 
ja tekivad punktis M ergastatud võnked faasist väljas.
Tüüpiline ja levinud näide valgushäiretest on seebikile
Häirete rakendamine - optikakate: osa läätse läbivast valgusest peegeldub (keerulistes optilistes süsteemides kuni 50%). Peegeldusvastase meetodi olemus seisneb selles, et optiliste süsteemide pinnad on kaetud õhukeste kiledega, mis tekitavad interferentsi nähtusi. Kile paksus d=l/4 langevast valgusest, siis on peegeldunud valgusel teeerinevus , mis vastab minimaalsele interferentsile
VALGUSE DIFRAKTSIOON
Difraktsioon helistas laine painutamine ümber takistuste, teel või laiemas tähenduses - mis tahes laine levimise kõrvalekalle takistuste lähedal sirgjoonelisest.
Difraktsiooni jälgimise võimalus sõltub valguse lainepikkuse ja takistuste suuruse suhtest (ebahomogeensused)
Difraktsioon Fraunhofer difraktsioonvõre peal.
Ühemõõtmeline difraktsioonvõre - võrdse laiusega paralleelsete pilude süsteem, mis asuvad samas tasapinnas ja on eraldatud võrdse laiusega läbipaistmatute piludega.
Üldine difraktsioonimuster on kõigist piludest tulevate lainete vastastikuse interferentsi tulemus - difraktsioonvõres tekivad kõikidest piludest tulevate koherentsete hajutatud valguskiirte mitmekiire interferents.
Kui a a - laius iga pragu (MN); b - läbipaistmatute alade laius pragude vahel (NC), siis väärtus d = a+ b helistas difraktsioonvõre konstant (periood)..
kus N 0 on pilude arv pikkuseühiku kohta.
Talade (1-2) ja (3-4) teevahe ∆ on võrdne СF
1. .MINIMAALNE SEISUKORD Kui teevahe CF = (2n+1)l/2- on võrdne paaritu arvu poollainepikkustega, siis kiirte 1-2 ja 3-4 võnkumised mööduvad antifaasis ja need tühistavad üksteist valgustus:
n = 1,2,3,4 … (4.8)
Juhtisime §-s 81 välja, et kui valgus langeb kahe kandja vahelisele liidesele, jaguneb valgusenergia kaheks osaks: üks osa peegeldub, teine osa tungib läbi liidese teise keskkonda. Kasutades näidet valguse üleminekust õhust klaasile, st optiliselt vähem tihedalt keskkonnalt optiliselt tihedamale keskkonnale, oleme näinud, et peegeldunud energia osa sõltub langemisnurgast. Sellisel juhul suureneb peegeldunud energia osa langemisnurga suurenedes tugevalt; aga isegi väga suurte langemisnurkade korral, lähedal, kui valguskiir peaaegu libiseb piki liidest, läheb osa valgusenergiast siiski teise keskkonda (vt §81, tabelid 4 ja 5).
Huvitav uus nähtus tekib siis, kui keskkonnas leviv valgus langeb selle keskkonna ja optiliselt vähemtiheda, st madalama absoluutse murdumisnäitajaga keskkonna vahel. Ka siin peegeldunud energia osakaal langemisnurga suurenedes suureneb, kuid suurenemine toimub erineva seaduse järgi: alates teatud langemisnurgast peegeldub kogu valgusenergia liideselt. Seda nähtust nimetatakse täielikuks sisepeegelduseks.
Mõelge uuesti, nagu punktis 81, valguse langemist klaasi ja õhu vahelisele liidesele. Laske valguskiirel langeda klaasilt liidesele erinevate langemisnurkade all (joonis 186). Kui mõõdame peegeldunud valgusenergia osa ja liidest läbinud valgusenergia osa, saame tabelis toodud väärtused. 7 (klaasi, nagu tabelis 4, murdumisnäitaja oli ).
Riis. 186. Täielik sisepeegeldus: kiirte paksus vastab valgusenergia osale, mis on tühjenenud või liidest läbinud.
Langemisnurka, millest alates kogu valgusenergia liideselt peegeldub, nimetatakse sisemise täieliku peegelduse piirnurgaks. Klaas, mille jaoks tabel. 7 (), on piirnurk ligikaudu .
Tabel 7. Peegeldunud energia osad erinevate langemisnurkade korral, kui valgus läheb klaasist õhku
|
Langemisnurk |
|||||||||||||
|
Murdumisnurk |
|||||||||||||
|
peegeldunud energia osakaal (%) |
Pange tähele, et kui valgus langeb liidesele piirava nurga all, on murdumisnurk , st valemis, mis väljendab selle juhtumi murdumisseadust,
kui peame panema või . Siit leiame
Langemisnurkade korral suurt murdunud kiirt ei eksisteeri. Formaalselt tuleneb see asjaolust, et murdumisseadusest suuremate langemisnurkade korral saadakse väärtused, mis on suuremad kui ühtsus, mis on ilmselgelt võimatu.
Tabelis. 8 on näidatud teatud ainete täieliku sisepeegelduse piirnurgad, mille murdumisnäitajad on toodud tabelis. 6. Seose (84.1) kehtivust on lihtne kontrollida.
Tabel 8. Sisemise täieliku peegelduse piirnurk õhu piiril
|
Aine süsinikdisulfiid |
Klaas (raske tulekivi) |
||
|
Glütserool |
Vees olevate õhumullide piiril võib täheldada täielikku sisepeegeldust. Nad säravad, kuna neile langev päikesevalgus peegeldub täielikult, ilma mullikeste läbimata. See on eriti märgatav nende õhumullide puhul, mis on alati olemas veealuste taimede vartel ja lehtedel ning mis päikese käes tunduvad olevat hõbedast ehk siis väga hästi valgust peegeldavast materjalist.
Täielik sisepeegeldus leiab rakendust klaasist pöörlevate ja ümberpööratavate prismade seadmes, mille töö on selge jooniselt fig. 187. Prisma piirnurk sõltub antud klaasiliigi murdumisnäitajast; seetõttu ei teki selliste prismade kasutamisel raskusi valguskiirte sisenemis- ja väljumisnurkade valikul. Pööratavad prismad täidavad edukalt peeglite funktsioone ja on kasulikud selle poolest, et nende peegeldavad omadused jäävad muutumatuks, samas kui metallist peeglid tuhmuvad aja jooksul metalli oksüdeerumise tõttu. Tuleb märkida, et pöördprisma on samaväärse pöörleva peeglisüsteemi konstruktsiooni poolest lihtsam. Pöördprismasid kasutatakse eelkõige periskoopides.
Riis. 187. Kiirte teekond klaasist pöörlevas prismas (a), mähkimisprismas (b) ja kumeras plasttorus - valgusjuhis (c)
Teatud valguse langemisnurga all $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, mida nimetatakse piirav nurk, murdumisnurk on võrdne $\frac(\pi )(2),\ $sel juhul libiseb murdunud kiir piki kandjate vahelist liidest, mistõttu murdunud kiirt ei ole. Seejärel võime murdumisseadusest kirjutada, et:
Pilt 1.
Täieliku peegelduse korral on võrrand järgmine:
ei oma lahendust murdumisnurga tegelike väärtuste piirkonnas ($(\alpha )_(pr)$). Sel juhul on $cos((\alpha )_(pr))$ puhtalt kujuteldav. Kui pöördume Fresneli valemite poole, on mugav neid esitada järgmisel kujul:
kus langemisnurk on tähistatud $\alpha $-ga (lühidalt), $n$ on valguse levimiskeskkonna murdumisnäitaja.
Fresneli valemid näitavad, et moodulid $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left |E_(otr//)\right|$, mis tähendab, et peegeldus on "täis".
Märkus 1
Tuleb märkida, et ebahomogeenne laine ei kao teises keskkonnas. Seega, kui $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ tähtedeta. Kuna Fresneli valemid kehtivad monokromaatilise välja, st püsiva protsessi jaoks. Sel juhul nõuab energia jäävuse seadus, et keskmine energia muutus perioodi jooksul teises keskkonnas oleks võrdne nulliga. Laine ja vastav osa energiast tungivad läbi liidese teise keskkonda lainepikkuse suurusjärgus madalale sügavusele ja liiguvad selles paralleelselt liidesega faasikiirusega, mis on väiksem kui laine faasikiirus teine meedium. See naaseb esimesse keskkonda punktis, mis on sisendpunktist nihkes.
Katses saab jälgida laine tungimist teise keskkonda. Valguslaine intensiivsus teises keskkonnas on märgatav ainult lainepikkusest väiksematel vahemaadel. Liidese lähedal, millele valguslaine langeb, mis kogeb täielikku peegeldust, teise keskkonna küljel on õhukese kihi kuma näha, kui teises keskkonnas on fluorestseeruv aine.
Täielik peegeldus põhjustab miraažide tekkimist, kui maa pind on kõrgel temperatuuril. Seega jätab pilvedest tulev valguse täielik peegeldus mulje, nagu oleks soojenenud asfaldi pinnal lombid.
Tavapeegelduse korral on seosed $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ ja $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ alati reaalsed . Täieliku peegelduse korral on need keerulised. See tähendab, et sel juhul kannatab laine faas hüppeliselt, samas kui see erineb nullist või $\pi $. Kui laine on langemistasandiga risti polariseeritud, võime kirjutada:
kus $(\delta )_(\bot )$ on soovitud faasihüpe. Võrdsustades tegeliku ja kujuteldava osa, saame:
Avaldistest (5) saame:
Sellest lähtuvalt võib langemistasandil polariseeritud laine puhul saada:
Faasihüpped $(\delta )_(//)$ ja $(\delta )_(\bot )$ ei ole samad. Peegeldunud laine on elliptiliselt polariseeritud.
Täieliku peegelduse rakendamine
Oletame, et kaks identset keskkonda on eraldatud õhukese õhuvahega. Valguslaine langeb sellele piirist suurema nurga all. Võib juhtuda, et see tungib ebahomogeense lainena õhuvahesse. Kui vahe paksus on väike, jõuab see laine aine teise piirini ja see ei nõrgene väga. Õhupilust ainesse üle läinud laine muutub uuesti homogeenseks. Sellise katse viis läbi Newton. Teadlane surus teise prisma, mis oli sfääriliselt poleeritud, ristkülikukujulise prisma hüpotenuusi esiküljele. Sel juhul läks valgus teise prisma mitte ainult nende kokkupuutekohast, vaid ka väikese rõngana kontakti ümber, kohas, kus vahe paksus on võrreldav lainepikkusega. Kui vaatlused tehti valges valguses, siis rõnga serv oli punakat värvi. Nii see peabki olema, kuna läbitungimissügavus on võrdeline lainepikkusega (punaste kiirte puhul on see suurem kui siniste kiirte puhul). Vahe paksuse muutmisega on võimalik muuta läbiva valguse intensiivsust. See nähtus pani aluse kergele telefonile, mille patenteeris Zeiss. Selles seadmes toimib läbipaistev membraan ühe kandjana, mis võngub sellele langeva heli mõjul. Õhupilu läbiv valgus muudab ajas intensiivsust koos heli tugevuse muutumisega. Fotosilmale sattudes tekitab see vahelduvvoolu, mis muutub vastavalt heli tugevuse muutumisele. Saadud voolu võimendatakse ja kasutatakse edasi.
Lainete läbitungimise nähtused läbi õhukeste pilude ei ole optikale omased. See on võimalik mis tahes laadi laine puhul, kui faasikiirus vahes on suurem kui faasikiirus keskkonnas. Sellel nähtusel on suur tähtsus tuuma- ja aatomifüüsikas.
Täieliku sisemise peegelduse nähtust kasutatakse valguse levimise suuna muutmiseks. Sel eesmärgil kasutatakse prismasid.
Näide 1
Harjutus: Tooge näide totaalse peegelduse nähtusest, mida sageli kohtab.
Lahendus:
Sellise näite võib tuua. Kui maanteel on väga palav, siis on õhutemperatuur maksimaalne asfaldipinna lähedal ja väheneb teest kauguse suurenedes. See tähendab, et õhu murdumisnäitaja on pinnal minimaalne ja suureneb kauguse suurenedes. Selle tulemusena peegelduvad kiirte pinna suhtes väikese nurga all olevad kiired täielikku peegeldust. Kui tähelepanu koondada, võib autoga sõites sobival lõigul maanteel näha üsna kaugel ees tagurpidi sõitvat autot.
Näide 2
Harjutus: Kui suur on Brewsteri nurk kristalli pinnale langeva valguskiire puhul, kui selle kiire kogupeegelduse piirnurk õhk-kristalli liidesel on 400?
Lahendus:
\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2,2\right).\]
Avaldise (2.1) põhjal saame:
Asendame avaldise (2.3) parema poole valemiga (2.2), väljendame soovitud nurga:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]
Teeme arvutused:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\umbes 57()^\circ .\]
Vastus:$(\alpha )_b=57()^\circ .$
Esiteks fantaseerigem veidi. Kujutage ette kuuma suvepäeva eKr, ürgmees jahib odaga kala. Ta märkab naise asendit, sihib ja lööb millegipärast üldse mitte sinna, kus kala oli näha. Kas jäi vahele? Ei, kaluril on saak käes! Asi on selles, et meie esivanem mõistis intuitiivselt teemat, mida me nüüd uurime. Igapäevaelus näeme, et veeklaasi kastetud lusikas tundub viltu, läbi klaaspurgi vaadates tunduvad esemed kõverad. Kõiki neid küsimusi käsitleme tunnis, mille teema on: "Valguse murdumine. Valguse murdumise seadus. Täielik sisemine peegeldus.
Eelmistes tundides rääkisime kiire saatusest kahel juhul: mis juhtub, kui valguskiir levib läbipaistvalt homogeenses keskkonnas? Õige vastus on, et see levib sirgjooneliselt. Ja mis saab siis, kui kahe meediumi vahelisele liidesele langeb valguskiir? Viimases tunnis rääkisime peegeldunud kiirest, täna vaatleme seda osa valgusvihust, mis meedium neeldub.
Milline saab olema esimesest optiliselt läbipaistvast keskkonnast teise optiliselt läbipaistvasse keskkonda tunginud kiire saatus?
Riis. 1. Valguse murdumine
Kui kiir langeb kahe läbipaistva kandja liidesele, siis osa valgusenergiast naaseb esimesse keskkonda, luues peegeldunud kiire ja teine osa läheb sissepoole teise keskkonda ja reeglina muudab selle suunda.
Valguse levimissuuna muutumist selle läbimise korral läbi kahe meediumi vahelise liidese nimetatakse valguse murdumine(joonis 1).
Riis. 2. Langemis-, murdumis- ja peegeldusnurgad
Joonisel 2 näeme langevat kiirt, mille langemisnurka tähistatakse tähega α. Kiirt, mis määrab murdunud valguskiire suuna, nimetatakse murdunud kiireks. Nurka langemispunktist taastatud kandja liidesega risti ja murdunud kiire vahel nimetatakse murdumisnurgaks, joonisel on see nurk γ. Pildi täiendamiseks anname ka pildi peegeldunud kiirest ja vastavalt peegeldusnurgast β. Milline on langemisnurga ja murdumisnurga suhe, kas on võimalik ennustada, teades langemisnurka ja millisest keskkonnast kuhu läks kiir, milline on murdumisnurk? Selgub, et saate!
Saame seaduse, mis kirjeldab kvantitatiivselt langemisnurga ja murdumisnurga vahelist seost. Kasutame Huygensi põhimõtet, mis reguleerib laine levimist keskkonnas. Seadus koosneb kahest osast.
Langev kiir, murdunud kiir ja langemispunkti taastatud risti asuvad samal tasapinnal.
Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on kahe antud keskkonna jaoks konstantne väärtus ja võrdub valguse kiiruste suhtega nendes keskkonnas.
Seda seadust nimetatakse Snelli seaduseks Hollandi teadlase järgi, kes selle esmakordselt sõnastas. Murdumise põhjuseks on valguse kiiruste erinevus erinevates meediumites. Murdumisseaduse kehtivust saate kontrollida, suunates eksperimentaalselt valguskiire erinevate nurkade all kahe kandja liidesele ning mõõtes langemis- ja murdumisnurki. Kui me muudame neid nurki, mõõdame siinused ja leiame nende nurkade siinuste suhted, siis oleme veendunud, et murdumisseadus tõesti kehtib.
Tõendid murdumisseadusest Huygensi põhimõtet kasutades on veel üks kinnitus valguse lainelise olemuse kohta.
Suhteline murdumisnäitaja n 21 näitab, mitu korda erineb valguse kiirus V 1 esimeses keskkonnas valguse kiirusest V 2 teises keskkonnas.
Suhteline murdumisnäitaja on selge tõestus sellest, et valguse suuna muutumise põhjuseks ühest keskkonnast teise üleminekul on valguse erinev kiirus kahes keskkonnas. Meediumi optiliste omaduste iseloomustamiseks kasutatakse sageli mõistet "kandja optiline tihedus" (joonis 3).
Riis. 3. Söötme optiline tihedus (α > γ)
Kui kiir liigub suurema valguse kiirusega keskkonnast väiksema valguse kiirusega keskkonda, siis, nagu on näha jooniselt 3 ja valguse murdumise seadusest, surutakse see vastu risti, st. , on murdumisnurk väiksem kui langemisnurk. Sel juhul on kiir väidetavalt liikunud vähem tihedalt optiliselt kandjalt optiliselt tihedamasse keskkonda. Näide: õhust vette; veest klaasini.
Võimalik on ka vastupidine olukord: valguse kiirus esimeses keskkonnas on väiksem kui valguse kiirus teises keskkonnas (joonis 4).
Riis. 4. Söötme optiline tihedus (α< γ)
Siis on murdumisnurk suurem kui langemisnurk ja öeldakse, et selline üleminek toimub optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedale keskkonnale (klaasist vette).
Kahe kandja optiline tihedus võib üsna oluliselt erineda, mistõttu saab võimalikuks fotol (joonis 5) kujutatud olukord:
Riis. 5. Andmekandjate optilise tiheduse erinevus
Pöörake tähelepanu sellele, kuidas pea on suurema optilise tihedusega keskkonnas vedelikus oleva keha suhtes nihkunud.
Suhteline murdumisnäitaja ei ole aga alati töö jaoks mugav omadus, sest see sõltub valguse kiirusest esimeses ja teises keskkonnas, kuid selliseid kombinatsioone ja kahe keskkonna (vesi - õhk, klaas) kombinatsioone võib olla palju. - teemant, glütseriin - alkohol, klaas - vesi ja nii edasi). Tabelid oleksid väga tülikad, oleks ebamugav töötada ja siis võeti kasutusele üks absoluutne keskkond, millega võrreldes võrreldakse valguse kiirust teistes keskkondades. Absoluutseks valiti vaakum ja valguse kiirusi võrreldakse valguse kiirusega vaakumis.
Söötme absoluutne murdumisnäitaja n- see on väärtus, mis iseloomustab keskkonna optilist tihedust ja on võrdne valguse kiiruse suhtega FROM vaakumis valguse kiirusele antud keskkonnas.
Absoluutne murdumisnäitaja on töö jaoks mugavam, kuna me teame alati valguse kiirust vaakumis, see võrdub 3·10 8 m/s ja on universaalne füüsikaline konstant.
Absoluutne murdumisnäitaja sõltub välistest parameetritest: temperatuur, tihedus ja ka valguse lainepikkus, seega on tabelites tavaliselt näidatud keskmine murdumisnäitaja antud lainepikkuste vahemiku kohta. Kui võrrelda õhu, vee ja klaasi murdumisnäitajaid (joonis 6), siis näeme, et õhu murdumisnäitaja on ühtsuse lähedal, seega võtame seda ülesannete lahendamisel ühikuna.
Riis. 6. Erinevate kandjate absoluutsete murdumisnäitajate tabel
Meediumi absoluutse ja suhtelise murdumisnäitaja vahelise seose leidmine on lihtne.
Suhteline murdumisnäitaja, st kiirte puhul, mis liigub keskmisest ühest keskmiseni kaks, on võrdne teise keskkonna absoluutse murdumisnäitaja ja esimese keskkonna absoluutse murdumisnäitaja suhtega.
Näiteks: 
= ≈ 1,16
Kui kahe keskkonna absoluutsed murdumisnäitajad on peaaegu samad, tähendab see, et suhteline murdumisnäitaja üleminekul ühelt keskkonnalt teisele on võrdne ühtsusega, see tähendab, et valguskiir tegelikult ei murdu. Näiteks aniisiõlist kalliskivile üleminekul ei kaldu berül praktiliselt valgust kõrvale, see tähendab, et see käitub nagu aniisiõli läbimisel, kuna nende murdumisnäitaja on vastavalt 1,56 ja 1,57, nii et kalliskivi võib olla kuidas vedelikku peita, pole seda lihtsalt näha.
Kui valate läbipaistvasse klaasi vett ja vaatate läbi klaasi seina valgusesse, siis näeme pinnale hõbedast läiget tänu totaalse sisepeegelduse fenomenile, millest nüüd juttu tuleb. Kui valguskiir liigub tihedamast optilisest keskkonnast vähem tihedale optilisele keskkonnale, võib täheldada huvitavat efekti. Kindluse mõttes eeldame, et valgus läheb veest õhku. Oletame, et reservuaari sügavuses on punktvalgusallikas S, mis kiirgab igas suunas. Näiteks tuuker särab taskulambiga.
Kiir SO 1 langeb veepinnale väikseima nurga all, see kiir murdub osaliselt - kiir O 1 A 1 ja peegeldub osaliselt vette tagasi - kiir O 1 B 1. Seega kandub osa langeva kiire energiast murdunud kiirele ja ülejäänud osa energiast peegeldunud kiirele.
Riis. 7. Täielik sisepeegeldus
Kiir SO 2, mille langemisnurk on suurem, jaguneb samuti kaheks kiireks: murdunud ja peegeldunud, kuid algse kiire energia jaotub nende vahel erineval viisil: murdunud kiir O 2 A 2 on hämaram kui kiirt. kiir O 1 A 1, see tähendab, et see saab väiksema osa energiast ja peegeldunud kiir O 2 V 2 on vastavalt heledam kui kiir O 1 V 1, see tähendab, et see saab suurema osa energiast energiat. Langemisnurga kasvades jälgitakse sama seaduspärasust - üha suurem osa langeva kiire energiast läheb peegeldunud kiirele ja üha väiksem osa murdunud kiirele. Murdunud kiir muutub tuhmimaks ja mingil hetkel kaob täielikult, see kadumine toimub langemisnurga saavutamisel, mis vastab murdumisnurgale 90 0 . Sellises olukorras peaks murdunud kiir OA minema paralleelselt veepinnaga, kuid midagi pole minna - kogu langeva kiire SO energia läks täielikult peegeldunud kiirele OB. Loomulikult kaob langemisnurga edasise suurenemise korral murdunud kiir. Kirjeldatud nähtus on täielik sisepeegeldus, see tähendab, et vaadeldavate nurkade all olev tihedam optiline meedium ei eralda endast kiiri, vaid kõik peegelduvad selle sees. Nurka, mille all see nähtus esineb, nimetatakse sisemise täieliku peegelduse piirav nurk.
Piirava nurga väärtust on lihtne leida murdumisseadusest:
= => = arcsin, vee jaoks ≈ 49 0
Kõige huvitavam ja populaarseim täieliku sisepeegelduse nähtuse rakendus on nn lainejuhid ehk fiiberoptika. Just sellist signaalimisviisi kasutavad kaasaegsed telekommunikatsiooniettevõtted Internetis.
Saime kätte valguse murdumise seaduse, võtsime kasutusele uue kontseptsiooni - suhtelised ja absoluutsed murdumisnäitajad ning selgitasime välja ka täieliku sisepeegelduse fenomeni ja selle rakendused, näiteks fiiberoptika. Teadmisi saate kinnistada, uurides õppetundide jaotises vastavaid teste ja simulaatoreid.
Hankime Huygensi printsiipi kasutades valguse murdumise seaduse tõestust. Oluline on mõista, et murdumise põhjuseks on valguse kiiruste erinevus kahes erinevas keskkonnas. Tähistame valguse kiirust esimeses keskkonnas V 1 ja teises keskkonnas - V 2 (joonis 8).
Riis. 8. Valguse murdumise seaduse tõestus
Laske tasasel valguslainel langeda kahe meediumi tasasele liidesele, näiteks õhust vette. Lainepind AC on risti kiirtega ja , meediumi MN vaheline liides jõuab kõigepealt kiireni ja kiir jõuab samale pinnale ajaintervalli ∆t pärast, mis võrdub teega SW jagatud valguse kiirusega. esimeses meediumis .
Seetõttu on hetkel, kui sekundaarlaine punktis B alles hakkab ergastama, on punktist A tulev laine juba poolkera kujuga raadiusega AD, mis on võrdne valguse kiirusega teises keskkonnas ∆t võrra: AD = ∆t, st Huygensi printsiip visuaalses tegevuses . Murdlaine lainepinda saab saada, tõmmates pinna puutuja kõikidele teises keskkonnas olevatele sekundaarlainetele, mille keskpunktid asuvad kandjate vahelisel liidesel, antud juhul on see tasapind BD, see on sekundaarsed lained. Kiire langemisnurk α on võrdne nurgaga CAB kolmnurgas ABC, ühe sellise nurga küljed on risti teise külgedega. Seetõttu on SW võrdne valguse kiirusega esimeses keskkonnas ∆t võrra
CB = ∆t = AB sin α
Murdumisnurk omakorda võrdub kolmnurga ABD nurgaga ABD, seega:
AD = ∆t = AB sin γ
Jagades avaldised terminiga, saame:
n on konstantne väärtus, mis ei sõltu langemisnurgast.
Oleme saanud valguse murdumise seaduse, mille langemisnurga siinus murdumisnurga siinus on antud kahe keskkonna konstantne väärtus ja võrdne valguse kiiruste suhtega kahes antud keskkonnas.
Läbipaistmatute seintega kuubikujuline anum paikneb nii, et vaatleja silm ei näe selle põhja, vaid näeb kogu veresoone CD seina. Kui palju vett tuleb anumasse valada, et vaatleja näeks objekti F, mis asub nurgast D kaugusel b = 10 cm? Laeva serv α = 40 cm (joonis 9).
Mis on selle probleemi lahendamisel väga oluline? Arvake ära, et kuna silm ei näe anuma põhja, vaid näeb külgseina äärmist punkti ja anum on kuubik, siis valgusvihu langemisnurk vee pinnale, kui me seda valame olema võrdne 45 0.
Riis. 9. Eksami ülesanne
Kiir langeb punkti F, mis tähendab, et me näeme objekti selgelt ja must punktiirjoon näitab kiire kulgu, kui vett ei oleks, st punkti D. Kolmnurgast NFC on nurga puutuja β, murdumisnurga puutuja, on vastasjala ja külgneva jala suhe või joonise põhjal h miinus b jagatud h-ga.
tg β = = , h on valatud vedeliku kõrgus;
Kõige intensiivsemat täieliku sisepeegelduse nähtust kasutatakse fiiberoptilistes süsteemides.
Riis. 10. Fiiberoptika
Kui valgusvihk on suunatud tahke klaastoru otsa, siis pärast mitmekordset täielikku sisemist peegeldust väljub valguskiir toru vastasküljelt. Selgub, et klaastoru on valguslaine juht või lainejuht. See juhtub olenemata sellest, kas toru on sirge või kõver (joonis 10). Esimesi valgusjuhikuid, see on lainejuhtide teine nimetus, kasutati raskesti ligipääsetavate kohtade valgustamiseks (meditsiiniliste uuringute käigus, kui valgusjuhi ühte otsa antakse valgus ja teine ots valgustab õiget kohta) . Peamine rakendus on meditsiin, mootorite defektoskoopia, kuid selliseid lainejuhte kasutatakse enim infoedastussüsteemides. Valguslaine kandesagedus on miljon korda suurem raadiosignaali sagedusest, mis tähendab, et info hulk, mida saame valguslaine abil edastada, on miljoneid kordi suurem kui raadiolainete kaudu edastatava info hulk. See on suurepärane võimalus edastada tohutul hulgal teavet lihtsalt ja odavalt. Reeglina edastatakse infot kiudkaabli kaudu laserkiirgust kasutades. Fiiberoptika on asendamatu suurel hulgal edastatavat teavet sisaldava arvutisignaali kiireks ja kvaliteetseks edastamiseks. Ja kõige selle keskmes on selline lihtne ja tavaline nähtus nagu valguse murdumine.
Bibliograafia
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Füüsika (algtase) - M.: Mnemozina, 2012.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Füüsika klass 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Füüsika - 9, Moskva, Haridus, 1990.
- edu.glavsprav.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Raal100.narod.ru ().
- Optika.ucoz.ru ().
Kodutöö
- Määratlege valguse murdumine.
- Nimeta valguse murdumise põhjus.
- Nimetage kõige populaarsemad täieliku sisepeegelduse rakendused.