Öncelikle biraz hayal edelim. M.Ö. sıcak bir yaz gününü düşünün, ilkel bir insan balık avlamak için mızrak kullanıyor. Konumunu fark ediyor, nişan alıyor ve herhangi bir nedenle balığın hiç görünmediği bir yere vuruyor. 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, 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 (Şekil 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. Geliş açısı arttıkça aynı model gözlenir; gelen ışının enerjisinin giderek daha büyük bir payı yansıyan ışına gider ve giderek daha küçük bir pay 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 ışın OA'nın su yüzeyine paralel gitmesi gerekirdi, ancak gidecek hiçbir şey kalmamıştı - gelen ışın SO'nun tüm enerjisi tamamen yansıyan OB ışınına gitti. 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.
Sınırlayıcı açının 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
Düz bir ışık dalgasının iki ortam arasındaki düz bir arayüze (örneğin havadan suya) 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, SW 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 nesneyi açıkça gördüğümüz anlamına gelir ve siyah noktalı çizgi, su yoksa ışının seyrini, yani D noktasına kadar gösterir. 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 ya da 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 ile. 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.
Sınıf: 11
Ders için sunum
Geri İleri
Dikkat! Slayt önizlemeleri yalnızca bilgilendirme amaçlıdır ve sunumun tüm özelliklerini temsil etmeyebilir. Bu çalışmayla ilgileniyorsanız, lütfen tam sürümünü indirin.
Ders hedefleri:
Eğitici:
- Öğrenciler “Işığın yansıması ve kırılması” konusunu incelerken edindikleri bilgileri tekrarlamalı ve genelleştirmelidir: homojen bir ortamda ışığın doğrusal yayılması olgusu, yansıma yasası, kırılma yasası, toplam yansıma yasası.
- Yasaların bilim, teknoloji, optik aletler, tıp, ulaşım, inşaat, günlük yaşam ve çevremizdeki dünyadaki uygulamalarını düşünün.
- Niteliksel, hesaplamalı ve deneysel problemleri çözerken edindiği bilgileri uygulayabilme;
Eğitici:
- öğrencilerin ufkunu genişletmek, mantıksal düşünmeyi ve zekayı geliştirmek;
- karşılaştırma yapabilme ve girdi sağlayabilme;
- Monolog konuşmayı geliştirin, izleyici önünde konuşun.
- Ek literatürden ve internetten nasıl bilgi elde edileceğini ve analiz edileceğini öğretir.
Eğitici:
- fizik konusuna ilgi uyandırmak;
- bağımsızlığı, sorumluluğu, güveni öğretin;
- Ders sırasında bir başarı ve arkadaşça destek durumu yaratın.
Ekipman ve görsel yardımcılar:
- Geometrik optik cihaz, aynalar, prizmalar, reflektörler, dürbün, fiber optik, deney aletleri.
- Bilgisayar, video projektörü, ekran, sunum “Işığın yansıma ve kırılma yasalarının pratik uygulaması”
Ders planı.
I. Dersin konusu ve amacı (2 dakika)
II. Tekrarlama (ön anket) – 4 dakika
III. Işık yayılımının doğrusallığının uygulanması. Sorun (tahtada). - 5 dakika
IV. Işığın yansıması kanununun uygulanması. - 4 dakika
V. Işığın kırılma yasasının uygulanması:
1) Deneyim - 4 dakika
2) Görev - 5 dakika
VI Işığın toplam iç yansımasının uygulanması:
a) Optik aletler – 4 dakika.
c) Fiber optik – 4 dakika.
VII Seraplar - 4 dakika
VIII.Bağımsız çalışma – 7 dk.
IX Dersin özetlenmesi. Ev ödevi – 2 dk.
Toplam: 45 dk
Ders ilerlemesi
I. Dersin konusu, amacı, hedefleri, içeriği . (Slayt1-2)
Epigraf. (Slayt 3)
Sonsuz doğanın harika bir hediyesi,
Paha biçilmez ve kutsal bir hediye,
Sonsuz bir kaynağı var
Güzelliğin tadını çıkarmak:
Gökyüzü, güneş, yıldızların parlaklığı,
Parlak mavi deniz -
Evrenin bütün resmi
Sadece ışıkta biliyoruz.
I.A.Bunin
II. Tekrarlama
Öğretmen:
a) Geometrik optik. (Slayt 4-7)
Işık homojen bir ortamda düz bir çizgide yayılır. Veya homojen bir ortamda ışık ışınları düz çizgilerdir
Işık enerjisinin ilerlediği çizgiye ışın denir. Geometrik optikte ışığın 300.000 km/s hızla yayılmasının düzlüğü kullanılır.
Örnek: Bir kiriş kullanarak rendelenmiş bir tahtanın düzlüğünü kontrol ederken kullanılır.
Işık saçmayan cisimlerin görülebilmesi, her cismin üzerine düşen ışığı kısmen yansıtması, kısmen de absorbe etmesinden kaynaklanmaktadır. (Ay). Işığın yayılma hızının daha yavaş olduğu bir ortam, optik olarak daha yoğun bir ortamdır. Işık kırılması, ortamlar arasındaki sınırı geçerken ışık ışınının yönündeki değişikliktir. Işığın kırılması, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızındaki farkla açıklanır.
b) Yansıma ve kırılma olgusunun “Optik disk” cihazında gösterilmesi
c) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 8)
III. Işık yayılımının doğrusallığının uygulanması. Sorun (tahtada).
a) Gölge ve yarı gölgenin oluşumu. (Slayt 9).
Işığın yayılmasının düzlüğü gölge ve kısmi gölgenin oluşumunu açıklar. Kaynağın boyutu küçükse veya kaynak, kaynağın boyutunun ihmal edilebilecek kadar uzakta bulunuyorsa yalnızca bir gölge elde edilir. Işık kaynağı büyük olduğunda veya kaynak konuya yakın olduğunda keskin olmayan gölgeler (gölge ve kısmi gölge) oluşturulur.
b) Ayın Aydınlanması. (Slayt 10).
Ay, Dünya'nın etrafında dönerken Güneş tarafından aydınlatılır; kendisi parlamaz.
1. yeni ay, 3. ilk dördün, 5. dolunay, 7. son dördün.
c) İnşaatta, yol ve köprü yapımında ışık yayılımının düzlüğünün uygulanması. (Slayt 11-14)
d) Problem No. 1352 (D) (tahtadaki öğrenci). Bir noktada güneş tarafından aydınlatılan Ostankino televizyon kulesinin gölgesinin uzunluğunun 600 m'ye eşit olduğu ortaya çıktı; 1,75 m yüksekliğindeki bir kişinin gölgesinin uzunluğu aynı anda 2 m'ye eşittir. Kulenin yüksekliği nedir? (Slayt 15-16)
Sonuç: Bu prensibi kullanarak erişilemeyen bir nesnenin yüksekliğini belirleyebilirsiniz: evin yüksekliği; uçurumun yüksekliği; uzun bir ağacın yüksekliği.
e) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 17)
IV. Işığın yansıması kanununun uygulanması. (Slayt 18-21).
a) Aynalar (Öğrencinin mesajı).
Yoluna çıkan herhangi bir nesneyle karşılaşan ışık, yüzeyinden yansır. Pürüzsüz değilse birçok yöne yansıma meydana gelir ve ışık dağılır. Yüzey pürüzsüz olduğunda tüm ışınlar birbirine paralel olarak uzaklaşır ve ışık genellikle bu şekilde yansıtılır. duran sıvıların ve aynaların serbest yüzeyi. Aynalar farklı şekillerde olabilir. Düz, küresel, cyoyndric, parabolik vb. şeklindedirler. Bir nesneden yayılan ışık, aynaya düşen ışınlar şeklinde yayılır ve yansıtılır. Bundan sonra bir noktada tekrar toplanırlarsa, cismin imajının hareketinin o noktada ortaya çıktığını söylerler. Işınlar ayrı kalırsa ancak bir noktada uzantıları birleşirse, o zaman bize öyle geliyor ki ışınlar onlardan çıkıyor ve nesnenin bulunduğu yer burası. Bu, gözlemin hayal gücünde yaratılan sözde sanal görüntüdür. İçbükey aynaların yardımıyla, yansıtıcı bir teleskop kullanarak yıldızları gözlemlerken olduğu gibi, bir görüntüyü bir yüzeye yansıtabilir veya uzaktaki bir nesneden gelen zayıf ışığı bir noktada toplayabilirsiniz. Her iki durumda da görüntü gerçektir; nesneyi gerçek boyutunda görmek için diğer aynalar kullanılır (sıradan düz aynalar), büyütülmüş (bu tür aynalar çantada taşınır) veya küçültülmüş (arabalarda dikiz aynaları). Ortaya çıkan görüntüler hayalidir (sanal). Kavisli, küresel olmayan aynaların yardımıyla görüntüyü çarpık hale getirebilirsiniz.
V. Işığın kırılma kanununun uygulanması. (Slayt 22-23).
a) Cam levhadaki ışınların yolu .
b) Üçgen prizmada ışınların yolu . Oluşturun ve açıklayın. (Tahtadaki öğrenci)
c) Tecrübe: Kırılma kanununun uygulanması. (Öğrencinin mesajı.) (Slayt 24)
Deneyimsiz yüzücüler, ışığın kırılma yasasının ilginç bir sonucunu unuttukları için çoğu zaman büyük tehlikelerle karşı karşıya kalırlar. Kırılmanın suya batırılmış tüm nesneleri gerçek konumlarının üzerine çıkardığını bilmiyorlar. Bir göletin, nehrin veya rezervuarın tabanı, göze derinliğinin neredeyse üçte biri kadar yüksekmiş gibi görünür. Derinliği belirlemedeki bir hatanın ölümcül olabileceği çocuklar ve genel olarak kısa boylu insanlar için bunu bilmek özellikle önemlidir. Bunun nedeni ışık ışınlarının kırılmasıdır.
Deneyim: Öğrencilerin önüne bu şekilde bardağın dibine bir bozuk para koyun. öğrencinin görmemesi için. Başını çevirmeden bir bardağa su dökmesini isteyin, o zaman para "yüzecektir". Bardaktan suyu bir şırıngayla çıkarırsanız, madeni paranın bulunduğu alt kısım tekrar "aşağı inecektir". Deneyimi açıklayın. Deneyi evdeki herkes için gerçekleştirin.
G) Görev. Rezervuar alanının gerçek derinliği 2 metredir. Su yüzeyine 60° açıyla dibe bakan bir kişinin görünen derinliği nedir? Suyun kırılma indisi 1,33'tür.
(Slayt 25-26). . e) İncelenecek sorular
(Slayt 27-28).
VI. Toplam iç yansıma. Optik aletler . a) Toplam iç yansıma. Optik aletler
(Öğrenci mesajı)
(Slayt 29-35)
Toplam iç yansıma, ışık optik olarak daha yoğun bir ortam ile daha az yoğun bir ortam arasındaki sınıra çarptığında meydana gelir. Birçok optik cihazda toplam iç yansıma kullanılır. Cam için sınır açısı, belirli bir cam tipinin kırılma indisine bağlı olarak 35°-40°'dir. Bu nedenle 45°'lik prizmalarda ışık tam bir iç yansımaya maruz kalacaktır.
Soru. Döner ve dönen prizmaların kullanılması neden aynalardan daha iyidir?
a) En iyi aynalar 100'den az ışık yansıttığı için neredeyse 100 ışık yansıtırlar. Görüntü daha parlaktır.
c) Metal aynalar metalin oksidasyonu nedeniyle zamanla solgunlaştığından özellikleri değişmez. Başvuru.
Periskoplarda dönen prizmalar kullanılır. Dürbünlerde tersinir prizmalar kullanılır. Taşımada bir köşe reflektörü kullanılır - bir reflektör; arkaya sabitlenmiştir - kırmızı, ön - beyaz, bisiklet tekerleklerinin jantlarına - turuncu. Işığın yüzeye geliş açısına bakılmaksızın, ışığı onu aydınlatan kaynağa geri yansıtan bir retroreflektör veya optik cihaz. Tüm araçlar ve yolların tehlikeli bölümleri bunlarla donatılmıştır. Cam veya plastikten yapılmıştır.
b) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 36). . c) Fiber optik
(Öğrenci mesajı). (Slayt 37-42).
Işık kılavuzları telefon ve diğer iletişim türlerinde sinyalleri iletmek için kullanılır. Sinyal, modüle edilmiş bir ışık ışınıdır ve bir elektrik sinyalinin bakır teller üzerinden iletilmesine kıyasla daha az kayıpla iletilir.
Işık kılavuzları tıpta net görüntüleri iletmek için kullanılır. Doktor yemek borusundan bir “endoskop” sokarak midenin duvarlarını inceleyebilir. Bazı lifler mideyi aydınlatmak için ışık gönderirken, diğerleri yansıyan ışığı taşır. Ne kadar çok lif ve ne kadar ince olursa görüntü o kadar iyi olur. Endoskop, mideyi ve diğer ulaşılması zor bölgeleri incelerken, hastayı ameliyata hazırlarken veya ameliyatsız yaralanma ve hasarları ararken faydalıdır.
Işık kılavuzunda ışık tamamen camın veya şeffaf plastik elyafın iç yüzeyinden yansıtılır. Işık kılavuzunun her iki ucunda mercekler bulunur. Sonunda nesneye dönük. mercek kendisinden çıkan ışınları paralel bir ışına dönüştürür. Gözlemciye bakan uçta görüntüyü görmenizi sağlayan bir teleskop bulunmaktadır.
VII. Seraplar. (Öğrenci anlatır, öğretmen tamamlar) (Slayt 43-46).
Napolyon'un Fransız ordusu 18. yüzyılda Mısır'da bir serapla karşılaştı. Askerler ileride “ağaçlı bir göl” gördü. Mirage, Fransızca bir kelime olup "aynadaki gibi yansıtmak" anlamına gelir. Güneş ışınları hava aynasından geçerek “mucizelere” yol açar. Dünya iyi ısıtılırsa, alt hava katmanı üstteki katmanlardan çok daha sıcak olur.
Serap, ufkun ötesinde bulunan görünmez nesnelerin havada kırılmış bir biçimde yansımasından oluşan, ayrı ayrı katmanlarının değişen sıcaklıklarına sahip, berrak, sakin bir atmosferde optik bir olgudur.
Bu nedenle hava katmanına giren güneş ışınları hiçbir zaman düz değil, kavisli bir şekilde ilerler. Bu olaya kırılma denir.
Mirage'ın birçok yüzü var. Basit, karmaşık, üst, alt, yan olabilir.
Havanın alt katmanları iyice ısıtıldığında, nesnelerin hayali ters çevrilmiş görüntüsü olan daha düşük bir serap gözlenir. Bu çoğunlukla bozkırlarda ve çöllerde olur. Bu tür seraplara Orta Asya'da, Kazakistan'da ve Volga bölgesinde rastlanmaktadır.
Zemindeki hava katmanları üst katmanlardan çok daha soğuksa, üst serap meydana gelir - görüntü yerden çıkar ve havada asılı kalır. Nesneler gerçekte olduklarından daha yakın ve daha yüksek görünür. Bu tür serap, güneş ışınlarının henüz Dünya'yı ısıtmaya vakti olmadığı sabahın erken saatlerinde görülür.
Sıcak günlerde deniz yüzeyinde denizciler havada asılı duran gemileri ve hatta ufkun çok ötesindeki nesneleri görürler.
VIII. Bağımsız çalışma. Test – 5 dakika (Slayt 47-53).
1. Gelen ışın ile ayna düzlemi arasındaki açı 30°'dir. Yansıma açısı nedir?
2. Kırmızı neden ulaşım için bir tehlike sinyalidir?
a) kanın rengiyle ilişkili;
b) daha iyi göze çarpıyor;
c) en düşük kırılma indisine sahiptir;
d) havada en az dağılıma sahiptir
3. İnşaat işçileri neden turuncu kask takıyor?
a) turuncu renk uzaktan açıkça görülebiliyorsa;
b) kötü havalarda çok az değişiklik olur;
c) en az ışık saçılımına sahiptir;
d) iş güvenliği gerekliliklerine göre.
4. Işığın değerli taşlardaki oyununu nasıl açıklayabiliriz?
a) kenarları dikkatlice cilalanmıştır;
b) yüksek kırılma indeksi;
c) taş düzenli bir çokyüzlü şeklindedir;
d) değerli taşın ışık ışınlarına göre doğru yerleştirilmesi.
5. Düz bir aynaya gelen ışınlarla yansıyan ışınlar arasındaki açı, gelme açısı 15° artırılırsa nasıl değişir?
a) 30° artacaktır;
b) 30° azalacak;
c) 15° artacaktır;
d) 15° artacaktır;
6. Kırılma indisi 2,4 ise ışığın elmastaki hızı nedir?
a) yaklaşık 2.000.000 km/s;
b) yaklaşık 125.000 km/s;
c) Işığın hızı ortama bağlı değildir, yani. 300000 km/s;
d) 720000 km/s.
IX. Dersi özetlemek. Ev ödevi. (Slayt 54-56).
Öğrencilerin dersteki etkinliklerinin analizi ve değerlendirilmesi. Öğrenciler dersin etkililiğini öğretmenle tartışır ve performanslarını değerlendirir.
1. Kaç tane doğru cevap aldınız?
3. Yeni bir şey öğrendiniz mi?
4. En iyi konuşmacı.
2) Deneyi evde bozuk parayla yapın.
Edebiyat
- Gorodetsky D.N. Fizikte test çalışması “Yüksek Okul” 1987
- Demkovich V.P. Fizikte problemlerin toplanması “Aydınlanma” 2004
- Giancole D. Fizik. “Mir” Yayınevi 1990
- Perelman A.I. Eğlenceli fizik Yayınevi “Bilim” 1965
- Lansberg G.D. Temel fizik ders kitabı Nauka Yayınevi 1972
- İnternet kaynakları
(Fiber optik) Toplam yansıma olgusunun pratik uygulaması!
Işığın tam yansımasının uygulanması 1. Gökkuşağı oluştuğunda 2. Işığı kavisli bir yol boyunca yönlendirmek için a) Fiber optik iletişim hatları (FOCL) b) Fiber optik lambalar c) İnsan iç organlarını incelemek için (endoskoplar)
Gökkuşağı oluşumunun şeması 1) küresel damla, 2) iç yansıma, 3) birincil gökkuşağı, 4) kırılma, 5) ikincil gökkuşağı, 6) gelen ışık ışını, 7) birincil gökkuşağının oluşumu sırasındaki ışın yolu, 8) ışın yolu ikincil gökkuşağının oluşumu sırasında, 9) gözlemci, 10-12) gökkuşağı oluşum alanı.
Işığı kavisli bir yol boyunca yönlendirmek için, optik olarak şeffaf bir malzemeden (cam, kuvars) yapılmış ince (birkaç mikrometreden milimetreye kadar) keyfi olarak kavisli iplikler olan optik fiberler kullanılır. Işık kılavuzunun ucuna gelen ışık, yan yüzeylerden gelen toplam iç yansıma nedeniyle uzun mesafeler boyunca ilerleyebilir. Fiber optik iletişim için kablo yapımında optik fiberler kullanılır. Fiber optik iletişim, telefon iletişimi ve yüksek hızlı İnternet için kullanılır.
Optik fiber kablo
Optik fiber kablo
Fiber optik hatların avantajları Fiber optik hatların kablolu (bakır) ve radyo röleli iletişim sistemlerine göre çok sayıda avantajı vardır: Düşük sinyal zayıflaması, amplifikatör kullanmadan çok daha uzak mesafelere bilgi iletmenize olanak tanır. Optik fiberin yüksek bant genişliği, bilgileri diğer iletişim sistemleri tarafından ulaşılamayan yüksek hızlarda aktarmanıza olanak tanır. Optik ortamın yüksek güvenilirliği: optik fiberler oksitlenmez, ıslanmaz ve zayıf elektromanyetik etkiye maruz kalmaz. Bilgi güvenliği - bilgi fiber optik aracılığıyla “noktadan noktaya” iletilir. Fibere bağlanıp iletilen bilgiyi zarar vermeden okumak mümkün değildir. Fiberler arası etkilere karşı yüksek koruma. Bir fiberdeki radyasyonun bitişik fiberdeki sinyal üzerinde kesinlikle hiçbir etkisi yoktur. Fiziksel ve kimyasal parametreleri ölçerken yangın ve patlama güvenliği Küçük boyutlar ve ağırlık Fiber optik hatların dezavantajları Optik fiberin göreceli kırılganlığı. Kablo kuvvetli bir şekilde bükülürse, mikro çatlakların oluşması nedeniyle lifler kırılabilir veya bulanıklaşabilir. Hem fiberin kendisini hem de fiber optik bağlantının bileşenlerini üretmeye yönelik karmaşık teknoloji. Sinyal dönüşümünde zorluk Göreceli olarak pahalı optik terminal ekipmanı Fiber, yaşlanma nedeniyle zamanla bulanıklaşır.
Fiber optik aydınlatma
Endoskop (Yunanca ένδον - içeriden ve Yunanca σκοπέω - muayeneden) çeşitli amaçlara yönelik bir grup optik cihazdır. Tıbbi ve teknik endoskoplar var. Teknik endoskoplar, bakım ve performans değerlendirmesi sırasında (türbin kanatları, içten yanmalı motor silindirleri, boru hatlarının durumunun değerlendirilmesi vb.) makine ve ekipmanların ulaşılması zor boşluklarını incelemek için kullanılır; ayrıca güvenlik sistemlerinde teknik endoskoplar kullanılır. gizli boşlukları incelemek (gümrükteki gaz tanklarının muayenesi dahil). Tıbbi endoskoplar tıpta içi boş iç organların (yemek borusu, mide, bronşlar, üretra, mesane, kadın üreme organları, böbrekler, işitme organları) muayenesi ve tedavisinde kullanılır. ), yanı sıra karın ve diğer vücut boşlukları.
İlginiz için teşekkür ederiz!)
Etkinlik
Dijital periskop
Burada teknik bir yenilik var.
Mevcut periskopların geleneksel optik kanalının yerini yüksek çözünürlüklü video kameralar ve fiber optik iletişim alıyor. Harici güvenlik kameralarından gelen bilgiler, gerçek zamanlı olarak merkezi kontrol odasındaki geniş formatlı ekrana iletilir.
Testler Los Angeles sınıfı denizaltı SSN 767 Hampton'da yapılıyor. Yeni model, onlarca yıllık periskopla çalışma pratiğini tamamen değiştiriyor. Nöbetçi subay artık boma monte edilmiş kameraları çalıştırıyor ve bir joystick ve klavye kullanarak ekranı ayarlıyor.
Merkezi direkteki ekrana ek olarak periskoptan alınan görüntü, teknenin herhangi bir odasında isteğe bağlı olarak çok sayıda ekranda görüntülenebiliyor. Kameralar, ufkun farklı sektörlerini aynı anda gözlemlemeyi mümkün kılıyor ve bu da saatin yüzeydeki taktik durumdaki değişikliklere tepki verme hızını önemli ölçüde artırıyor.
"Taş oyunu" nasıl açıklanır? Takılarda taşların kesimi, ışığın her yüze tam yansımasını sağlayacak şekilde seçilir.
Tam bir iç fenomen, serap olgusunu açıklıyor
Serap, atmosferdeki optik bir olgudur: ışığın, ısı açısından keskin biçimde farklı olan hava katmanları arasındaki sınırdan yansıması. Bir gözlemci için böyle bir yansıma, uzaktaki bir nesneyle (veya gökyüzünün bir kısmıyla) birlikte sanal görüntüsünün nesneye göre kaydırılmış olarak görünür olduğu anlamına gelir.
Seraplar, nesnenin altında görülebilen alt, üst, nesnenin üstünde ve yan olarak ikiye ayrılır. Üstün serap, soğuk dünya yüzeyinin üzerinde gözlenir, alt serap, aşırı ısınmış düz bir yüzeyin, genellikle çöl veya asfalt yolun üzerinde gözlemlenir. Gökyüzünün sanal görüntüsü yüzeyde su yanılsaması yaratır. Yani sıcak bir yaz gününde uzaklara uzanan yol ıslak görünüyor. Bazen çok ısınmış duvarların veya kayaların yakınında yan serap görülür.
Işığın belirli bir geliş açısında $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, buna denir sınır açısı kırılma açısı $\frac(\pi )(2),\ $'ye eşittir, bu durumda kırılan ışın ortamlar arasındaki arayüz boyunca kayar, dolayısıyla kırılan ışın olmaz. O zaman kırılma kanunundan şunu yazabiliriz:
Şekil 1.
Tam yansıma durumunda denklem şu şekildedir:
kırılma açısının ($(\alpha )_(pr)$) gerçek değerleri bölgesinde çözümü yoktur. Bu durumda, $cos((\alpha )_(pr))$ tamamen hayali bir miktardır. Fresnel Formüllerine dönersek, bunları şu şekilde sunmak uygundur:
geliş açısının $\alpha $ (kısaca olması açısından) ile gösterildiği yerde, $n$ ışığın yayıldığı ortamın kırılma indisidir.
Fresnel formüllerinden, $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right modüllerinin olduğu açıktır. |=\ left|E_(otr//)\right|$, bu da yansımanın "dolu" olduğu anlamına gelir.
Not 1
Homojen olmayan dalganın ikinci ortamda kaybolmadığına dikkat edilmelidir. Yani, eğer $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ Then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Korunum yasasının ihlali Belirli bir durumda enerjinin no. Fresnel formülleri monokromatik bir alan için, yani kararlı hal süreci için geçerli olduğundan. Bu durumda enerjinin korunumu yasası, ikinci ortamdaki periyot boyunca enerjideki ortalama değişimin sıfıra eşit olmasını gerektirir. Dalga ve buna karşılık gelen enerji fraksiyonu, arayüzden dalga boyu düzeyinde küçük bir derinliğe kadar ikinci ortama nüfuz eder ve burada, dalganın faz hızından daha düşük bir faz hızıyla arayüze paralel olarak hareket eder. ikinci ortam. Giriş noktasına göre kaydırılmış bir noktada ilk ortama geri döner.
Dalganın ikinci ortama nüfuzu deneysel olarak gözlemlenebilir. İkinci ortamdaki ışık dalgasının yoğunluğu yalnızca dalga boyundan daha kısa mesafelerde fark edilir. Işık dalgasının düştüğü ve tam yansımaya uğradığı arayüzün yakınında, ikinci ortamda floresan bir madde varsa, ikinci ortamın yanında ince bir tabakanın parıltısı görülebilir.
Tam yansıma, dünya yüzeyi sıcakken serapların oluşmasına neden olur. Böylece bulutlardan gelen ışığın tam olarak yansıması, ısınan asfaltın yüzeyinde su birikintileri olduğu izlenimini uyandırıyor.
Sıradan yansıma altında, $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ ve $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ ilişkileri her zaman gerçektir . Tam yansımada karmaşıktırlar. Bu, bu durumda dalganın fazının sıfırdan veya $\pi $'dan farklı olmasına rağmen bir sıçramaya maruz kaldığı anlamına gelir. Dalga gelme düzlemine dik olarak polarize edilmişse şunu yazabiliriz:
burada $(\delta )_(\bot )$ istenen faz atlamadır. Gerçek ve sanal kısımları eşitleyelim:
İfadelerden (5) şunu elde ederiz:
Buna göre, geliş düzleminde polarize olan bir dalga için aşağıdakiler elde edilebilir:
Faz atlamaları $(\delta )_(//)$ ve $(\delta )_(\bot )$ aynı değildir. Yansıyan dalga eliptik olarak polarize olacaktır.
Toplam Yansımanın Uygulanması
İki özdeş ortamın ince bir hava boşluğuyla ayrıldığını varsayalım. Üzerine sınırlayıcı olandan daha büyük bir açıyla bir ışık dalgası düşer. Düzgün olmayan bir dalga olarak hava boşluğuna nüfuz etmesi mümkündür. Boşluğun kalınlığı küçükse bu dalga maddenin ikinci sınırına ulaşacak ve çok zayıflamayacaktır. Hava boşluğundan maddeye geçen dalga tekrar homojen bir yapıya dönüşecektir. Böyle bir deney Newton tarafından gerçekleştirildi. Bilim adamı, küresel olarak zeminlenmiş başka bir prizmayı dikdörtgen prizmanın hipotenüs yüzüne bastırdı. Bu durumda ışık, ikinci prizmaya sadece dokundukları yerden değil, aynı zamanda kontağın etrafındaki küçük bir halkada, boşluğun kalınlığının dalga boyuyla karşılaştırılabileceği bir yerde geçiyor. Gözlemler beyaz ışıkta yapıldıysa halkanın kenarı kırmızımsı bir renge sahipti. Penetrasyon derinliği dalga boyuyla orantılı olduğundan (kırmızı ışınlar için mavi olanlardan daha büyüktür) bu olması gerektiği gibidir. Boşluğun kalınlığını değiştirerek iletilen ışığın yoğunluğunu değiştirebilirsiniz. Bu olgu, patenti Zeiss'a ait olan hafif telefonun temelini oluşturdu. Bu cihazdaki ortamlardan biri, üzerine düşen sesin etkisi altında titreşen şeffaf bir zardır. Hava boşluğundan geçen ışık, ses şiddetinin değişmesiyle birlikte zamanla şiddetini de değiştirir. Bir fotosele çarptığında ses yoğunluğundaki değişikliklere göre değişen alternatif akım üretir. Ortaya çıkan akım güçlendirilir ve daha fazla kullanılır.
İnce boşluklardan dalga nüfuzu olgusu optiğe özgü değildir. Bu, herhangi bir nitelikteki bir dalga için, boşluktaki faz hızının ortamdaki faz hızından yüksek olması durumunda mümkündür. Bu fenomen nükleer ve atom fiziğinde büyük önem taşımaktadır.
Toplam iç yansıma olgusu, ışığın yayılma yönünü değiştirmek için kullanılır. Bu amaçla prizmalar kullanılır.
Örnek 1
Egzersiz yapmak: Sıklıkla meydana gelen tam yansıma olgusuna bir örnek verin.
Çözüm:
Aşağıdaki örneği verebiliriz. Otoyol çok sıcaksa, asfalt yüzeyine yakın yerlerde hava sıcaklığı maksimumdur ve yoldan uzaklaştıkça azalır. Bu, havanın kırılma indisinin yüzeyde minimum olduğu ve mesafe arttıkça arttığı anlamına gelir. Bunun sonucunda otoyol yüzeyine göre açısı küçük olan ışınlar tamamen yansıtılır. Dikkatinizi araba kullanırken otoyolun uygun bir bölümünde yoğunlaştırırsanız oldukça ileride, ters bir şekilde ilerleyen bir arabayı görebilirsiniz.
Örnek 2
Egzersiz yapmak: Hava kristali arayüzünde belirli bir ışın için toplam yansımanın sınırlayıcı açısı 400 ise, bir kristalin yüzeyine düşen ışık ışınının Brewster açısı nedir?
Çözüm:
\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]
(2.1) ifadesinden şunu elde ederiz:
(2.3) ifadesinin sağ tarafını (2.2) formülüne koyalım ve istenen açıyı ifade edelim:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]
Hesaplamaları yapalım:
\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\approx 57()^\circ .\]
Cevap:$(\alpha )_b=57()^\circ .$