İç yansıma nedir? Işığın toplam iç yansıması olgusu ve uygulaması

Eğer n 1 >n 2 ise >α, yani. ışık optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçerse, kırılma açısı geliş açısından daha büyüktür (Şekil 3)

Geliş açısını sınırlayın. Eğer α=α p,=90˚ ise ışın hava-su arayüzü boyunca kayacaktır.

Eğer α’>α p ise ışık ikinci şeffaf ortama geçmeyecektir çünkü tamamen yansıtılacaktır. Bu fenomene denir ışığın tam yansıması. Kırılan ışının ortamlar arasındaki arayüz boyunca kaydığı geliş açısına αn, toplam yansımanın sınır açısı denir.

Periskoplarda, dürbünlerde, refraktometrelerde vb. yaygın olarak kullanılan ikizkenar dikdörtgen cam prizmada (Şekil 4) tam yansıma gözlemlenebilir.

a) Işık ilk yüze dik olarak düştüğünden burada kırılmaya uğramaz (α=0 ve =0). İkinci yüze gelme açısı α=45˚ yani>α p, (cam için α p =42˚)’dir. Dolayısıyla ışık bu yüze tamamen yansır. Bu, ışını 90˚ döndüren dönen bir prizmadır.

b) Bu durumda prizmanın içindeki ışık çift tam yansımaya maruz kalır. Bu aynı zamanda ışını 180˚ döndüren dönen bir prizmadır.

c) Bu durumda prizma zaten ters çevrilmiştir. Işınlar prizmadan çıktığında gelen ışınlara paraleldirler ancak üstteki gelen ışın alttaki, alttaki gelen ışın da üstteki olur.

Toplam yansıma olgusu, ışık kılavuzlarında geniş bir teknik uygulama alanı bulmuştur.

Işık kılavuzu, çapı yaklaşık 20 mikron ve her birinin uzunluğu yaklaşık 1 m olan çok sayıda ince cam filamentten oluşur. Bu iplikler birbirine paraleldir ve yakın konumdadır (Şekil 5)

Her bir iplik, kırılma indisi ipliğin kendisinden daha düşük olan ince bir cam kabuk ile çevrelenmiştir. Işık kılavuzunun iki ucu vardır; ışık kılavuzunun her iki ucundaki ipliklerin uçlarının göreceli konumları kesinlikle aynıdır.

Işık kılavuzunun bir ucuna bir nesne yerleştirip onu aydınlatırsanız, ışık kılavuzunun diğer ucunda bu nesnenin görüntüsü görünecektir.

Görüntü, nesnenin küçük bir alanından gelen ışığın her bir ipliğin ucuna girmesi nedeniyle elde edilir. Pek çok toplam yansımayı deneyimleyen ışık, ipliğin karşı ucundan çıkar ve yansımayı nesnenin belirli bir küçük alanına iletir.

Çünkü ipliklerin birbirine göre düzeni kesinlikle aynıdır, bu durumda nesnenin karşılık gelen görüntüsü diğer uçta belirir. Görüntünün netliği ipliklerin çapına bağlıdır. Her ipliğin çapı ne kadar küçük olursa nesnenin görüntüsü o kadar net olur. Bir ışık ışınının yolu boyunca ışık enerjisi kayıpları genellikle demetlerde (liflerde) nispeten küçüktür, çünkü toplam yansımada yansıma katsayısı nispeten yüksektir (~0,9999). Enerji kaybı esas olarak ışığın fiberin içindeki madde tarafından emilmesinden kaynaklanır.

Örneğin 1 m uzunluğundaki bir fiberde spektrumun görünür kısmında enerjinin %30-70'i (ancak bir demet halinde) kaybolur.

Bu nedenle, büyük ışık akılarını iletmek ve ışık ileten sistemin esnekliğini korumak için, tek tek lifler demetler (demetler) halinde toplanır - ışık kılavuzları

Işık kılavuzları tıpta iç boşlukları soğuk ışıkla aydınlatmak ve görüntü iletmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Endoskop– iç boşlukları (mide, rektum vb.) incelemek için özel bir cihaz. Işık kılavuzları kullanılarak, tümörler üzerinde terapötik etkiler için lazer radyasyonu iletilir. Ve insan retinası ~ 130x10 8 fiberden oluşan oldukça organize bir fiber optik sistemdir.

Geometrik ve dalga optiği. Bu yaklaşımları kullanma koşulları (dalga boyu ile nesne boyutu arasındaki ilişkiye dayalı olarak). Dalga tutarlılığı. Mekansal ve zamansal tutarlılık kavramı. Uyarılmış emisyon. Lazer radyasyonunun özellikleri. Lazerin yapısı ve çalışma prensibi.

Işığın bir dalga olgusu olması nedeniyle girişim meydana gelir ve bunun sonucunda sınırlıışık huzmesi herhangi bir yönde yayılmaz, ancak sonlu bir açısal dağılıma sahiptir, yani kırınım meydana gelir. Bununla birlikte, ışık ışınlarının karakteristik enine boyutlarının dalga boyuna kıyasla yeterince büyük olduğu durumlarda, ışık ışınının sapmasını ihmal edebilir ve onun tek bir yönde, yani ışık ışını boyunca yayıldığını varsayabiliriz.

Dalga optiği, dalga doğasını dikkate alarak ışığın yayılmasını açıklayan bir optik dalıdır. Dalga optiği olayları - girişim, kırınım, polarizasyon vb.

Dalga girişimi, uzayda aynı anda yayılan iki veya daha fazla tutarlı dalganın genliğinin karşılıklı olarak güçlendirilmesi veya zayıflatılmasıdır.

Dalga kırınımı, dalga yayılımı sırasında geometrik optik yasalarından sapma olarak kendini gösteren bir olgudur.

Polarizasyon - herhangi bir nesnenin, özellikle uzayda ayrılmasıyla ilişkili süreçler ve durumlar.

Fizikte tutarlılık, çeşitli salınımlı veya dalga süreçlerinin zaman içindeki korelasyonu (tutarlılığı) olup, bunlar eklendiklerinde kendini gösterir. Salınımlar, eğer faz farkları zaman içinde sabitse ve salınımlar toplandığında aynı frekansta bir salınım elde ediliyorsa tutarlıdır.

İki salınım arasındaki faz farkı çok yavaş değişiyorsa salınımların bir süre tutarlı kaldığı söylenir. Bu süreye tutarlılık süresi denir.

Uzaysal tutarlılık, dalga yayılma yönüne dik düzlemin farklı noktalarında aynı anda meydana gelen salınımların tutarlılığıdır.

Uyarılmış emisyon, bir kuantum sisteminin (atom, molekül, çekirdek vb.) uyarılmış bir durumdan kararlı bir duruma (düşük enerji seviyesi) geçişi sırasında, indükleyici bir fotonun etkisi altında yeni bir fotonun üretilmesidir. bu da enerji seviyelerindeki farka eşitti. Oluşturulan foton, indükleyici fotonla (soğurulmayan) aynı enerjiye, momentuma, faza ve polarizasyona sahiptir.

Lazer radyasyonu, sabit güçte sürekli olabilir veya son derece yüksek tepe güçlerine ulaşan darbeli olabilir. Bazı şemalarda, lazer çalışma elemanı başka bir kaynaktan gelen radyasyon için optik amplifikatör olarak kullanılır.

Lazer işleminin fiziksel temeli, zorlanmış (uyarılmış) radyasyon olgusudur. Bu olgunun özü, uyarılmış bir atomun, başka bir fotonun etkisi altında, soğurulmadan bir foton yayabilmesidir; eğer ikincisinin enerjisi, atomun önceki ve sonraki seviyelerinin enerjileri arasındaki farka eşitse. radyasyon. Bu durumda yayılan foton, radyasyona neden olan fotonla tutarlıdır (“tam kopyasıdır”). Bu şekilde ışık güçlendirilir. Bu fenomen, yayılan fotonların rastgele yayılma yönlerine, polarizasyona ve faza sahip olduğu kendiliğinden radyasyondan farklıdır.

Tüm lazerler üç ana bölümden oluşur:

aktif (çalışma) ortamı;

pompalama sistemleri (enerji kaynağı);

optik rezonatör (lazer amplifikatör modunda çalışıyorsa mevcut olmayabilir).

Her biri lazerin kendine özgü işlevlerini yerine getirmesini sağlar.

Geometrik optik. Toplam iç yansıma olgusu. Toplam yansımanın sınır açısı. Işınların seyri. Fiber optik.

Geometrik optik, şeffaf ortamlarda ışığın yayılma yasalarını ve dalga özelliklerini dikkate almadan ışık optik sistemlerden geçtiğinde görüntü oluşturma ilkelerini inceleyen bir optik dalıdır.

Toplam iç yansıma, geliş açısının belirli bir kritik açıyı aşması koşuluyla iç yansımadır. Bu durumda gelen dalga tamamen yansıtılır ve yansıma katsayısının değeri cilalı yüzeyler için en yüksek değerleri aşar. Toplam iç yansımanın yansıması dalga boyundan bağımsızdır.

Toplam iç yansımanın sınır açısı

Kırılan ışının optik olarak daha yoğun bir ortama geçmeden iki ortam arasındaki arayüz boyunca kaymaya başladığı geliş açısı

Işınların yolu aynalarda, prizmalarda ve merceklerde

Bir nokta kaynaktan gelen ışık ışınları her yöne doğru hareket eder. Optik sistemlerde geriye doğru eğilerek ortamlar arasındaki arayüzlerden yansıyan ışınların bir kısmı bir noktada tekrar kesişebilir. Bir noktaya nokta görüntüsü denir. Bir ışın aynalardan yansıdığında yasa yerine gelir: "Yansıyan ışın her zaman gelen ışınla aynı düzlemde bulunur ve gelme noktasından geçen çarpma yüzeyinin normali ile gelme açısı bundan çıkarılır. bu normal, çarpma açısına eşittir.”

Fiber optik - bu terim şu anlama gelir:

Optik fiberlerde ortaya çıkan ve meydana gelen fiziksel olayları inceleyen bir optik dalı veya

Optik fiber bazlı bileşenler içeren hassas mühendislik endüstrilerinden ürünler.

Fiber optik cihazlar arasında lazerler, amplifikatörler, çoklayıcılar, çoğullayıcılar ve diğer birçok cihaz bulunur. Fiber optik bileşenler yalıtkanları, aynaları, konektörleri, ayırıcıları vb. içerir. Bir fiber optik cihazın temeli, belirli bir sırayla bağlanan bir dizi fiber optik bileşenden oluşan optik devresidir. Optik devreler geri beslemeli veya geri beslemesiz olarak kapalı veya açık olabilir.

Elektromanyetik dalgaların çeşitli ortamlarda yayılması yansıma ve kırılma yasalarına tabidir. Bu yasalardan, belirli koşullar altında, fizikte ışığın toplam iç yansıması olarak adlandırılan ilginç bir etki ortaya çıkar. Bu etkinin ne olduğuna daha yakından bakalım.

Yansıma ve kırılma

Işığın dahili toplam yansımasının doğrudan değerlendirilmesine geçmeden önce, yansıma ve kırılma süreçlerini açıklamak gerekir.

Yansıma, bir ışık ışınının aynı ortamdaki herhangi bir arayüzle karşılaştığında hareket yönünün değişmesini ifade eder. Örneğin lazer işaretleyiciyi bir aynaya doğrultursanız anlatılan etkiyi gözlemleyebilirsiniz.

Kırılma, tıpkı yansıma gibi, ışığın hareket yönündeki bir değişikliktir, ancak birinci ortamda değil, ikinci ortamda. Bu olgunun sonucu, nesnelerin ana hatlarının ve bunların mekansal düzenlemelerinin bozulması olacaktır. Kırılmanın yaygın bir örneği, bir kalemin veya tükenmez kalemin bir bardak suya konulduğunda kırılmasıdır.

Kırılma ve yansıma birbiriyle ilişkilidir. Neredeyse her zaman bir arada bulunurlar: ışının enerjisinin bir kısmı yansıtılır, diğer kısmı ise kırılır.

Her iki olay da Fermat ilkesinin uygulanmasının sonucudur. Işığın iki nokta arasındaki yol boyunca en az zaman harcayarak hareket ettiğini belirtiyor.

Yansıma tek bir ortamda meydana gelen bir etki olduğundan ve kırılma iki ortamda meydana geldiğinden, ikincisi için her iki ortamın da elektromanyetik dalgalara karşı şeffaf olması önemlidir.

Kırılma indisi kavramı

Kırılma indisi, söz konusu olayın matematiksel açıklaması için önemli bir niceliktir. Belirli bir ortamın kırılma indisi aşağıdaki şekilde belirlenir:

Burada c ve v sırasıyla ışığın boşluk ve madde içindeki hızlarıdır. V'nin değeri her zaman c'den küçüktür, dolayısıyla n üssü birden büyük olacaktır. Boyutsuz katsayı n, bir maddedeki (ortamdaki) ışığın boşluktaki ışığın ne kadar gerisinde kalacağını gösterir. Bu hızlar arasındaki fark kırılma olayının ortaya çıkmasına neden olur.

Işığın maddedeki hızı maddenin yoğunluğuyla ilişkilidir. Ortam ne kadar yoğun olursa ışığın içinden geçmesi o kadar zor olur. Örneğin hava için n = 1,00029, yani neredeyse vakumda olduğu gibi, su için n = 1,333.

Yansımalar, kırılma ve yasaları

Tam yansıma sonucunun en iyi örneği elmasın parlak yüzeyidir. Bir elmasın kırılma indisi 2,43'tür, bu nedenle bir mücevhere giren ışık ışınlarının çoğu, onu terk etmeden önce birden fazla toplam yansımaya maruz kalır.

Elmas için kritik açıyı θc belirleme problemi

Verilen formüllerin nasıl kullanılacağını göstereceğimiz basit bir problemi ele alalım. Bir elmasın havadan suya yerleştirilmesi durumunda toplam yansımanın kritik açısının ne kadar değişeceğini hesaplamak gerekir.

Tabloda belirtilen ortamın kırılma indekslerinin değerlerine baktıktan sonra bunları yazıyoruz:

hava için: n 1 = 1,00029;
su için: n2 = 1,333;
elmas için: n3 = 2,43.

Elmas-hava çifti için kritik açı:

θ c1 = arcsin(n 1 /n 3) = arcsin(1,00029/2,43) ≈ 24,31 o.

Gördüğünüz gibi, bu ortam çifti için kritik açı oldukça küçüktür, yani yalnızca normale 24.31 o'dan daha yakın olan ışınlar elmastan havaya çıkabilir.

Sudaki elmas durumu için şunu elde ederiz:

θ c2 = arcsin(n 2 /n 3) = arcsin(1,333/2,43) ≈ 33,27 o.

Kritik açıdaki artış şuydu:

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o.

Işığın elmasta tam yansıması için kritik açıdaki bu hafif artış, elmasın suda neredeyse havada olduğu gibi parlamasına neden olur.

Öncelikle biraz hayal edelim. MÖ sıcak bir yaz gününü düşünün, ilkel bir insan balık avlamak için mızrak kullanıyor. Konumunu fark eder, nişan alır ve herhangi bir nedenle balığın hiç görünmediği bir yere saldırır. Kaçırıldı? Hayır, balıkçının elinde av var! Mesele şu ki, atamız şimdi çalışacağımız konuyu sezgisel olarak anladı. Günlük yaşamda bir bardağa batırılan kaşığın eğri göründüğünü, cam kavanozun içinden baktığımızda ise nesnelerin çarpık göründüğünü görürüz. Konusu “Işığın kırılması” olan dersimizde tüm bu soruları ele alacağız. Işığın kırılma kanunu. Tam bir iç yansıma."

Önceki derslerde bir ışının kaderinden iki durumda bahsetmiştik: Bir ışık ışınının şeffaf ve homojen bir ortamda yayılması durumunda ne olur? Doğru cevap düz bir çizgi halinde yayılacağıdır. İki ortam arasındaki arayüze bir ışık huzmesi düştüğünde ne olur? Son dersimizde yansıyan ışından bahsetmiştik, bugün ışık ışınının ortam tarafından emilen kısmına bakacağız.

Birinci optik olarak şeffaf ortamdan ikinci optik olarak şeffaf ortama geçen ışının akıbeti ne olacaktır?

Pirinç. 1. Işığın kırılması

Bir ışın iki şeffaf ortam arasındaki arayüze düşerse, ışık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri dönerek yansıyan bir ışın oluşturur ve diğer kısmı içeriye doğru ikinci ortama geçer ve kural olarak yönünü değiştirir.

Işığın iki ortam arasındaki arayüzeyden geçerken yayılma yönündeki değişikliğe denir. ışığın kırılması(Şekil 1).

Pirinç. 2. Gelme, kırılma ve yansıma açıları

Şekil 2'de bir gelen ışın görüyoruz; geliş açısı α ile gösterilecektir. Kırılan ışık ışınının yönünü ayarlayacak ışına kırılan ışın adı verilecektir. Geliş noktasından yeniden oluşturulan arayüze dik ile kırılan ışın arasındaki açıya kırılma açısı denir; bu şekilde γ açısıdır. Resmi tamamlamak için ayrıca yansıyan ışının bir görüntüsünü ve buna göre yansıma açısı β'yı da vereceğiz. Gelme açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişki nedir? Gelme açısını ve ışının hangi ortamdan geçtiğini bilerek kırılma açısının ne olacağını tahmin etmek mümkün müdür? Bunun mümkün olduğu ortaya çıktı!

Geliş açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişkiyi niceliksel olarak tanımlayan bir yasa elde ediyoruz. Dalgaların bir ortamda yayılmasını düzenleyen Huygens ilkesini kullanalım. Kanun iki bölümden oluşuyor.

Gelen ışın, kırılan ışın ve geliş noktasına getirilen dikme aynı düzlemde yer alır..

Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, belirli iki ortam için sabit bir değerdir ve bu ortamlardaki ışık hızlarının oranına eşittir.

Bu yasaya, onu ilk formüle eden Hollandalı bilim adamının onuruna Snell yasası adı verilmiştir. Kırılmanın nedeni ışığın farklı ortamlardaki hızının farklı olmasıdır. Bir ışık ışınını iki ortam arasındaki arayüze farklı açılarda deneysel olarak yönlendirerek ve geliş ve kırılma açılarını ölçerek kırılma yasasının geçerliliğini doğrulayabilirsiniz. Bu açıları değiştirirsek, sinüsleri ölçersek ve bu açıların sinüsleri oranını bulursak kırılma yasasının gerçekten geçerli olduğuna ikna oluruz.

Huygens ilkesini kullanan kırılma yasasının kanıtı, ışığın dalga doğasının bir başka doğrulamasıdır.

Göreceli kırılma indisi n21, birinci ortamdaki V1 ışığının hızının ikinci ortamdaki V2 hızından kaç kat farklı olduğunu gösterir.

Göreceli kırılma indisi, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesinin nedeninin, ışığın iki ortamdaki farklı hızları olduğu gerçeğinin açık bir göstergesidir. "Ortamın optik yoğunluğu" kavramı genellikle bir ortamın optik özelliklerini karakterize etmek için kullanılır (Şekil 3).

Pirinç. 3. Ortamın optik yoğunluğu (α > γ)

Bir ışın, ışık hızı yüksek bir ortamdan ışık hızı düşük bir ortama geçerse, Şekil 3'ten ve ışığın kırılma kanunundan da görülebileceği gibi, dikliğe doğru bastırılacaktır, yani kırılma açısı gelme açısından küçüktür. Bu durumda ışının daha az yoğun bir optik ortamdan optik olarak daha yoğun bir ortama geçtiği söylenir. Örnek: havadan suya; sudan bardağa.

Bunun tersi de mümkündür: Birinci ortamdaki ışığın hızı, ikinci ortamdaki ışık hızından daha düşüktür (Şekil 4).

Pirinç. 4. Ortamın optik yoğunluğu (α< γ)

O zaman kırılma açısı geliş açısından daha büyük olacak ve böyle bir geçişin optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama (camdan suya) yapıldığı söylenecektir.

İki ortamın optik yoğunluğu oldukça farklı olabilir, böylece fotoğrafta gösterilen durum mümkün hale gelir (Şek. 5):

Pirinç. 5. Ortamın optik yoğunluğundaki farklılıklar

Daha yüksek optik yoğunluğa sahip bir ortamda, sıvı içinde başın gövdeye göre nasıl yer değiştirdiğine dikkat edin.

Bununla birlikte, bağıl kırılma indisi, birinci ve ikinci ortamdaki ışığın hızına bağlı olduğundan her zaman üzerinde çalışılması uygun bir özellik değildir, ancak bu tür birçok kombinasyon ve iki ortamın (su - hava, hava) kombinasyonları olabilir. cam - elmas, gliserin - alkol, cam - su vb.). Tablolar çok hantal olurdu, çalışmak sakıncalı olurdu ve sonra diğer ortamlardaki ışık hızının karşılaştırılmasıyla karşılaştırıldığında tek bir mutlak ortam getirdiler. Mutlak olarak vakum seçildi ve ışığın hızı, ışığın boşluktaki hızıyla karşılaştırıldı.

Ortamın mutlak kırılma indisi n- bu, ortamın optik yoğunluğunu karakterize eden ve ışık hızının oranına eşit olan bir miktardır İLE boşlukta belirli bir ortamda ışık hızına ulaşır.

Mutlak kırılma indisi iş için daha uygundur, çünkü ışığın boşluktaki hızının 3·10 8 m/s'ye eşit olduğunu her zaman biliriz ve evrensel bir fiziksel sabittir.

Mutlak kırılma indisi harici parametrelere bağlıdır: sıcaklık, yoğunluk ve ayrıca ışığın dalga boyuna, bu nedenle tablolar genellikle belirli bir dalga boyu aralığı için ortalama kırılma indeksini gösterir. Hava, su ve camın kırılma indislerini karşılaştırırsak (Şekil 6), havanın birliğe yakın bir kırılma indisine sahip olduğunu görürüz, bu nedenle problemleri çözerken bunu birlik olarak ele alacağız.

Pirinç. 6. Farklı ortamlar için mutlak kırılma indeksleri tablosu

Ortamın mutlak ve bağıl kırılma indisi arasında bir ilişki elde etmek zor değildir.

Yani birinci ortamdan ikinci ortama geçen bir ışın için bağıl kırılma indisi, ikinci ortamdaki mutlak kırılma indisinin birinci ortamdaki mutlak kırılma indisine oranına eşittir.

Örneğin: = ≈ 1,16

İki ortamın mutlak kırılma indisleri hemen hemen aynıysa, bu, bir ortamdan diğerine geçerken göreceli kırılma indisinin birliğe eşit olacağı, yani ışık ışınının gerçekte kırılmayacağı anlamına gelir. Örneğin, anason yağından beril değerli taşına geçerken ışık pratikte bükülmez, yani anason yağından geçerken olduğu gibi davranacaktır, çünkü kırılma indeksleri sırasıyla 1,56 ve 1,57'dir, bu nedenle değerli taş olabilir sanki bir sıvının içinde saklıymış gibi görünmeyecek.

Şeffaf bir bardağa su döküp camın duvarından ışığa bakarsak, şimdi tartışacağımız toplam iç yansıma olgusu nedeniyle yüzeyde gümüşi bir parlaklık göreceğiz. Bir ışık demeti daha yoğun bir optik ortamdan daha az yoğun bir optik ortama geçtiğinde ilginç bir etki gözlemlenebilir. Kesinlik sağlamak için ışığın sudan havaya geldiğini varsayacağız. Rezervuarın derinliklerinde her yöne ışın yayan bir nokta ışık kaynağı S olduğunu varsayalım. Örneğin bir dalgıç el fenerini parlatıyor.

SO 1 ışını su yüzeyine en küçük açıyla düşer, bu ışın kısmen kırılır - O 1 A 1 ışını ve kısmen suya geri yansıtılır - O 1 B 1 ışını. Böylece gelen ışının enerjisinin bir kısmı kırılan ışına aktarılır, geri kalan enerji ise yansıyan ışına aktarılır.

Pirinç. 7. Toplam iç yansıma

Geliş açısı daha büyük olan SO2 ışını da iki ışına bölünmüştür: kırılmış ve yansıtılmış, ancak orijinal ışının enerjisi aralarında farklı şekilde dağıtılmıştır: kırılmış ışın O2A2, O1'den daha sönük olacaktır. A 1 ışını, yani daha küçük bir enerji payı alacaktır ve buna göre yansıyan O 2 B 2 ışını, O 1 B 1 ışınından daha parlak olacaktır, yani daha büyük bir enerji payı alacaktır. Gelme açısı arttıkça aynı model izlenebilir; gelen ışının enerjisinin giderek daha büyük bir kısmı yansıyan ışına gider ve giderek daha küçük bir pay da kırılan ışına gider. Kırılan ışın giderek kararır ve bir noktada tamamen kaybolur; bu kaybolma, 90° kırılma açısına karşılık gelen geliş açısına ulaştığında meydana gelir. Bu durumda, kırılan OA ışınının su yüzeyine paralel gitmesi gerekir, ancak gidecek hiçbir şey kalmaz - gelen SO ışınının tüm enerjisi tamamen yansıyan OB ışınına gider. Doğal olarak geliş açısının daha da artmasıyla kırılan ışın kaybolacaktır. Açıklanan fenomen, toplam iç yansımadır, yani, dikkate alınan açılarda daha yoğun bir optik ortam, kendisinden ışın yaymaz, hepsi içine yansır. Bu olayın meydana geldiği açıya denir toplam iç yansımanın sınır açısı.

Sınır açısının değeri kırılma kanunundan kolaylıkla bulunabilir:

= => = arksin, su için ≈ 49 0

Toplam iç yansıma olgusunun en ilginç ve popüler uygulaması, dalga kılavuzları veya fiber optiklerdir. Bu tam olarak modern telekomünikasyon şirketlerinin internette kullandığı sinyalleri gönderme yöntemidir.

Işığın kırılma yasasını elde ettik, yeni bir kavram (göreceli ve mutlak kırılma indisleri) tanıttık ve aynı zamanda toplam iç yansıma olgusunu ve bunun fiber optik gibi uygulamalarını da anladık. Ders kısmında ilgili testleri ve simülatörleri analiz ederek bilgilerinizi pekiştirebilirsiniz.

Huygens ilkesini kullanarak ışığın kırılma yasasının kanıtını elde edelim. Kırılma nedeninin ışığın iki farklı ortamdaki hızındaki fark olduğunu anlamak önemlidir. Işığın hızını birinci ortamda V 1, ikinci ortamda ise V 2 olarak gösterelim (Şekil 8).

Pirinç. 8. Işığın kırılma yasasının kanıtı

Düzlem bir ışık dalgasının, örneğin havadan suya, iki ortam arasındaki düz bir arayüze düşmesine izin verin. AS dalga yüzeyi ışınlara diktir ve MN ortamı arasındaki arayüze ilk olarak ışın tarafından ulaşılır ve ışın aynı yüzeye ∆t zaman aralığından sonra ulaşır; bu, SV yolunun hıza bölünmesine eşit olacaktır. Birinci ortamda ışık.

Bu nedenle, B noktasındaki ikincil dalga henüz uyarılmaya başladığı anda, A noktasından gelen dalga zaten AD yarıçaplı bir yarım küre biçimine sahiptir ve bu, ışığın ikinci ortamdaki ∆ hızına eşittir. t: AD = ·∆t, yani görsel eylemde Huygens ilkesi. Kırılan bir dalganın dalga yüzeyi, merkezleri ortamlar arasındaki arayüzde bulunan ikinci ortamdaki tüm ikincil dalgalara teğet bir yüzey çizilerek elde edilebilir, bu durumda bu BD düzlemidir, BD'nin zarfıdır. ikincil dalgalar. Işının geliş açısı α, ABC üçgenindeki CAB açısına eşittir, bu açılardan birinin kenarları diğerinin kenarlarına diktir. Sonuç olarak SV, ilk ortamdaki ışığın hızına ∆t kadar eşit olacaktır.

CB = ∆t = AB sin α

Buna karşılık, kırılma açısı ABD üçgenindeki ABD açısına eşit olacaktır, dolayısıyla:

АD = ∆t = АВ sin γ

İfadeleri terime bölerek şunu elde ederiz:

n, geliş açısına bağlı olmayan sabit bir değerdir.

Işığın kırılma yasasını elde ettik; gelme açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı verilen iki ortam için sabit bir değerdir ve verilen iki ortamdaki ışık hızlarının oranına eşittir. .

Opak duvarlara sahip kübik bir kap, gözlemcinin gözü dibini göremeyecek, ancak CD kabının duvarını tamamen görecek şekilde konumlandırılmıştır. Gözlemcinin D açısından b = 10 cm uzaklıkta bulunan F nesnesini görebilmesi için kaba ne kadar su dökülmelidir? Damar kenarı α = 40 cm (Şek. 9).

Bu sorunu çözerken çok önemli olan nedir? Göz kabın dibini görmediği, ancak yan duvarın en uç noktasını gördüğü ve kap bir küp olduğu için, onu döktüğümüzde ışının su yüzeyine gelme açısının şu olacağını tahmin edelim: 45 0'a eşit.

Pirinç. 9. Birleşik Devlet Sınavı görevi

Işın F noktasına düşüyor, bu da nesneyi net olarak gördüğümüz anlamına geliyor ve siyah noktalı çizgi de ışının su yoksa yani D noktasına kadar olan seyrini gösteriyor. NFK üçgeninden açının tanjantı Kırılma açısının tanjantı olan β, karşı tarafın bitişik tarafa oranıdır veya şekle göre h eksi b'nin h'ye bölümüdür.

tg β = = , h döktüğümüz sıvının yüksekliğidir;

Toplam iç yansımanın en yoğun olgusu fiber optik sistemlerde kullanılır.

Pirinç. 10. Fiber optik

Bir ışık demeti katı bir cam tüpün ucuna yönlendirilirse, birden fazla toplam iç yansımadan sonra ışın tüpün karşı tarafından çıkacaktır. Cam tüpün bir ışık dalgasının veya bir dalga kılavuzunun iletkeni olduğu ortaya çıktı. Bu, tüpün düz veya kavisli olmasına bakılmaksızın gerçekleşecektir (Şekil 10). Dalga kılavuzlarının ikinci adı olan ilk ışık kılavuzları, ulaşılması zor yerleri aydınlatmak için kullanıldı (tıbbi araştırmalar sırasında, ışık kılavuzunun bir ucuna ışık sağlandığında ve diğer ucu istenen yeri aydınlattığında). Ana uygulama tıp, motorların kusur tespitidir, ancak bu tür dalga kılavuzları en yaygın olarak bilgi iletim sistemlerinde kullanılır. Bir ışık dalgasıyla bir sinyal iletirken taşıyıcı frekansı, bir radyo sinyalinin frekansından milyon kat daha yüksektir; bu, bir ışık dalgası kullanarak iletebileceğimiz bilgi miktarının, iletilen bilgi miktarından milyonlarca kat daha fazla olduğu anlamına gelir. radyo dalgaları tarafından. Bu, zengin bilgiyi basit ve ucuz bir şekilde iletmek için harika bir fırsattır. Tipik olarak bilgi, lazer radyasyonu kullanılarak bir fiber kablo aracılığıyla iletilir. Fiber optik, büyük miktarda iletilen bilgi içeren bir bilgisayar sinyalinin hızlı ve kaliteli iletimi için vazgeçilmezdir. Ve tüm bunların temelinde ışığın kırılması gibi basit ve sıradan bir olay vardır.

Referanslar

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizik (temel seviye) - Yüksek Lisans: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizik 10. sınıf. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizik - 9, Moskova, Eğitim, 1990.

Edu.glavsprav.ru ().
Nvtc.ee ().
Raal100.narod.ru ().
Optika.ucoz.ru ().

Ev ödevi

Işığın kırılmasını tanımlayın.
Işığın kırılmasının nedenini yazınız.
Toplam iç yansımanın en popüler uygulamalarını adlandırın.

Toplam iç yansıma

İç yansıma- dalganın daha yüksek kırılma indisine sahip bir ortamdan gelmesi koşuluyla, iki şeffaf ortam arasındaki arayüzden elektromanyetik dalgaların yansıması olgusu.

Eksik iç yansıma- Geliş açısının kritik açıdan küçük olması koşuluyla iç yansıma. Bu durumda ışın kırılan ve yansıyan olarak ayrılır.

Toplam iç yansıma- geliş açısının belirli bir kritik açıyı aşması koşuluyla iç yansıma. Bu durumda gelen dalga tamamen yansıtılır ve yansıma katsayısının değeri cilalı yüzeyler için en yüksek değerleri aşar. Ayrıca toplam iç yansımanın yansıması dalga boyundan bağımsızdır.

Bu optik olay, X-ışını aralığı da dahil olmak üzere geniş bir elektromanyetik radyasyon aralığı için gözlemlenir.

Geometrik optik çerçevesinde bu olgunun açıklaması önemsizdir: Snell yasasına dayanarak ve kırılma açısının 90°'yi aşamayacağını hesaba katarak, sinüsü, geometrik optiklerin oranından daha büyük olan bir geliş açısında bunu elde ederiz. Daha küçük kırılma indeksi daha büyük katsayıya göre, elektromanyetik dalganın birinci ortama tamamen yansıtılması gerekir.

Olayın dalga teorisine uygun olarak, elektromanyetik dalga hala ikinci ortama nüfuz ediyor - "tekdüze olmayan dalga" olarak adlandırılan, üstel olarak bozunan ve kendisiyle birlikte enerji taşımayan orada yayılır. Homojen olmayan bir dalganın ikinci ortama karakteristik nüfuz derinliği, dalga boyu düzeyindedir.

Işığın toplam iç yansıması

İki ortam arasındaki arayüze gelen iki tek renkli ışın örneğini kullanarak iç yansımayı ele alalım. Işınlar, kırılma indisi olan daha yoğun bir ortamın (daha koyu mavi renkle gösterilir) bir bölgesinden, kırılma indisi olan daha az yoğun bir ortamın (açık mavi renkle gösterilir) sınırına düşer.

Kırmızı ışın belli bir açıyla düşüyor yani ortamın sınırında çatallanır - kısmen kırılır ve kısmen yansıtılır. Işının bir kısmı belli bir açıyla kırılır.

Yeşil ışın düşüyor ve tamamen yansıtılıyor src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Doğada ve teknolojide toplam içsel yansıma

X-ışını yansıması

X-ışınlarının otlatma sırasındaki kırılması ilk olarak X-ışını aynasını geliştiren M. A. Kumakhov tarafından formüle edildi ve 1923'te Arthur Compton tarafından teorik olarak doğrulandı.

Diğer dalga olayları

Kırılmanın ve dolayısıyla toplam iç yansıma etkisinin gösterilmesi, örneğin farklı viskozite veya yoğunluktaki bölgeler arasındaki geçiş sırasında bir sıvının yüzeyindeki ve kalınlığındaki ses dalgaları için mümkündür.

Yavaş nötron ışınları için elektromanyetik radyasyonun toplam iç yansımasının etkisine benzer olaylar gözlenir.

Brewster açısında arayüze dikey olarak polarize bir dalga gelirse, tam kırılmanın etkisi gözlemlenecektir - yansıyan dalga olmayacaktır.

Notlar

Wikimedia Vakfı.

2010.
Tam nefes

Değişimi tamamla

Diğer sözlüklerde “Toplam iç yansıma”nın ne olduğuna bakın: TOPLAM İÇ YANSIMA - yansıma el. mag. radyasyon (özellikle ışık), yüksek kırılma indisine sahip bir ortamdan iki şeffaf ortam arasındaki arayüze düştüğünde. P.v. O. geliş açısı i belirli bir sınırlayıcı (kritik) açıyı aştığında meydana gelir...

Toplam iç yansıma Fiziksel ansiklopedi

Toplam iç yansıma- Toplam iç yansıma. Işık n1 > n2 olan bir ortamdan geçtiğinde, gelme açısı a2 > apr ise toplam iç yansıma meydana gelir; geliş açısında a1 Resimli Ansiklopedik Sözlük - yüksek kırılma indisine sahip bir ortamdan iki şeffaf ortamın arayüzüne düştüğünde optik radyasyonun (bkz. Optik radyasyon) (ışık) veya başka bir aralıktaki elektromanyetik radyasyonun (örneğin radyo dalgaları) yansıması... ...

Diğer sözlüklerde “Toplam iç yansıma”nın ne olduğuna bakın: Büyük Sovyet Ansiklopedisi - elektromanyetik dalgalar, büyük kırılma indeksi n1 olan bir ortamdan, daha düşük kırılma indeksi n2 olan bir ortama, sinapr=n2/n1 oranıyla belirlenen apr sınır açısını aşan bir geliş açısıyla geçtiklerinde meydana gelir. Tam dolu... ...

Diğer sözlüklerde “Toplam iç yansıma”nın ne olduğuna bakın: Modern ansiklopedi - TAM İÇ YANSIMA, sınırda ışığın KIRILMASI olmadan YANSIMA. Işık daha yoğun bir ortamdan (örneğin cam) daha az yoğun bir ortama (su veya hava) geçtiğinde, ışığın sınırdan geçmediği bir kırılma açıları bölgesi vardır.

Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük toplam iç yansıma - Işığın optik olarak daha az yoğun bir ortamdan yansıması ve düştüğü ortama tamamen geri dönmesi. [Önerilen terimlerin toplanması. Sayı 79. Fiziksel optik. SSCB Bilimler Akademisi. Bilimsel ve Teknik Terminoloji Komitesi. 1970] Konular… …

Diğer sözlüklerde “Toplam iç yansıma”nın ne olduğuna bakın: Teknik Çevirmen Kılavuzu - elektromanyetik dalgalar, 2 ortam arasındaki arayüze eğik olarak geldiklerinde, radyasyon büyük kırılma indeksi n1 olan bir ortamdan daha düşük kırılma indeksi n2 olan bir ortama geçtiğinde ve geliş açısı i sınır açısını aştığında meydana gelir. ...

Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük- elektromanyetik dalgalar, radyasyonun büyük kırılma indeksi n1 olan bir ortamdan daha düşük kırılma indeksi n2 olan bir ortama geçtiğinde ve geliş açısı i ipr sınır açısını aştığında, 2 ortam arasındaki arayüzde eğik geliş ile oluşur. . Ansiklopedik Sözlük