Bilet 75.
Prawo odbicia światła: promień padający i odbity oraz prostopadła do granicy dwóch ośrodków, zrekonstruowana w punkcie padania promienia, leżą w tej samej płaszczyźnie (płaszczyźnie padania). Kąt odbicia γ jest równy kątowi padania α.
Prawo załamania światła: promienie padające i załamane, a także prostopadła do granicy dwóch ośrodków, zrekonstruowana w punkcie padania promienia, leżą w tej samej płaszczyźnie. Stosunek sinusa kąta padania α do sinusa kąta załamania β jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków:
Prawa odbicia i załamania są wyjaśnione w fizyce fal. Według koncepcji fal załamanie jest konsekwencją zmian prędkości propagacji fal podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego. Fizyczne znaczenie współczynnika załamania światła jest stosunkiem prędkości propagacji fal w pierwszym ośrodku υ 1 do prędkości ich propagacji w drugim ośrodku υ 2:
Rysunek 3.1.1 ilustruje prawa odbicia i załamania światła.
Ośrodek o niższym bezwzględnym współczynniku załamania światła nazywany jest optycznie mniej gęstym.
Kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie słabszego n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать zjawisko całkowitego odbicia, czyli zanik załamanego promienia. Zjawisko to obserwuje się przy kątach padania przekraczających pewien kąt krytyczny α pr, który nazywa się ograniczający kąt całkowitego wewnętrznego odbicia(patrz rys. 3.1.2).
Dla kąta padania α = α pr sin β = 1; wartość sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Jeśli drugim ośrodkiem jest powietrze (n 2 ≈ 1), wygodnie jest przepisać wzór w postaci
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia wykorzystywane jest w wielu urządzeniach optycznych. Najciekawszym i praktycznym zastosowaniem jest wytwarzanie włókien optycznych, czyli cienkich (od kilku mikrometrów do milimetrów) dowolnie zakrzywionych nitek wykonanych z optycznie przezroczystego materiału (szkło, kwarc). Światło padające na koniec światłowodu może rozprzestrzeniać się wzdłuż niego na duże odległości na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia od powierzchni bocznych (rysunek 3.1.3). Kierunek naukowy i techniczny związany z rozwojem i zastosowaniem światłowodów optycznych nazywa się światłowodami.
Rozproszenie światła (rozkład światła)- jest to zjawisko spowodowane zależnością bezwzględnego współczynnika załamania światła substancji od częstotliwości (lub długości fali) światła (rozproszenia częstotliwości) lub tym samym zależnością prędkości fazowej światła w substancji od długość fali (lub częstotliwość). Została odkryta eksperymentalnie przez Newtona około 1672 roku, choć teoretycznie dość dobrze wyjaśniona znacznie później.
Rozproszenie przestrzenne nazywa się zależnością stałego tensora dielektrycznego ośrodka od wektora falowego. Zależność ta powoduje szereg zjawisk zwanych efektami polaryzacji przestrzennej.
Jeden z najbardziej wyraźnych przykładów dyspersji - rozkład światła białego podczas przejścia przez pryzmat (eksperyment Newtona). Istotą zjawiska dyspersji jest różnica w szybkości propagacji promieni świetlnych o różnych długościach fal w substancji przezroczystej – ośrodku optycznym (podczas gdy w próżni prędkość światła jest zawsze taka sama, niezależnie od długości fali, a co za tym idzie i barwy). Zazwyczaj im wyższa częstotliwość fali świetlnej, tym wyższy jest dla niej współczynnik załamania światła ośrodka i mniejsza prędkość fali w ośrodku:
Doświadczenia Newtona Eksperyment dotyczący rozkładu światła białego na widmo: Newton skierował wiązkę światła słonecznego przez mały otwór na szklany pryzmat. Po uderzeniu w pryzmat wiązka załamała się i na przeciwległej ścianie dała wydłużony obraz z tęczową przemianą kolorów - widmo. Doświadczenie z przejściem światła monochromatycznego przez pryzmat: Newton umieścił czerwone szkło na drodze promienia słonecznego, za którym otrzymał światło monochromatyczne (czerwone), następnie pryzmat i zaobserwował na ekranie jedynie czerwoną plamkę promienia światła. Doświadczenie w syntezie (produkcji) światła białego: Najpierw Newton skierował promień światła słonecznego na pryzmat. Następnie, po zebraniu kolorowych promieni wychodzących z pryzmatu za pomocą soczewki zbierającej, Newton zamiast kolorowego paska otrzymał biały obraz dziury na białej ścianie. Wnioski Newtona:- pryzmat nie zmienia światła, a jedynie rozkłada je na składniki - promienie świetlne różniące się kolorem różnią się stopniem załamania; Promienie fioletowe załamują się najsilniej, czerwone najsłabiej - światło czerwone, które załamuje się mniej, ma największą prędkość, a fiolet najmniej, dlatego pryzmat rozkłada światło. Zależność współczynnika załamania światła od jego barwy nazywa się dyspersją.
Wnioski:- pryzmat rozkłada światło - światło białe jest złożone (złożone) - promienie fioletowe załamują się silniej niż czerwone. Kolor wiązki światła zależy od częstotliwości jej drgań. Podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego zmienia się prędkość światła i długość fali, ale częstotliwość określająca kolor pozostaje stała. Granice zakresów światła białego i jego składowych charakteryzują się zwykle długością fal w próżni. Światło białe to zbiór fal o długościach od 380 do 760 nm.
Bilet 77.
Absorpcja światła. Prawo Bouguera
Absorpcja światła w substancji wiąże się z przemianą energii pola elektromagnetycznego fali na energię cieplną substancji (lub energię wtórnego promieniowania fotoluminescencyjnego). Prawo absorpcji światła (prawo Bouguera) ma postać:
ja=ja 0 do potęgi(- X),(1)
Gdzie I 0 , I-natężenie światła na wejściu (x=0) i pozostawienie warstwy o średniej grubości X, - współczynnik absorpcji, to zależy od .
Dla dielektryków =10 -1 10 -5 M -1 , do metali =10 5 10 7 M -1 , Dlatego metale są nieprzezroczyste dla światła.
Zależność ( ) wyjaśnia kolor ciał absorbujących. Na przykład szkło, które słabo pochłania światło czerwone, będzie wyglądać na czerwone po oświetleniu światłem białym.
Rozpraszanie światła. Prawo Rayleigha
Dyfrakcja światła może wystąpić w ośrodku niejednorodnym optycznie, na przykład w mętnym środowisku (dym, mgła, zapylone powietrze itp.). Uginając się na niejednorodności ośrodka, fale świetlne tworzą wzór dyfrakcyjny charakteryzujący się dość równomiernym rozkładem intensywności we wszystkich kierunkach.
Nazywa się to dyfrakcją na małych niejednorodnościach rozpraszanie światła.
Zjawisko to obserwuje się, gdy wąska wiązka światła słonecznego przechodzi przez zapylone powietrze, rozprasza się na cząsteczkach kurzu i staje się widoczna.
Jeżeli rozmiary niejednorodności są małe w porównaniu z długością fali (nie więcej niż 0,1 ), wówczas intensywność rozproszonego światła okazuje się odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali, tj.
I diss ~ 1/ 4 , (2)
zależność ta nazywa się prawem Rayleigha.
Rozpraszanie światła obserwuje się także w czystych mediach niezawierających cząstek obcych. Może to na przykład wystąpić przy wahaniach (losowych odchyleniach) gęstości, anizotropii lub stężeniu. Ten typ rozpraszania nazywany jest rozpraszaniem molekularnym. Wyjaśnia na przykład błękitny kolor nieba. Rzeczywiście, zgodnie z (2), promienie niebieskie i niebieskie są rozpraszane silniej niż czerwone i żółte, ponieważ mają krótszą długość fali, powodując w ten sposób niebieski kolor nieba.
Bilet 78.
Polaryzacja światła- zespół zjawisk optyki falowej, w których przejawia się poprzeczny charakter elektromagnetycznych fal świetlnych. Fala poprzeczna- cząstki ośrodka oscylują w kierunkach prostopadłych do kierunku propagacji fali ( Ryc.1).
Ryc.1 Fala poprzeczna
Fala świetlna elektromagnetyczna spolaryzowana płaszczyzna(polaryzacja liniowa), jeżeli kierunki oscylacji wektorów E i B są ściśle stałe i leżą w określonych płaszczyznach ( Ryc.1). Falę świetlną spolaryzowaną płasko nazywa się spolaryzowana płaszczyzna(liniowo spolaryzowane) światło. Niespolaryzowane fala (naturalna) – elektromagnetyczna fala świetlna, w której kierunki drgań wektorów E i B w tej fali mogą leżeć w dowolnych płaszczyznach prostopadłych do wektora prędkości v. Światło niespolaryzowane- fale świetlne, w których kierunki oscylacji wektorów E i B zmieniają się chaotycznie tak, że wszystkie kierunki oscylacji w płaszczyznach prostopadłych do promienia propagacji fali są jednakowo prawdopodobne ( Ryc.2).
Ryc.2 Światło niespolaryzowane
Fale spolaryzowane- w którym kierunki wektorów E i B pozostają niezmienione w przestrzeni lub zmieniają się zgodnie z pewnym prawem. Promieniowanie, w którym kierunek wektora E zmienia się chaotycznie - niespolaryzowany. Przykładem takiego promieniowania jest promieniowanie cieplne (chaotycznie rozmieszczone atomy i elektrony). Płaszczyzna polaryzacji- jest to płaszczyzna prostopadła do kierunku drgań wektora E. Głównym mechanizmem powstawania promieniowania spolaryzowanego jest rozpraszanie promieniowania przez elektrony, atomy, cząsteczki i cząstki pyłu.
1.2. Rodzaje polaryzacji Istnieją trzy rodzaje polaryzacji. Podajmy im definicje. 1. Liniowy Zachodzi, jeśli wektor elektryczny E utrzymuje swoje położenie w przestrzeni. Wydaje się, że podkreśla płaszczyznę, w której oscyluje wektor E. 2. Okrągły Jest to polaryzacja, która występuje, gdy wektor elektryczny E obraca się wokół kierunku rozchodzenia się fali z prędkością kątową równą częstotliwości kątowej fali, przy zachowaniu jej wartości bezwzględnej. Polaryzacja ta charakteryzuje kierunek obrotu wektora E w płaszczyźnie prostopadłej do linii wzroku. Przykładem jest promieniowanie cyklotronowe (układ elektronów wirujących w polu magnetycznym). 3. Eliptyczny Ma to miejsce, gdy wielkość wektora elektrycznego E zmienia się tak, że opisuje elipsę (obrót wektora E). Polaryzacja eliptyczna i kołowa może być prawoskrętna (wektor E obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, patrząc w stronę propagującej się fali) i lewoskrętna (wektor E obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, patrząc w stronę propagującej się fali).
W rzeczywistości zdarza się to najczęściej częściowa polaryzacja (częściowo spolaryzowane fale elektromagnetyczne). Ilościowo charakteryzuje się pewną wielkością tzw stopień polaryzacji R, który jest zdefiniowany jako: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Gdzie Imaks,Zaraz- najwyższa i najniższa gęstość strumienia energii elektromagnetycznej przez analizator (Polaroid, pryzmat Nicolasa...). W praktyce polaryzację promieniowania opisuje się często parametrami Stokesa (określają one strumienie promieniowania przy zadanym kierunku polaryzacji).
Bilet 79.
Jeśli naturalne światło pada na granicę między dwoma dielektrykami (na przykład powietrzem i szkłem), wówczas jego część zostaje odbita, a część załamana i rozprzestrzenia się w drugim ośrodku. Instalując analizator (na przykład turmalin) na ścieżce promieni odbitych i załamanych, upewniamy się, że promienie odbite i załamane są częściowo spolaryzowane: gdy analizator obraca się wokół promieni, natężenie światła okresowo wzrasta i słabnie ( nie obserwuje się całkowitego wygaszenia!). Dalsze badania wykazały, że w wiązce odbitej przeważają drgania prostopadłe do płaszczyzny padania (oznaczono je kropkami na ryc. 275), natomiast w wiązce załamanej przeważają drgania równoległe do płaszczyzny padania (oznaczonej strzałkami).
Stopień polaryzacji (stopień oddzielenia fal świetlnych od określonej orientacji wektora elektrycznego (i magnetycznego)) zależy od kąta padania promieni i współczynnika załamania światła. Szkocki fizyk D. Brewstera(1781-1868) zainstalowany prawo, zgodnie z którym pod kątem padania I B (kąt Brewstera), określony zależnością
(N 21 - współczynnik załamania światła drugiego ośrodka w stosunku do pierwszego), odbita wiązka jest spolaryzowana płasko(zawiera jedynie drgania prostopadłe do płaszczyzny padania) (ryc. 276). Promień załamany pod kątem padaniaI B spolaryzowany maksymalnie, ale nie całkowicie.
Jeśli światło pada na interfejs pod kątem Brewstera, wówczas promienie odbite i załamane wzajemnie prostopadłe(tj I B = grzech I B/kos I B, N 21 = grzech I B / grzech I 2 (I 2 - kąt załamania), skąd cos I B=grzech I 2). Stąd, I B + I 2 = /2, ale I’ B= I Dlatego B (prawo odbicia). I’ B+ I 2 = /2.
Stopień polaryzacji światła odbitego i załamanego przy różnych kątach padania można obliczyć z równań Maxwella, jeśli uwzględnimy warunki brzegowe dla pola elektromagnetycznego na granicy dwóch izotropowych dielektryków (tzw. wzory Fresnela).
Stopień polaryzacji światła załamanego można znacznie zwiększyć (poprzez wielokrotne załamanie, pod warunkiem, że światło pada każdorazowo na granicę faz pod kątem Brewstera). Jeśli na przykład dla szkła ( n= 1.53) stopień polaryzacji załamanej wiązki wynosi 15%, wówczas po załamaniu na 8-10 nałożonych na siebie płytek szklanych światło wychodzące z takiego układu będzie prawie całkowicie spolaryzowane. Taki zbiór talerzy nazywa się stopa. Stopkę można wykorzystać do analizy światła spolaryzowanego zarówno podczas jego odbicia, jak i załamania.
Bilet 79 (dla Spur)
Jak pokazuje doświadczenie, podczas załamania i odbicia światła, załamane i odbite światło okazuje się spolaryzowane i następuje odbicie. Światło może zostać całkowicie spolaryzowane pod pewnym kątem padania, ale incydentalnie. światło jest zawsze częściowo spolaryzowane. Na podstawie wzorów Frinella można wykazać to odbicie. Światło jest spolaryzowane w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania i załamane. światło jest spolaryzowane w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny padania.
Kąt padania, pod którym następuje odbicie światło jest całkowicie spolaryzowane, nazywane jest kątem Brewstera. Kąt Brewstera wyznaczany jest z prawa Brewstera: - W tym przypadku jest to kąt pomiędzy odbiciami. i załamanie. promienie będą równe W przypadku układu powietrze-szkło kąt Brewstera jest równy, aby uzyskać dobrą polaryzację, tj. , podczas załamywania światła wykorzystuje się wiele jadalnych powierzchni, które nazywane są Przystankiem Stoletowa.
Bilet 80.
Doświadczenie pokazuje, że gdy światło oddziałuje z materią, główny efekt (fizjologiczny, fotochemiczny, fotoelektryczny itp.) Jest spowodowany oscylacjami wektora, który w tym kontekście nazywany jest czasami wektorem światła. Dlatego, aby opisać wzorce polaryzacji światła, monitoruje się zachowanie wektora.
Płaszczyzna utworzona przez wektory nazywana jest płaszczyzną polaryzacji.
Jeżeli oscylacje wektorów zachodzą w jednej ustalonej płaszczyźnie, wówczas takie światło (promień) nazywa się spolaryzowanym liniowo. Konwencjonalnie określa się go w następujący sposób. Jeżeli wiązka jest spolaryzowana w płaszczyźnie prostopadłej (w płaszczyźnie xoz, patrz rys. 2 w wykładzie drugim), wówczas zostaje on oznaczony.
Światło naturalne (ze zwykłych źródeł, słońca) składa się z fal, które mają różne, chaotycznie rozmieszczone płaszczyzny polaryzacji (patrz ryc. 3).
Światło naturalne jest czasami umownie określane jako takie. Nazywa się go również niespolaryzowanym.
Jeśli w miarę rozchodzenia się fali wektor obraca się, a koniec wektora opisuje okrąg, wówczas takie światło nazywa się spolaryzowanym kołowo, a polaryzację nazywa się kołową lub kołową (prawą lub lewą). Istnieje również polaryzacja eliptyczna.
Istnieją urządzenia optyczne (filmy, płyty itp.) - polaryzatory, które wyodrębniają światło spolaryzowane liniowo lub światło częściowo spolaryzowane ze światła naturalnego.
Polaryzatory stosowane do analizy polaryzacji światła nazywane są analizatory.
Płaszczyzna polaryzatora (lub analizatora) to płaszczyzna polaryzacji światła transmitowanego przez polaryzator (lub analizator).
Niech liniowo spolaryzowane światło o amplitudzie spadnie na polaryzator (lub analizator) mi 0. Amplituda przepuszczanego światła będzie równa E=E 0 koszt J i intensywność ja=ja 0 co2 J.
Ta formuła wyraża Prawo Malusa:
Natężenie liniowo spolaryzowanego światła przechodzącego przez analizator jest proporcjonalne do kwadratu cosinusa kąta J pomiędzy płaszczyzną oscylacji padającego światła a płaszczyzną analizatora.
Bilet 80 (na ostrogę)
Polaryzatory to urządzenia umożliwiające uzyskanie światła spolaryzowanego. Analizatory to urządzenia, które można wykorzystać do analizy, czy światło jest spolaryzowane, czy nie. Strukturalnie polaryzator i analizator to jedno i to samo. Zn Malus polaryzator, jeśli światło jest naturalne - wtedy wszystkie kierunki wektora E są jednakowo prawdopodobne. Każdy wektor można rozłożyć na dwie wzajemnie prostopadłe składowe: jedna jest równoległa do płaszczyzny polaryzacji polaryzatora, a druga do niej prostopadła. To.
Oczywiście natężenie światła wychodzącego z polaryzatora będzie równe. Oznaczmy natężenie światła wychodzącego z polaryzatora przez (). Jeśli analizator zostanie umieszczony na drodze światła spolaryzowanego, którą tworzy płaszczyzna główna pod kątem z główną płaszczyzną polaryzatora, wówczas intensywność światła wychodzącego z analizatora jest określona przez prawo.
Bilet 81.
Badając świecenie roztworu soli uranu pod wpływem promieni radu, radziecki fizyk P. A. Czerenkow zwrócił uwagę na fakt, że świeci także sama woda, w której nie ma soli uranu. Okazało się, że promienie (patrz promieniowanie gamma) przechodzące przez czyste ciecze zaczynają świecić. S. I. Wawiłow, pod którego kierownictwem pracował P. A. Czerenkow, postawił hipotezę, że blask jest związany z ruchem elektronów wybijanych z atomów przez kwanty radu. Rzeczywiście, świecenie silnie zależało od kierunku pola magnetycznego w cieczy (co sugerowało, że było ono spowodowane ruchem elektronów).
Ale dlaczego elektrony poruszające się w cieczy emitują światło? Prawidłowej odpowiedzi na to pytanie udzielili w 1937 roku sowieccy fizycy I.E. Tamm i I.M. Frank.
Elektron poruszając się w substancji oddziałuje z otaczającymi go atomami. Pod wpływem jego pola elektrycznego elektrony i jądra atomowe przemieszczają się w przeciwnych kierunkach – ośrodek jest spolaryzowany. Spolaryzowane, a następnie powracające do stanu pierwotnego, atomy ośrodka znajdujące się wzdłuż trajektorii elektronów emitują elektromagnetyczne fale świetlne. Jeżeli prędkość elektronu v jest mniejsza niż prędkość propagacji światła w ośrodku (współczynnik załamania światła), wówczas pole elektromagnetyczne wyprzedzi elektron, a substancja będzie miała czas na polaryzację w przestrzeni przed elektronem. Polaryzacja ośrodka przed i za elektronem jest przeciwna, a promieniowanie przeciwstawnie spolaryzowanych atomów „dodaje się”, „gaśnie” siebie nawzajem. Kiedy atomy, do których elektron jeszcze nie dotarł, nie mają czasu na polaryzację, i pojawia się promieniowanie skierowane wzdłuż wąskiej stożkowej warstwy o wierzchołku pokrywającym się z poruszającym się elektronem i kącie przy wierzchołku c. Wygląd „stożka” świetlnego i stan promieniowania można odczytać z ogólnych zasad propagacji fal.
Ryż. 1. Mechanizm powstawania czoła fali
Niech elektron porusza się wzdłuż osi OE (patrz rys. 1) bardzo wąskiego pustego kanału w jednorodnej przezroczystej substancji o współczynniku załamania światła (pusty kanał jest potrzebny, aby zderzenia elektronu z atomami nie były brane pod uwagę w rozważania teoretyczne). Dowolny punkt linii OE zajmowany kolejno przez elektron będzie centrum emisji światła. Fale wychodzące z kolejnych punktów O, D, E interferują ze sobą i ulegają wzmocnieniu, jeśli różnica faz między nimi wynosi zero (patrz Interferencja). Warunek ten jest spełniony dla kierunku tworzącego kąt 0 z trajektorią elektronu. Kąt 0 jest określony przez zależność:.
Rzeczywiście, rozważmy dwie fale emitowane w kierunku pod kątem 0 do prędkości elektronu z dwóch punktów trajektorii - punktu O i punktu D, oddalonych od siebie o odległość . W punkcie B leżącym na prostej BE, prostopadłej do OB, pierwsza fala pojawi się w - po czasie. Do punktu F, leżącego na prostej BE, fala wyemitowana z tego punktu dotrze w chwili czasu po wyemitowaniu fali z punktu O . Te dwie fale będą w fazie, tj. linia prosta będzie frontem fali, jeśli te czasy będą równe:. Daje to warunek równości czasów. We wszystkich kierunkach, dla których światło zostanie wygaszone na skutek interferencji fal emitowanych z odcinków trajektorii oddalonych od siebie o odległość D. Wartość D wyznacza oczywiste równanie, gdzie T jest okresem drgań światła. To równanie zawsze ma rozwiązanie, jeśli.
Jeżeli , to kierunek, w którym emitowane fale interferujące są wzmacniane, nie istnieje i nie może być większy niż 1.
Ryż. 2. Rozkład fal dźwiękowych i powstawanie fali uderzeniowej podczas ruchu ciała
Promieniowanie obserwuje się tylko wtedy, gdy .
W eksperymencie elektrony lecą pod skończonym kątem stałym, z pewnym rozproszeniem prędkości, w wyniku czego promieniowanie rozchodzi się w warstwie stożkowej w pobliżu głównego kierunku wyznaczonego przez kąt.
W naszych rozważaniach zaniedbaliśmy spowolnienie elektronu. Jest to całkiem akceptowalne, ponieważ straty spowodowane promieniowaniem Wawiłowa-Cerenkowa są niewielkie i w pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że energia tracona przez elektron nie wpływa na jego prędkość i porusza się on równomiernie. Na tym polega podstawowa różnica i niezwykłość promieniowania Wawiłowa-Czerenkowa. Zazwyczaj ładunki emitują się podczas znacznego przyspieszenia.
Elektron wyprzedzający swoje światło jest podobny do samolotu lecącego z prędkością większą niż prędkość dźwięku. W tym przypadku stożkowa fala uderzeniowa rozchodzi się również przed samolotem (patrz rys. 2).
Załamanie światła- zjawisko, w którym promień światła przechodząc z jednego ośrodka do drugiego zmienia kierunek na granicy tych ośrodków.
Załamanie światła zachodzi zgodnie z następującym prawem:
Promienie padające i załamane oraz prostopadła poprowadzona do granicy obu ośrodków w punkcie padania promienia leżą w tej samej płaszczyźnie. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla dwóch ośrodków:
,
Gdzie α
- kąt padania,
β
- kąt załamania,
N - stałą wartość niezależną od kąta padania.
Kiedy zmienia się kąt padania, zmienia się również kąt załamania. Im większy kąt padania, tym większy kąt załamania.
Jeśli światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka gęstszego, wówczas kąt załamania jest zawsze mniejszy niż kąt padania: β < α.
Promień światła skierowany prostopadle do granicy między dwoma ośrodkami przechodzi z jednego ośrodka do drugiego bez refrakcji.
bezwzględny współczynnik załamania światła substancji- wartość równa stosunkowi prędkości fazowych światła (fal elektromagnetycznych) w próżni i w danym środowisku n=c/v
Wielkość n zawarta w prawie załamania nazywa się względnym współczynnikiem załamania światła dla pary ośrodków.
Wartość n jest względnym współczynnikiem załamania światła ośrodka B względem ośrodka A, a n" = 1/n jest względnym współczynnikiem załamania ośrodka A względem ośrodka B.
Wartość ta, przy pozostałych parametrach równych, jest większa od jedności, gdy wiązka przechodzi z ośrodka gęstszego do ośrodka mniej gęstego i mniejsza od jedności, gdy wiązka przechodzi z ośrodka mniej gęstego do ośrodka gęstszego (na przykład z ośrodka gazowego lub z próżni do cieczy lub ciała stałego). Istnieją wyjątki od tej reguły i dlatego zwyczajowo nazywa się ośrodek optycznie bardziej lub mniej gęsty niż inny.
Promień padający z przestrzeni pozbawionej powietrza na powierzchnię jakiegoś ośrodka B załamuje się silniej niż wtedy, gdy pada na niego z innego ośrodka A; Współczynnik załamania światła padającego na ośrodek z przestrzeni pozbawionej powietrza nazywany jest jego bezwzględnym współczynnikiem załamania światła.
(Absolutny - w odniesieniu do próżni.
Względny - w stosunku do dowolnej innej substancji (na przykład tego samego powietrza).
Wskaźnikiem względnym dwóch substancji jest stosunek ich wskaźników bezwzględnych.)
Całkowite wewnętrzne odbicie- odbicie wewnętrzne, pod warunkiem, że kąt padania przekracza pewien kąt krytyczny. W tym przypadku padająca fala zostaje całkowicie odbita, a wartość współczynnika odbicia przekracza jego najwyższe wartości dla powierzchni polerowanych. Współczynnik odbicia całkowitego wewnętrznego odbicia jest niezależny od długości fali.
W optyce zjawisko to obserwuje się dla szerokiego zakresu promieniowania elektromagnetycznego, w tym zakresu rentgenowskiego.
W optyce geometrycznej zjawisko to wyjaśnia się w ramach prawa Snella. Biorąc pod uwagę, że kąt załamania nie może przekraczać 90°, stwierdzamy, że przy kącie padania, którego sinus jest większy niż stosunek dolnego współczynnika załamania do większego, fala elektromagnetyczna musi zostać całkowicie odbita w ośrodku pierwszym.
Zgodnie z falową teorią zjawiska, fala elektromagnetyczna w dalszym ciągu przenika do drugiego ośrodka - rozchodzi się tam tzw. „fala niejednorodna”, która zanika wykładniczo i nie niesie ze sobą energii. Charakterystyczna głębokość wnikania niejednorodnej fali do drugiego ośrodka jest rzędu długości fali.
Prawa załamania światła.
Z tego wszystkiego, co zostało powiedziane, wnioskujemy:
1 . Na styku dwóch ośrodków o różnych gęstościach optycznych promień świetlny zmienia swój kierunek podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego.
2. Gdy wiązka światła przechodzi do ośrodka o większej gęstości optycznej, kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania; Kiedy promień świetlny przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka rzadszego, kąt załamania jest większy niż kąt padania.
Załamaniu światła towarzyszy odbicie, a wraz ze wzrostem kąta padania jasność odbitej wiązki wzrasta, a załamana wiązka słabnie. Można to sprawdzić przeprowadzając doświadczenie pokazane na rysunku. W rezultacie odbita wiązka niesie ze sobą więcej energii świetlnej, im większy jest kąt padania.
Pozwalać MN- interfejs pomiędzy dwoma przezroczystymi mediami, np. powietrzem i wodą, JSC- promień padający, OB- promień załamany, - kąt padania, - kąt załamania, - prędkość propagacji światła w ośrodku pierwszym, - prędkość propagacji światła w ośrodku drugim.
Rozwiązując problemy z optyką, często trzeba znać współczynnik załamania światła szkła, wody lub innej substancji. Co więcej, w różnych sytuacjach można zastosować zarówno wartości bezwzględne, jak i względne tej wielkości.
Dwa rodzaje współczynnika załamania światła
Najpierw porozmawiajmy o tym, co pokazuje ta liczba: jak zmienia się kierunek propagacji światła w tym czy innym przezroczystym ośrodku. Co więcej, fala elektromagnetyczna może pochodzić z próżni, a wtedy współczynnik załamania światła szkła lub innej substancji będzie nazywany absolutnym. W większości przypadków jego wartość mieści się w przedziale od 1 do 2. Tylko w bardzo rzadkich przypadkach współczynnik załamania światła jest większy niż dwa.
Jeśli przed obiektem znajduje się ośrodek gęstszy od próżni, wówczas mówią o wartości względnej. Oblicza się go jako stosunek dwóch wartości bezwzględnych. Na przykład względny współczynnik załamania światła szkła wodnego będzie równy ilorazowi wartości bezwzględnych szkła i wody.
W każdym razie jest to oznaczone łacińską literą „en” - n. Wartość tę uzyskuje się poprzez podzielenie tych samych wartości przez siebie, dlatego jest to po prostu współczynnik, który nie ma nazwy.
Jakiego wzoru można użyć do obliczenia współczynnika załamania światła?
Jeśli przyjmiemy kąt padania jako „alfa”, a kąt załamania jako „beta”, to wzór na bezwzględną wartość współczynnika załamania światła wygląda następująco: n = sin α/sin β. W literaturze anglojęzycznej często można spotkać inne oznaczenie. Gdy kąt padania wynosi i, a kąt załamania wynosi r.
Istnieje inny wzór na obliczenie współczynnika załamania światła w szkle i innych przezroczystych mediach. Jest to związane z prędkością światła w próżni i tym samym, ale w rozważanej substancji.
Wtedy wygląda to tak: n = c/νλ. Tutaj c jest prędkością światła w próżni, ν jest jego prędkością w przezroczystym ośrodku, a λ jest długością fali.
Od czego zależy współczynnik załamania światła?
Określa się ją na podstawie prędkości, z jaką światło rozchodzi się w rozważanym ośrodku. Powietrze pod tym względem jest bardzo zbliżone do próżni, dlatego fale świetlne rozchodzą się w nim praktycznie nie odbiegając od pierwotnego kierunku. Dlatego też, jeśli określa się współczynnik załamania światła szkła-powietrza lub jakiejkolwiek innej substancji graniczącej z powietrzem, wówczas tę ostatnią przyjmuje się tradycyjnie jako próżnię.
Każde inne środowisko ma swoją własną charakterystykę. Mają różną gęstość, mają swoją temperaturę, a także naprężenia sprężyste. Wszystko to wpływa na wynik załamania światła przez substancję.
Charakterystyka światła odgrywa ważną rolę w zmianie kierunku propagacji fali. Światło białe składa się z wielu barw, od czerwieni po fiolet. Każda część widma jest załamywana na swój sposób. Co więcej, wartość wskaźnika fali czerwonej części widma będzie zawsze mniejsza niż reszty. Na przykład współczynnik załamania światła szkła TF-1 waha się odpowiednio od 1,6421 do 1,67298 od czerwonej do fioletowej części widma.
Przykłady wartości dla różnych substancji
Oto wartości wartości bezwzględnych, czyli współczynnika załamania światła, gdy wiązka przechodzi z próżni (równoważnej powietrzu) przez inną substancję.
Liczby te będą potrzebne, jeśli konieczne będzie określenie współczynnika załamania światła szkła w stosunku do innych mediów.
Jakie inne wielkości są używane przy rozwiązywaniu problemów?
Całkowita refleksja. Obserwuje się to, gdy światło przechodzi z ośrodka gęstszego do ośrodka mniej gęstego. Tutaj przy pewnym kącie padania załamanie następuje pod kątem prostym. Oznacza to, że wiązka przesuwa się wzdłuż granicy dwóch ośrodków.
Granicznym kątem całkowitego odbicia jest jego minimalna wartość, przy której światło nie ucieka do mniej gęstego ośrodka. Mniej oznacza załamanie, a więcej odbicie w tym samym ośrodku, z którego wyszło światło.
Zadanie nr 1
Stan : schorzenie. Współczynnik załamania światła szkła ma wartość 1,52. Należy określić graniczny kąt, pod jakim światło całkowicie odbija się od styku powierzchni: szkła z powietrzem, wody z powietrzem, szkła z wodą.
Będziesz musiał użyć danych współczynnika załamania światła dla wody podanych w tabeli. Przyjmuje się, że jest to równoznaczne z jednością dla powietrza.
Rozwiązanie we wszystkich trzech przypadkach sprowadza się do obliczeń przy użyciu wzoru:
sin α 0 /sin β = n 1 /n 2, gdzie n 2 oznacza ośrodek, z którego światło rozchodzi się, a n 1 – miejsce jego penetracji.
Litera α 0 oznacza kąt graniczny. Wartość kąta β wynosi 90 stopni. Oznacza to, że jego sinus będzie jeden.
W pierwszym przypadku: sin α 0 = 1 /n szkła, wówczas kąt graniczny okazuje się równy arcusinusowi 1 /n szkła. 1/1,52 = 0,6579. Kąt wynosi 41,14°.
W drugim przypadku, wyznaczając arcusinus, należy zastąpić wartość współczynnika załamania światła wody. Ułamek 1 /n wody przyjmie wartość 1/1,33 = 0,7519. Jest to arcusinus kąta 48,75°.
Trzeci przypadek opisuje stosunek n wody i n szkła. Arcsinus trzeba będzie obliczyć dla ułamka: 1,33/1,52, czyli liczby 0,875. Wartość kąta granicznego wyznaczamy na podstawie jego arcusinusa: 61,05°.
Odpowiedź: 41,14°, 48,75°, 61,05°.
Problem nr 2
Stan : schorzenie. Szklany pryzmat zanurza się w naczyniu z wodą. Jego współczynnik załamania światła wynosi 1,5. Podstawą pryzmatu jest trójkąt prostokątny. Większa noga znajduje się prostopadle do dołu, a druga jest do niej równoległa. Promień światła pada normalnie na górną powierzchnię pryzmatu. Jaki musi być najmniejszy kąt pomiędzy odnogą poziomą a przeciwprostokątną, aby światło docierało do odnogi położonej prostopadle do dna naczynia i wychodziło z pryzmatu?
Aby promień opuścił pryzmat w opisany sposób, musi padać pod maksymalnym kątem na wewnętrzną powierzchnię (tą, która jest przeciwprostokątną trójkąta w przekroju pryzmatu). Ten kąt graniczny okazuje się równy pożądanemu kątowi trójkąta prostokątnego. Z prawa załamania światła wynika, że sinus kąta granicznego podzielony przez sinus 90 stopni jest równy stosunkowi dwóch współczynników załamania światła: wody do szkła.
Obliczenia prowadzą do następującej wartości kąta granicznego: 62°30'.
Procesy związane ze światłem są ważnym elementem fizyki i otaczają nas na każdym kroku w naszym codziennym życiu. Najważniejsze w tej sytuacji są prawa odbicia i załamania światła, na których opiera się współczesna optyka. Załamanie światła jest ważną częścią współczesnej nauki.
Efekt zniekształcenia
W tym artykule dowiesz się, na czym polega zjawisko załamania światła, a także jak wygląda prawo załamania światła i co z niego wynika.
Podstawy zjawisk fizycznych
Kiedy wiązka pada na powierzchnię oddzieloną dwiema przezroczystymi substancjami o różnej gęstości optycznej (na przykład różne szkła lub woda), część promieni zostanie odbita, a część przeniknie do drugiej struktury (na przykład będą się rozmnażać w wodzie lub szkle). Podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego promień zazwyczaj zmienia swój kierunek. Jest to zjawisko załamania światła.
Odbicie i załamanie światła jest szczególnie widoczne w wodzie.
Efekt zniekształcenia w wodzie
Patrząc na rzeczy w wodzie, wydają się zniekształcone. Jest to szczególnie widoczne na granicy powietrza i wody. Wizualnie podwodne obiekty wydają się lekko odchylone. Opisane zjawisko fizyczne jest właśnie powodem, dla którego wszystkie obiekty w wodzie wydają się zniekształcone. Kiedy promienie uderzają w szybę, efekt ten jest mniej zauważalny.
Załamanie światła to zjawisko fizyczne, które charakteryzuje się zmianą kierunku ruchu promienia słonecznego w momencie jego przejścia z jednego ośrodka (struktury) do drugiego.
Aby lepiej zrozumieć ten proces, rozważmy przykład uderzenia wiązki wody z powietrza (podobnie w przypadku szkła). Rysując linię prostopadłą wzdłuż granicy faz, można zmierzyć kąt załamania i powrotu wiązki światła. Ten współczynnik (kąt załamania) będzie się zmieniać w miarę przenikania strumienia przez wodę (wewnątrz szkła).
Notatka! Parametr ten rozumiany jest jako kąt utworzony przez prostopadłą poprowadzoną do rozdzielenia dwóch substancji, gdy wiązka przechodzi z pierwszej konstrukcji do drugiej.
Przejście belki
Ten sam wskaźnik jest typowy dla innych środowisk. Ustalono, że wskaźnik ten zależy od gęstości substancji. Jeśli wiązka spadnie ze struktury mniej gęstej do gęstszej, wówczas powstały kąt zniekształcenia będzie większy. A jeśli jest odwrotnie, to mniej.
Jednocześnie zmiana nachylenia spadku będzie miała wpływ również na ten wskaźnik. Ale relacje między nimi nie pozostają stałe. Jednocześnie stosunek ich sinusów pozostanie stałą wartością, co odzwierciedla następujący wzór: sinα / sinγ = n, gdzie:
- n jest stałą wartością opisaną dla każdej konkretnej substancji (powietrze, szkło, woda itp.). Dlatego jaka będzie ta wartość, można określić za pomocą specjalnych tabel;
- α – kąt padania;
- γ – kąt załamania.
Aby określić to zjawisko fizyczne, stworzono prawo załamania światła.
Prawo fizyczne
Prawo załamania strumieni świetlnych pozwala określić właściwości substancji przezroczystych. Samo prawo składa się z dwóch przepisów:
- Pierwsza część. Belka (wypadająca, modyfikowana) i prostopadła, która została przywrócona w miejscu padania na granicę np. powietrza i wody (szkło itp.), będą znajdować się w tej samej płaszczyźnie;
- Druga część. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa tego samego kąta powstałego przy przekraczaniu granicy będzie miał wartość stałą.
Opis prawa
W takim przypadku w momencie, gdy wiązka wyjdzie z drugiej struktury do pierwszej (na przykład, gdy strumień światła przejdzie z powietrza, przez szybę i z powrotem do powietrza), wystąpi również efekt zniekształcenia.
Ważny parametr dla różnych obiektów
Głównym wskaźnikiem w tej sytuacji jest stosunek sinusa kąta padania do podobnego parametru, ale zniekształcenia. Jak wynika z prawa opisanego powyżej, wskaźnik ten ma wartość stałą.
Co więcej, gdy zmieni się wartość nachylenia spadku, ta sama sytuacja będzie typowa dla podobnego wskaźnika. Parametr ten ma ogromne znaczenie, gdyż jest integralną cechą substancji przezroczystych.
Wskaźniki dla różnych obiektów
Dzięki temu parametrowi można dość skutecznie rozróżnić rodzaje szkła, a także różne kamienie szlachetne. Jest to również ważne przy określaniu prędkości światła w różnych środowiskach.
Notatka! Największa prędkość przepływu światła występuje w próżni.
Podczas przemieszczania się z jednej substancji na drugą jej prędkość będzie się zmniejszać. Przykładowo w diamencie, który ma najwyższy współczynnik załamania światła, prędkość propagacji fotonów będzie 2,42 razy większa niż w powietrzu. W wodzie rozprzestrzeniają się 1,33 razy wolniej. Dla różnych rodzajów szkła parametr ten waha się od 1,4 do 2,2.
Notatka! Niektóre okulary mają współczynnik załamania światła 2,2, czyli bardzo blisko diamentu (2,4). Dlatego nie zawsze da się odróżnić kawałek szkła od prawdziwego diamentu.
Gęstość optyczna substancji
Światło może przenikać przez różne substancje, które charakteryzują się różną gęstością optyczną. Jak powiedzieliśmy wcześniej, za pomocą tego prawa można określić charakterystykę gęstości ośrodka (struktury). Im jest gęstszy, tym wolniejsza jest prędkość, z jaką światło się w nim rozchodzi. Na przykład szkło lub woda będą bardziej gęste optycznie niż powietrze.
Oprócz tego, że parametr ten jest wartością stałą, odzwierciedla on także stosunek prędkości światła w dwóch substancjach. Znaczenie fizyczne można przedstawić za pomocą następującego wzoru:
Wskaźnik ten informuje, jak zmienia się prędkość propagacji fotonów podczas przechodzenia z jednej substancji do drugiej.
Kolejny ważny wskaźnik
Kiedy strumień światła przechodzi przez przezroczyste obiekty, możliwa jest jego polaryzacja. Obserwuje się to podczas przejścia strumienia światła z ośrodków dielektrycznych izotropowych. Polaryzacja zachodzi, gdy fotony przechodzą przez szkło.
Efekt polaryzacji
Częściową polaryzację obserwuje się, gdy kąt padania strumienia światła na granicy dwóch dielektryków jest różny od zera. Stopień polaryzacji zależy od kąta padania (prawo Brewstera).
Pełne odbicie wewnętrzne
Kończąc naszą krótką wycieczkę, nadal konieczne jest rozważenie takiego efektu, jak pełne odbicie wewnętrzne.
Zjawisko pełnego wyświetlania
Aby taki efekt wystąpił, konieczne jest zwiększenie kąta padania strumienia świetlnego w momencie jego przejścia z ośrodka gęstszego do rzadszego na granicy faz. W sytuacji, gdy parametr ten przekroczy pewną wartość graniczną, wówczas fotony padające na granicę tego odcinka zostaną całkowicie odbite. Właściwie będzie to nasze pożądane zjawisko. Bez tego nie byłoby możliwe wykonanie światłowodów.
Wniosek
Praktyczne zastosowanie zachowania strumienia świetlnego dało wiele, tworząc różnorodne urządzenia techniczne poprawiające nasze życie. Jednocześnie światło nie ujawniło jeszcze ludzkości wszystkich swoich możliwości, a jego praktyczny potencjał nie został jeszcze w pełni wykorzystany.
Jak zrobić lampę papierową własnymi rękami Jak sprawdzić działanie paska LED
WSPÓŁCZYNNIK REFRAKCJI(współczynnik załamania światła) - optyczny. charakterystyczne dla środowiska, z którym się łączy załamanie światła na styku dwóch przezroczystych, optycznie jednorodnych i izotropowych ośrodków podczas jego przejścia z jednego ośrodka do drugiego oraz ze względu na różnicę prędkości fazowych propagacji światła w ośrodkach. Wartość P. p. jest równa stosunkowi tych prędkości. względny
P. s. tych środowisk. Jeżeli światło pada na drugi lub pierwszy ośrodek skąd (gdzie jest prędkość światła Z), a następnie ilości bezwzględny procent tych średnich. W tym przypadku prawo załamania można zapisać w postaci gdzie i są kątami padania i załamania.
Wielkość bezwzględnego współczynnika mocy zależy od charakteru i struktury substancji, jej stanu skupienia, temperatury, ciśnienia itp. Przy dużych intensywnościach współczynnik mocy zależy od natężenia światła (patrz. Optyka nieliniowa). W wielu substancjach P. zmienia się pod wpływem wpływów zewnętrznych. elektryczny pola ( Efekt Kerra- w cieczach i gazach; elektrooptyczny Efekt Pockelsa- w kryształach).
Dla danego ośrodka pasmo absorpcji zależy od długości fali światła l, a w obszarze pasm absorpcji zależność ta jest anomalna (patrz rys. Rozproszenie światła).W promieniowaniu rentgenowskim. regionie współczynnik mocy dla prawie wszystkich mediów jest bliski 1, w obszarze widzialnym dla cieczy i ciał stałych wynosi około 1,5; w obszarze IR dla szeregu mediów przezroczystych 4.0 (dla Ge).
Oświetlony.: Landsberg G.S., Optyka, wyd. 5, M., 1976; Sivukhin D.V., Kurs ogólny, wyd. 2, [tom. 4] - Optyka, M., 1985. V. I. Malyshev,