Góc giới hạn của phản xạ toàn phần là bao nhiêu? Phản xạ nội toàn phần

Đầu tiên chúng ta hãy tưởng tượng một chút. Hãy tưởng tượng vào một ngày hè nóng nực trước Công nguyên, một người nguyên thủy dùng giáo để săn cá. Anh ta nhận thấy vị trí của nó, nhắm và tấn công vì lý do nào đó ở một nơi hoàn toàn không nhìn thấy được con cá. Bỏ lỡ? Không, ngư dân đã có con mồi trong tay! Vấn đề là tổ tiên của chúng ta đã hiểu bằng trực giác chủ đề mà chúng ta sẽ nghiên cứu bây giờ. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thấy chiếc thìa nhúng vào cốc nước có vẻ cong vẹo; khi nhìn qua lọ thủy tinh, các đồ vật trông có vẻ cong queo. Chúng ta sẽ xem xét tất cả những câu hỏi này trong bài học, chủ đề là: “Sự khúc xạ ánh sáng. Định luật khúc xạ ánh sáng. Hoàn thành phản ánh nội bộ."

Trong các bài học trước, chúng ta đã nói về số phận của chùm tia trong hai trường hợp: điều gì xảy ra nếu một chùm ánh sáng truyền trong một môi trường đồng nhất trong suốt? Câu trả lời đúng là nó sẽ lan theo đường thẳng. Điều gì xảy ra khi một chùm ánh sáng chiếu vào mặt phân cách giữa hai môi trường? Trong bài học trước chúng ta đã nói về chùm tia phản xạ, hôm nay chúng ta sẽ xem xét phần chùm sáng bị môi trường hấp thụ.

Số phận của tia truyền từ môi trường trong suốt quang học thứ nhất sang môi trường trong suốt quang học thứ hai sẽ như thế nào?

Cơm. 1. Khúc xạ ánh sáng

Nếu một chùm tia rơi vào bề mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt thì một phần năng lượng ánh sáng sẽ quay trở lại môi trường thứ nhất, tạo ra chùm tia phản xạ và phần còn lại truyền vào trong môi trường thứ hai và theo quy luật, thay đổi hướng của nó.

Sự thay đổi hướng truyền của ánh sáng khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường gọi là khúc xạ ánh sáng(Hình 1).

Cơm. 2. Góc tới, khúc xạ và phản xạ

Trong Hình 2, chúng ta thấy một chùm tia tới; góc tới sẽ được ký hiệu là α. Tia sáng làm lệch hướng của chùm tia khúc xạ gọi là tia khúc xạ. Góc giữa đường vuông góc với mặt phân cách tạo bởi điểm tới và tia khúc xạ được gọi là góc khúc xạ; trong hình nó là góc γ. Để hoàn thiện bức tranh, chúng ta cũng sẽ đưa ra hình ảnh của chùm tia phản xạ và theo đó là góc phản xạ β. Có thể dự đoán được mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ khi biết góc tới và môi trường mà chùm tia truyền vào, góc khúc xạ sẽ như thế nào? Hóa ra là có thể!

Chúng ta thu được một định luật mô tả một cách định lượng mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ. Hãy sử dụng nguyên lý Huygens, nguyên lý điều chỉnh sự truyền sóng trong môi trường. Luật bao gồm hai phần.

Tia tới, tia khúc xạ và đường vuông góc quay về điểm tới nằm trong cùng một mặt phẳng.

Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường cho trước và bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong các môi trường đó.

Định luật này được gọi là định luật Snell, để vinh danh nhà khoa học người Hà Lan là người đầu tiên xây dựng nên nó. Nguyên nhân khúc xạ là do sự khác biệt về tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác nhau. Bạn có thể xác minh tính đúng đắn của định luật khúc xạ bằng cách thực nghiệm hướng một chùm ánh sáng theo các góc khác nhau tới mặt phân cách giữa hai môi trường và đo góc tới và góc khúc xạ. Nếu chúng ta thay đổi các góc này, đo các sin và tìm tỉ số giữa các sin của các góc này, chúng ta sẽ tin rằng định luật khúc xạ thực sự có giá trị.

Chứng minh định luật khúc xạ sử dụng nguyên lý Huygens là một sự xác nhận khác về bản chất sóng của ánh sáng.

Chiết suất tương đối n 21 cho biết tốc độ ánh sáng V 1 trong môi trường thứ nhất khác tốc độ ánh sáng V 2 trong môi trường thứ hai bao nhiêu lần.

Chiết suất tương đối là một minh chứng rõ ràng cho thấy nguyên nhân khiến ánh sáng đổi hướng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác là do tốc độ ánh sáng trong hai môi trường khác nhau. Khái niệm “mật độ quang của môi trường” thường được sử dụng để mô tả đặc tính quang học của môi trường (Hình 3).

Cơm. 3. Mật độ quang của môi trường (α > γ)

Nếu một tia truyền từ môi trường có tốc độ ánh sáng cao hơn sang môi trường có tốc độ ánh sáng thấp hơn thì như có thể thấy từ Hình 3 và định luật khúc xạ ánh sáng, nó sẽ bị ép vào đường vuông góc, tức là , góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Trong trường hợp này, chùm tia được cho là đã truyền từ môi trường quang học kém chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn. Ví dụ: từ không khí sang nước; từ nước đến thủy tinh.

Tình huống ngược lại cũng có thể xảy ra: tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai (Hình 4).

Cơm. 4. Mật độ quang của môi trường (α< γ)

Khi đó góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới, và sự chuyển đổi như vậy sẽ được cho là được thực hiện từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn (từ thủy tinh sang nước).

Mật độ quang của hai phương tiện có thể khác nhau khá đáng kể, do đó có thể xảy ra tình huống hiển thị trong ảnh (Hình 5):

Cơm. 5. Sự khác biệt về mật độ quang của môi trường

Lưu ý cách đầu bị dịch chuyển so với cơ thể trong chất lỏng, trong môi trường có mật độ quang học cao hơn.

Tuy nhiên, chiết suất tương đối không phải lúc nào cũng là một đặc tính thuận tiện để làm việc, bởi vì nó phụ thuộc vào tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất và thứ hai, nhưng có thể có rất nhiều sự kết hợp và kết hợp như vậy của hai môi trường (nước - không khí, thủy tinh - kim cương, glycerin - rượu, thủy tinh - nước, v.v.). Các bảng sẽ rất cồng kềnh, sẽ bất tiện khi làm việc, và sau đó họ đưa ra một phương tiện tuyệt đối để so sánh với tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác. Chân không được chọn là tuyệt đối và tốc độ ánh sáng được so sánh với tốc độ ánh sáng trong chân không.

Chiết suất tuyệt đối của môi trường n- đây là đại lượng đặc trưng cho mật độ quang học của môi trường và bằng tỷ lệ tốc độ ánh sáng VỚI trong chân không với tốc độ ánh sáng trong một môi trường nhất định.

Chiết suất tuyệt đối thuận tiện hơn cho công việc, vì chúng ta luôn biết tốc độ ánh sáng trong chân không; nó bằng 3·10 8 m/s và là một hằng số vật lý phổ quát.

Chiết suất tuyệt đối phụ thuộc vào các thông số bên ngoài: nhiệt độ, mật độ, cũng như bước sóng ánh sáng, do đó các bảng thường chỉ ra chiết suất trung bình trong một phạm vi bước sóng nhất định. Nếu so sánh chiết suất của không khí, nước và thủy tinh (Hình 6), ta thấy không khí có chiết suất gần bằng 1 nên ta sẽ coi nó là đơn vị khi giải các bài toán.

Cơm. 6. Bảng chiết suất tuyệt đối của các môi trường khác nhau

Không khó để thu được mối liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối và tương đối của môi trường.

Chiết suất tương đối, nghĩa là đối với tia truyền từ môi trường một sang môi trường hai, bằng tỉ số giữa chiết suất tuyệt đối trong môi trường thứ hai và chiết suất tuyệt đối trong môi trường thứ nhất.

Ví dụ: = ≈ 1,16

Nếu chiết suất tuyệt đối của hai môi trường gần như bằng nhau, điều này có nghĩa là chiết suất tương đối khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác sẽ bằng 1, nghĩa là tia sáng thực sự không bị khúc xạ. Ví dụ, khi truyền từ dầu hồi sang đá quý beryl, ánh sáng thực tế sẽ không bị bẻ cong, nghĩa là nó sẽ hoạt động giống như khi truyền qua dầu hồi, vì chiết suất của chúng lần lượt là 1,56 và 1,57, do đó đá quý có thể như thể được giấu trong chất lỏng, nó sẽ không thể nhìn thấy được.

Nếu chúng ta đổ nước vào một tấm kính trong suốt và nhìn qua thành kính vào ánh sáng, chúng ta sẽ thấy ánh sáng bạc trên bề mặt do hiện tượng phản xạ toàn phần, điều này sẽ được thảo luận bây giờ. Khi một chùm ánh sáng truyền từ môi trường quang học đậm đặc hơn sang môi trường quang học kém đậm đặc hơn, người ta có thể quan sát thấy một hiệu ứng thú vị. Để chắc chắn, chúng ta giả sử rằng ánh sáng truyền từ nước vào không khí. Giả sử ở độ sâu của hồ chứa có một nguồn sáng điểm S phát ra các tia theo mọi hướng. Ví dụ, một thợ lặn chiếu đèn pin.

Chùm tia SO 1 rơi xuống mặt nước với góc nhỏ nhất, chùm tia này bị khúc xạ một phần - chùm tia O 1 A 1 và một phần phản xạ trở lại mặt nước - chùm tia O 1 B 1. Như vậy, một phần năng lượng của chùm tia tới được truyền sang chùm tia khúc xạ, phần năng lượng còn lại được truyền sang chùm tia phản xạ.

Cơm. 7. Phản xạ toàn phần

Chùm SO 2 có góc tới lớn hơn cũng được chia thành hai chùm: khúc xạ và phản xạ, nhưng năng lượng của chùm tia ban đầu phân bố giữa chúng khác nhau: chùm khúc xạ O 2 A 2 sẽ mờ hơn O 1 Chùm tia 1, nghĩa là nó sẽ nhận được phần năng lượng nhỏ hơn và chùm tia phản xạ O 2 B 2, theo đó, sẽ sáng hơn chùm tia O 1 B 1, tức là nó sẽ nhận được phần năng lượng lớn hơn. Khi góc tới tăng lên, người ta quan sát thấy mô hình tương tự - phần năng lượng của chùm tia tới ngày càng lớn hơn dành cho chùm tia phản xạ và phần năng lượng ngày càng nhỏ hơn dành cho chùm tia khúc xạ. Chùm tia khúc xạ ngày càng mờ đi và đến một lúc nào đó biến mất hoàn toàn; sự biến mất này xảy ra khi nó đạt tới góc tới, tương ứng với góc khúc xạ 90 0. Trong tình huống này, chùm tia khúc xạ OA lẽ ra phải song song với mặt nước, nhưng chẳng còn gì để đi - toàn bộ năng lượng của chùm tia tới SO đã chuyển hoàn toàn sang chùm tia phản xạ OB. Đương nhiên, khi góc tới càng tăng thì chùm tia khúc xạ sẽ biến mất. Hiện tượng được mô tả là phản xạ nội toàn phần, nghĩa là môi trường quang học dày đặc hơn ở các góc được xem xét không phát ra tia từ chính nó, tất cả chúng đều bị phản xạ bên trong nó. Góc xảy ra hiện tượng này gọi là góc giới hạn của phản xạ toàn phần.

Giá trị của góc giới hạn có thể dễ dàng tìm được từ định luật khúc xạ:

= => = arcsin, cho nước ≈ 49 0

Ứng dụng thú vị và phổ biến nhất của hiện tượng phản xạ toàn phần là cái gọi là ống dẫn sóng hay cáp quang. Đây chính xác là phương thức gửi tín hiệu được các công ty viễn thông hiện đại trên Internet sử dụng.

Chúng tôi đã thu được định luật khúc xạ ánh sáng, đưa ra một khái niệm mới - chiết suất tương đối và tuyệt đối, đồng thời hiểu được hiện tượng phản xạ toàn phần và các ứng dụng của nó, chẳng hạn như sợi quang. Bạn có thể củng cố kiến ​​thức của mình bằng cách phân tích các bài kiểm tra và mô phỏng có liên quan trong phần bài học.

Chúng ta hãy chứng minh định luật khúc xạ ánh sáng bằng nguyên lý Huygens. Điều quan trọng là phải hiểu rằng nguyên nhân gây ra khúc xạ là do sự khác biệt về tốc độ ánh sáng trong hai môi trường khác nhau. Chúng ta hãy biểu thị tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất là V 1 và trong môi trường thứ hai là V 2 (Hình 8).

Cơm. 8. Chứng minh định luật khúc xạ ánh sáng

Cho một sóng ánh sáng phẳng rơi trên mặt phân cách phẳng giữa hai môi trường, ví dụ từ không khí vào nước. Bề mặt sóng AS vuông góc với các tia và , giao diện giữa môi trường MN được tia tới trước tiên và tia tới cùng bề mặt đó sau một khoảng thời gian ∆t, sẽ bằng đường SW chia cho tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất.

Do đó, tại thời điểm sóng thứ cấp tại điểm B vừa bắt đầu bị kích thích thì sóng từ điểm A đã có dạng bán cầu bán kính AD, bằng tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai tại ∆ t: AD = ·∆t, tức là nguyên lý Huygens trong hoạt động thị giác . Bề mặt sóng của sóng khúc xạ có thể thu được bằng cách vẽ một bề mặt tiếp tuyến với tất cả các sóng thứ cấp trong môi trường thứ hai, tâm của chúng nằm trên mặt phân cách giữa hai môi trường, trong trường hợp này là mặt phẳng BD, nó là đường bao của các sóng thứ cấp. Góc tới α của chùm tia bằng góc CAB trong tam giác ABC, cạnh của một trong các góc này vuông góc với cạnh của góc kia. Do đó, SV sẽ bằng tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất khoảng ∆t

CB = ∆t = AB sin α

Ngược lại, góc khúc xạ sẽ bằng góc ABD trong tam giác ABD, do đó:

АD = ∆t = АВ sin γ

Chia các biểu thức cho từng số hạng, ta được:

n là giá trị không đổi không phụ thuộc vào góc tới.

Ta đã thu được định luật khúc xạ ánh sáng, sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường đã cho và bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong hai môi trường đã cho.

Một bình hình khối có thành mờ được đặt sao cho mắt người quan sát không nhìn thấy đáy của nó mà chỉ nhìn thấy hoàn toàn thành của bình CD. Phải đổ bao nhiêu nước vào bình để người quan sát nhìn thấy vật F cách góc D một khoảng b = 10 cm? Cạnh tàu α = 40 cm (Hình 9).

Điều gì là rất quan trọng khi giải quyết vấn đề này? Đoán rằng vì mắt không nhìn thấy đáy bình mà nhìn thấy điểm cực trị của thành bên và bình là hình lập phương nên góc tới của chùm tia trên mặt nước khi chúng ta đổ nó sẽ là bằng 45 0.

Cơm. 9. Nhiệm vụ thi quốc gia thống nhất

Chùm tia rơi vào điểm F, điều này có nghĩa là chúng ta nhìn rõ vật và đường chấm màu đen biểu thị đường đi của chùm tia nếu không có nước, tức là đến điểm D. Từ tam giác NFK, tiếp tuyến của góc β, tiếp tuyến của góc khúc xạ, là tỷ số của cạnh đối diện với cạnh kề hoặc, dựa trên hình vẽ, h trừ b chia cho h.

tg β = = , h là chiều cao của chất lỏng ta đổ;

Hiện tượng phản xạ toàn phần mạnh nhất được sử dụng trong các hệ thống sợi quang.

Cơm. 10. Sợi quang

Nếu một chùm ánh sáng chiếu vào một đầu ống thủy tinh đặc thì sau nhiều lần phản xạ nội toàn phần, chùm tia sẽ đi ra từ phía đối diện của ống. Hóa ra ống thủy tinh là vật dẫn sóng ánh sáng hoặc ống dẫn sóng. Điều này sẽ xảy ra bất kể ống thẳng hay cong (Hình 10). Ống dẫn ánh sáng đầu tiên, đây là tên thứ hai của ống dẫn sóng, được dùng để chiếu sáng những nơi khó tiếp cận (trong quá trình nghiên cứu y học, khi ánh sáng được cung cấp cho một đầu của ống dẫn ánh sáng, còn đầu kia chiếu sáng nơi mong muốn). Ứng dụng chính là y học, phát hiện khuyết tật của động cơ, nhưng các ống dẫn sóng như vậy được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống truyền thông tin. Tần số sóng mang khi truyền tín hiệu bằng sóng ánh sáng cao hơn tần số của tín hiệu vô tuyến một triệu lần, nghĩa là lượng thông tin mà chúng ta có thể truyền đi bằng sóng ánh sáng lớn hơn hàng triệu lần lượng thông tin được truyền đi bằng sóng vô tuyến. Đây là cơ hội tuyệt vời để truyền tải nhiều thông tin một cách đơn giản và không tốn kém. Thông thường, thông tin được truyền qua cáp quang bằng bức xạ laser. Sợi quang là không thể thiếu để truyền tín hiệu máy tính nhanh và chất lượng cao chứa một lượng lớn thông tin được truyền đi. Và cơ sở của tất cả những điều này là một hiện tượng đơn giản và bình thường như khúc xạ ánh sáng.

Tài liệu tham khảo

  1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Vật lý (trình độ cơ bản) - M.: Mnemosyne, 2012.
  2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Vật lý lớp 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
  3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Vật lý - 9, Mátxcơva, Giáo dục, 1990.
  1. Edu.glavsprav.ru ().
  2. Nvtc.ee().
  3. Raal100.narod.ru ().
  4. Optika.ucoz.ru ().

bài tập về nhà

  1. Định nghĩa khúc xạ ánh sáng.
  2. Nêu nguyên nhân gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
  3. Kể tên những ứng dụng phổ biến nhất của phản xạ toàn phần.

    Trong hình MỘTcho thấy một tia bình thường đi qua giao diện không khí-Plexiglas và thoát ra khỏi tấm Plexiglas mà không chịu bất kỳ sự lệch nào khi nó đi qua hai ranh giới giữa Plexiglas và không khí. Trong hình b cho thấy một tia sáng đi vào một tấm hình bán nguyệt bình thường không bị lệch, nhưng tạo một góc y với pháp tuyến tại điểm O bên trong tấm mica. Khi chùm tia rời khỏi môi trường đậm đặc hơn (thủy tinh plexi), tốc độ truyền của nó trong môi trường ít đậm đặc hơn (không khí) sẽ tăng lên. Do đó, nó bị khúc xạ, tạo một góc x so với pháp tuyến trong không khí, lớn hơn y.

    Dựa trên thực tế là n = sin (góc mà chùm tia tạo với pháp tuyến trong không khí) / sin (góc mà chùm tia tạo với pháp tuyến trong môi trường), plexiglass n n = sin x/sin y. Nếu thực hiện nhiều phép đo x và y, chiết suất của tấm mica có thể được tính bằng cách lấy trung bình các kết quả cho mỗi cặp giá trị. Góc y có thể tăng lên bằng cách di chuyển nguồn sáng theo cung tròn có tâm tại điểm O.

    Tác dụng của việc này là tăng góc x cho đến khi đạt được vị trí như trong hình. V., tức là cho đến khi x bằng 90 o. Rõ ràng góc x không thể lớn hơn. Góc mà tia sáng tạo với pháp tuyến bên trong tấm mica được gọi là góc tới hạn hoặc giới hạn với(đây là góc tới trên ranh giới từ môi trường đậm đặc hơn đến môi trường kém đậm đặc hơn, khi góc khúc xạ trong môi trường kém đậm đặc hơn là 90°).

    Người ta thường quan sát thấy một chùm tia phản xạ yếu, cũng như một chùm sáng bị khúc xạ dọc theo cạnh thẳng của tấm. Đây là hệ quả của sự phản ánh nội bộ một phần. Cũng lưu ý rằng khi sử dụng ánh sáng trắng, ánh sáng xuất hiện dọc theo cạnh thẳng sẽ bị chia thành các màu của quang phổ. Nếu nguồn sáng được di chuyển xa hơn xung quanh cung như hình vẽ G, sao cho I bên trong tấm mica trở nên lớn hơn góc tới hạn c và sự khúc xạ không xảy ra ở ranh giới của hai môi trường. Thay vào đó, chùm tia phản xạ toàn phần ở một góc r so với pháp tuyến, trong đó r = i.

    Để làm cho nó xảy ra phản xạ toàn phần, góc tới i phải được đo bên trong môi trường đậm đặc hơn (thủy tinh plexi) và nó phải lớn hơn góc tới hạn c. Lưu ý rằng định luật phản xạ cũng đúng với mọi góc tới lớn hơn góc tới hạn.

    Góc tới hạn của kim cương chỉ là 24°38". Do đó, "độ chói" của nó phụ thuộc vào mức độ dễ xảy ra phản xạ nội toàn phần khi nó được chiếu sáng bởi ánh sáng, điều này phụ thuộc phần lớn vào việc cắt và đánh bóng khéo léo để tăng cường hiệu ứng này. Trước đây người ta đã xác định điều này rằng n = 1 /sin c, do đó phép đo chính xác góc tới hạn c sẽ xác định được n.

    Nghiên cứu 1. Xác định n cho tấm mica bằng cách tìm góc tới hạn

    Đặt một mảnh thủy tinh có hình bán nguyệt vào giữa một tờ giấy trắng lớn và cẩn thận vạch đường viền của nó. Tìm trung điểm O của cạnh thẳng của tấm đó. Sử dụng thước đo góc, dựng NO pháp tuyến vuông góc với cạnh thẳng này tại điểm O. Đặt tấm lại theo đường viền của nó. Di chuyển nguồn sáng xung quanh cung tròn về bên trái NO, luôn hướng tia tới tới điểm O. Khi tia khúc xạ đi dọc theo cạnh thẳng như hình vẽ, đánh dấu đường đi của tia tới bằng ba điểm P 1, P 2 và P 3.

    Tạm thời tháo tấm ra và nối ba điểm này bằng một đường thẳng đi qua O. Dùng thước đo góc đo góc tới hạn c giữa tia tới được vẽ và pháp tuyến. Cẩn thận đặt tấm lại theo đường viền của nó và lặp lại những gì đã làm trước đó, nhưng lần này di chuyển nguồn sáng quanh cung tròn sang bên phải NO, liên tục hướng chùm tia tới điểm O. Ghi lại hai giá trị đo được của c vào bảng kết quả và xác định giá trị trung bình của góc tới hạn c. Sau đó xác định chiết suất n n của tấm mica bằng công thức n n = 1 /sin s.

    Thiết bị cho Nghiên cứu 1 cũng có thể được sử dụng để chỉ ra rằng đối với các tia sáng truyền trong môi trường đặc hơn (Plexiglas) và tới trên bề mặt tiếp xúc Plexiglas-không khí ở các góc lớn hơn góc tới hạn c, thì góc tới i bằng góc phản ánh r.

    Bài 2. Kiểm tra định luật phản xạ ánh sáng đối với góc tới lớn hơn góc giới hạn

    Đặt tấm mica hình bán nguyệt lên một tờ giấy trắng lớn và cẩn thận vẽ đường viền của nó. Như trong trường hợp đầu tiên, hãy tìm trung điểm O và xây dựng NO bình thường. Đối với tấm mica, góc tới hạn c = 42°, do đó, góc tới i > 42° lớn hơn góc tới hạn. Dùng thước đo góc tạo các tia ở các góc 45°, 50°, 60°, 70° và 80° so với NO bình thường.

    Cẩn thận đặt tấm mica trở lại đường viền của nó và hướng chùm sáng từ nguồn sáng dọc theo đường 45°. Chùm tia sẽ đi tới điểm O, bị phản xạ và xuất hiện ở mặt cong của tấm ở phía bên kia pháp tuyến. Đánh dấu ba điểm P 1, P 2 và P 3 trên tia phản xạ. Tạm thời tháo tấm ra và nối ba điểm bằng một đường thẳng đi qua điểm O.

    Dùng thước đo góc đo góc phản xạ r giữa và tia phản xạ, ghi kết quả vào bảng. Cẩn thận đặt tấm vào đường viền của nó và lặp lại các góc 50°, 60°, 70° và 80° so với bình thường. Ghi giá trị của r vào chỗ thích hợp trong bảng kết quả. Vẽ đồ thị góc phản xạ r và góc tới i. Một đồ thị đường thẳng được vẽ trên phạm vi góc tới từ 45° đến 80° sẽ đủ để chỉ ra rằng góc i bằng góc r.

Khi sóng lan truyền trong một môi trường, kể cả môi trường điện từ, để tìm một mặt sóng mới bất kỳ lúc nào, hãy sử dụng Nguyên lý Huygens.

Mỗi điểm trên mặt sóng là nguồn của sóng thứ cấp.

Trong môi trường đẳng hướng đồng nhất, mặt sóng của sóng thứ cấp có dạng hình cầu bán kính v×Dt, trong đó v là tốc độ truyền sóng trong môi trường. Bằng cách vẽ đường bao của mặt trước sóng của sóng thứ cấp, chúng ta thu được mặt trước sóng mới tại một thời điểm nhất định (Hình 7.1, a, b).

Định luật phản ánh

Sử dụng nguyên lý Huygens, có thể chứng minh định luật phản xạ sóng điện từ tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chất điện môi.

Góc tới bằng góc phản xạ. Tia tới và tia phản xạ cùng với đường vuông góc với mặt phân cách giữa hai điện môi nằm trong cùng một mặt phẳng.Ð a = Ð b. (7.1)

Cho một sóng ánh sáng phẳng (tia 1 và 2, Hình 7.2) rơi trên giao diện LED phẳng giữa hai phương tiện. Góc a giữa chùm tia và phương vuông góc với đèn LED được gọi là góc tới. Nếu tại một thời điểm nhất định mặt trước của sóng OB tới đạt đến điểm O thì theo nguyên lý Huygens điểm này

Cơm. 7.2

bắt đầu phát ra sóng thứ cấp. Trong khoảng thời gian Dt = VO 1 /v, chùm tia tới 2 tới điểm O 1. Trong cùng thời gian đó, mặt trước của sóng thứ cấp sau khi phản xạ tại điểm O, truyền trong cùng một môi trường, tới các điểm của bán cầu có bán kính OA = v Dt = BO 1. Mặt sóng mới được mô tả bằng mặt phẳng AO ​​1 và hướng truyền của tia OA. Góc b gọi là góc phản xạ. Từ đẳng thức của hai tam giác OAO 1 và OBO 1 suy ra định luật phản xạ: góc tới bằng góc phản xạ.

Định luật khúc xạ

Môi trường đồng nhất về mặt quang học 1 được đặc trưng bởi , (7.2)

Tỷ số n 2 / n 1 = n 21 (7.4)

gọi điện

(7.5)

Đối với chân không n = 1.

Ví dụ, do sự phân tán (tần số ánh sáng n » 10 14 Hz), đối với nước n = 1,33 chứ không phải n = 9 (e = 81), như sau từ điện động lực học đối với tần số thấp. Nếu tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường thứ nhất là v 1 và trong môi trường thứ hai - v 2 thì

Cơm. 7.3

thì trong thời gian Dt sóng phẳng tới truyền đi quãng đường AO 1 trong môi trường thứ nhất AO 1 = v 1 Dt. Đầu sóng thứ cấp, bị kích thích trong môi trường thứ hai (theo nguyên lý Huygens), chạm tới các điểm của bán cầu có bán kính OB = v 2 Dt. Mặt trước mới truyền sóng trong môi trường thứ hai được biểu diễn bằng mặt phẳng BO 1 (Hình 7.3) và hướng truyền của nó bằng các tia OB và O 1 C (vuông góc với mặt sóng). Góc b giữa tia OB và pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai điện môi tại điểm O gọi là góc khúc xạ. Từ các tam giác OAO 1 và OBO 1 suy ra AO 1 = OO 1 sin a, OB = OO 1 sin b.

Thái độ của họ thể hiện định luật khúc xạ(pháp luật Snell):

. (7.6)

Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng chiết suất tương đối của hai môi trường.

Phản xạ nội toàn phần

Cơm. 7.4

Theo định luật khúc xạ, tại mặt phân cách giữa hai môi trường có thể quan sát được phản xạ toàn phần, nếu n 1 > n 2, tức là Ðb > Đa (Hình 7.4). Do đó, có một góc tới Da pr bị giới hạn khi Đb = 90 0 . Khi đó định luật khúc xạ (7.6) có dạng sau:

sin a pr = , (sin 90 0 =1) (7.7)

Khi góc tới Da > Da pr tăng thêm, ánh sáng bị phản xạ hoàn toàn khỏi mặt phân cách giữa hai môi trường.

Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần và được sử dụng rộng rãi trong quang học, chẳng hạn, để thay đổi hướng của tia sáng (Hình 7.5, a, b).

Nó được sử dụng trong kính thiên văn, ống nhòm, sợi quang và các dụng cụ quang học khác.

Trong các quá trình sóng cổ điển, chẳng hạn như hiện tượng phản xạ toàn phần của sóng điện từ, người ta quan sát thấy các hiện tượng tương tự như hiệu ứng đường hầm trong cơ học lượng tử, liên quan đến tính chất sóng-hạt của các hạt.

Thật vậy, khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác, người ta quan sát thấy sự khúc xạ ánh sáng, gắn liền với sự thay đổi tốc độ truyền của nó trong các môi trường khác nhau. Tại mặt phân cách giữa hai môi trường, chùm sáng được chia thành hai phần: khúc xạ và phản xạ.

Một tia sáng vuông góc với mặt 1 của lăng kính thủy tinh cân hình chữ nhật và không khúc xạ, rơi xuống mặt 2, quan sát thấy phản xạ toàn phần vì góc tới (Đa = 45 0) của chùm tia trên mặt 2 lớn hơn hơn góc giới hạn của phản xạ toàn phần (đối với thủy tinh n 2 = 1,5; Da pr = 42 0).

Nếu cùng một lăng kính được đặt cách mặt 2 một khoảng H ~ l/2 thì một tia sáng sẽ truyền qua mặt 2 * và thoát ra khỏi lăng kính qua mặt 1 * song song với tia tới ở mặt 1. Cường độ J của thông lượng ánh sáng truyền qua giảm theo cấp số nhân khi tăng khoảng cách h giữa các lăng kính theo định luật:

,

trong đó w là xác suất nhất định để chùm tia truyền vào môi trường thứ hai; d là hệ số phụ thuộc vào chiết suất của chất; l là bước sóng của ánh sáng tới

Do đó, sự thâm nhập của ánh sáng vào vùng “cấm” là một sự tương tự về mặt quang học của hiệu ứng đường hầm lượng tử.

Hiện tượng phản xạ toàn phần thực sự hoàn toàn, vì trong trường hợp này, toàn bộ năng lượng của ánh sáng tới bị phản xạ tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường hơn là khi bị phản xạ, chẳng hạn như từ bề mặt của gương kim loại. Sử dụng hiện tượng này, người ta có thể tìm ra một sự tương tự khác giữa một mặt là sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng, và mặt khác là bức xạ Vavilov-Cherenkov.



NHIỄM SÓNG SÓNG

7.2.1. Vai trò của vectơ và

Trong thực tế, nhiều sóng có thể lan truyền đồng thời trong môi trường thực. Kết quả của việc bổ sung các sóng là một số hiện tượng thú vị được quan sát thấy: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ và khúc xạ của sóng vân vân.

Những hiện tượng sóng này không chỉ đặc trưng cho sóng cơ mà còn đặc trưng cho sóng điện, từ, ánh sáng, v.v. Tất cả các hạt cơ bản cũng thể hiện tính chất sóng đã được cơ học lượng tử chứng minh.

Một trong những hiện tượng sóng thú vị nhất được quan sát thấy khi hai hoặc nhiều sóng truyền trong môi trường, được gọi là giao thoa. Môi trường đồng nhất về mặt quang học 1 được đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ tuyệt đối , (7.8)

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không; v 1 - tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất.

Môi trường 2 được đặc trưng bởi chiết suất tuyệt đối

trong đó v2 là tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai.

Thái độ (7.10)

gọi điện chiết suất tương đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất.Đối với chất điện môi trong suốt trong đó m = 1, sử dụng lý thuyết Maxwell, hoặc

trong đó e 1, e 2 là hằng số điện môi của môi trường thứ nhất và thứ hai.

Đối với chân không n = 1. Do sự phân tán (tần số ánh sáng n » 10 14 Hz), ví dụ, đối với nước n = 1,33 chứ không phải n = 9 (e = 81), như sau từ điện động lực học đối với tần số thấp. Ánh sáng là sóng điện từ. Do đó, trường điện từ được xác định bởi các vectơ và , tương ứng đặc trưng cho cường độ của điện trường và từ trường. Tuy nhiên, trong nhiều quá trình tương tác của ánh sáng với vật chất, chẳng hạn như tác động của ánh sáng lên các cơ quan thị giác, tế bào quang điện và các thiết bị khác, vai trò quyết định thuộc về vectơ, mà trong quang học được gọi là vectơ ánh sáng.

Phản xạ nội toàn phần

Phản ánh nội bộ- hiện tượng phản xạ sóng điện từ từ mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, với điều kiện sóng tới từ môi trường có chiết suất cao hơn.

Phản ánh nội bộ không đầy đủ- Phản xạ nội, với điều kiện là góc tới nhỏ hơn góc tới hạn. Trong trường hợp này, chùm tia bị chia thành khúc xạ và phản xạ.

Phản xạ nội toàn phần- phản xạ nội, với điều kiện là góc tới vượt quá một góc tới hạn nhất định. Trong trường hợp này, sóng tới bị phản xạ hoàn toàn và giá trị của hệ số phản xạ vượt quá giá trị cao nhất đối với bề mặt được đánh bóng. Ngoài ra, hệ số phản xạ toàn phần không phụ thuộc vào bước sóng.

Hiện tượng quang học này được quan sát thấy ở nhiều loại bức xạ điện từ bao gồm cả phạm vi tia X.

Trong khuôn khổ quang học hình học, việc giải thích hiện tượng này rất đơn giản: dựa trên định luật Snell và tính đến góc khúc xạ không thể vượt quá 90°, chúng ta thu được rằng ở góc tới có sin lớn hơn tỷ số của chiết suất càng nhỏ thì hệ số khúc xạ càng lớn thì sóng điện từ phải phản xạ toàn bộ vào môi trường thứ nhất.

Theo lý thuyết sóng của hiện tượng này, sóng điện từ vẫn xuyên qua môi trường thứ hai - cái gọi là “sóng không đồng nhất” lan truyền ở đó, phân rã theo cấp số nhân và không mang theo năng lượng. Độ sâu thâm nhập đặc trưng của sóng không đồng nhất vào môi trường thứ hai có bậc bước sóng.

Sự phản xạ toàn phần của ánh sáng

Chúng ta hãy xem xét hiện tượng phản xạ nội bằng ví dụ về hai tia đơn sắc tới trên mặt phân cách giữa hai môi trường. Các tia rơi từ vùng có môi trường đậm đặc hơn (biểu thị bằng màu xanh lam đậm hơn) có chiết suất đến ranh giới với môi trường đậm đặc hơn (biểu thị bằng màu xanh lam nhạt) có chiết suất.

Chùm tia đỏ rơi một góc , nghĩa là, tại ranh giới của môi trường, nó phân nhánh - nó bị khúc xạ một phần và phản xạ một phần. Một phần của chùm tia bị khúc xạ một góc.

Chùm tia xanh rơi xuống và bị phản xạ hoàn toàn src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Phản xạ nội toàn phần trong tự nhiên và công nghệ

Phản xạ tia X

Sự khúc xạ của tia X ở tần số sượt qua lần đầu tiên được đưa ra bởi M. A. Kumakhov, người đã phát triển gương tia X, và được chứng minh về mặt lý thuyết bởi Arthur Compton vào năm 1923.

Hiện tượng sóng khác

Ví dụ, có thể chứng minh sự khúc xạ, và do đó, hiệu ứng phản xạ toàn phần, đối với sóng âm trên bề mặt và trong độ dày của chất lỏng trong quá trình chuyển đổi giữa các vùng có độ nhớt hoặc mật độ khác nhau.

Các hiện tượng tương tự như hiệu ứng phản xạ toàn phần của bức xạ điện từ được quan sát thấy đối với các chùm neutron chậm.

Nếu một sóng phân cực thẳng đứng tới bề mặt ở góc Brewster thì sẽ quan sát thấy hiệu ứng khúc xạ hoàn toàn - sẽ không có sóng phản xạ.

Ghi chú

Quỹ Wikimedia.

  • 2010.
  • Hơi thở đầy đủ

Thay đổi hoàn toàn

    Xem “Phản xạ toàn phần” là gì trong các từ điển khác: PHẢN XẠ NỘI TỔNG - phản ánh el. tạp chí. bức xạ (đặc biệt là ánh sáng) khi nó rơi vào bề mặt giữa hai môi trường trong suốt từ môi trường có chiết suất cao. P.v. Ô. xảy ra khi góc tới i vượt quá một góc giới hạn (quan trọng) nhất định...

    Phản xạ nội toàn phần Bách khoa toàn thư vật lý

    Phản xạ nội toàn phần- Phản xạ toàn phần. Khi ánh sáng truyền từ môi trường có n1 > n2, phản xạ toàn phần xảy ra nếu góc tới a2 > apr; góc tới a1 Từ điển bách khoa có minh họa - sự phản xạ của bức xạ quang học (Xem Bức xạ quang học) (ánh sáng) hoặc bức xạ điện từ ở phạm vi khác (ví dụ: sóng vô tuyến) khi nó rơi vào giao diện của hai môi trường trong suốt từ môi trường có chiết suất cao... ...

    Xem “Phản xạ toàn phần” là gì trong các từ điển khác: Bách khoa toàn thư vĩ đại của Liên Xô - Sóng điện từ, xảy ra khi chúng truyền từ môi trường có chiết suất lớn n1 sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn n2 với góc tới a vượt quá góc giới hạn apr, được xác định bằng tỷ số sinapr=n2/n1. Đầy... ...

    Xem “Phản xạ toàn phần” là gì trong các từ điển khác:- PHẢN XẠ NỘI THẤT HOÀN TOÀN, PHẢN XẠ không KHỔNG XẠ ánh sáng tại ranh giới. Khi ánh sáng truyền từ môi trường đậm đặc hơn (ví dụ như thủy tinh) sang môi trường kém đậm đặc hơn (nước hoặc không khí), sẽ có một vùng có góc khúc xạ trong đó ánh sáng không đi qua ranh giới... Từ điển bách khoa khoa học kỹ thuật

    phản xạ toàn phần- Sự phản xạ ánh sáng từ môi trường kém chiết quang hơn và quay trở lại môi trường nơi nó rơi xuống. [Bộ sưu tập các thuật ngữ được đề xuất. Vấn đề 79. Quang học vật lý. Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô. Ủy ban thuật ngữ khoa học và kỹ thuật. 1970] Chủ đề… … Hướng dẫn dịch thuật kỹ thuật

    Xem “Phản xạ toàn phần” là gì trong các từ điển khác:- Sóng điện từ xảy ra khi chúng chiếu xiên vào mặt phân cách giữa 2 môi trường, khi bức xạ truyền từ môi trường có chiết suất lớn n1 sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn n2 và góc tới i vượt quá góc giới hạn. ... Từ điển bách khoa lớn

    phản xạ toàn phần- Sóng điện từ, xảy ra với tần số xiên trên mặt phân cách giữa 2 môi trường, khi bức xạ truyền từ môi trường có chiết suất lớn n1 sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn n2 và góc tới i vượt quá góc giới hạn ipr .. . Từ điển bách khoa

Chúng ta đã chỉ ra ở § 81 rằng khi ánh sáng chiếu vào mặt phân cách giữa hai môi trường, năng lượng ánh sáng bị chia thành hai phần: một phần bị phản xạ, phần kia xuyên qua mặt phân cách vào môi trường thứ hai. Sử dụng ví dụ về sự chuyển đổi ánh sáng từ không khí sang thủy tinh, tức là từ môi trường kém chiết quang hơn sang môi trường chiết quang hơn, chúng ta thấy rằng tỷ lệ năng lượng phản xạ phụ thuộc vào góc tới. Trong trường hợp này, phần năng lượng phản xạ tăng lên rất nhiều khi góc tới tăng; tuy nhiên, ngay cả ở những góc tới rất lớn, gần bằng , khi chùm sáng gần như trượt dọc theo mặt phân cách, một phần năng lượng ánh sáng vẫn truyền vào môi trường thứ hai (xem §81, bảng 4 và 5).

Một hiện tượng thú vị mới phát sinh nếu ánh sáng truyền trong bất kỳ môi trường nào rơi vào bề mặt phân cách giữa môi trường này và môi trường kém chiết quang hơn, nghĩa là có chiết suất tuyệt đối thấp hơn. Ở đây cũng vậy, phần năng lượng phản xạ tăng khi góc tới tăng, nhưng sự gia tăng tuân theo một quy luật khác: bắt đầu từ một góc tới nhất định, toàn bộ năng lượng ánh sáng bị phản xạ khỏi mặt phân cách. Hiện tượng này được gọi là phản xạ nội toàn phần.

Chúng ta hãy xem xét lại, như trong §81, tỷ lệ ánh sáng tới ở mặt phân cách giữa thủy tinh và không khí. Để một chùm ánh sáng rơi từ kính lên bề mặt ở các góc tới khác nhau (Hình 186). Nếu chúng ta đo phần năng lượng ánh sáng phản xạ và phần năng lượng ánh sáng truyền qua giao diện, chúng ta thu được các giá trị cho trong Bảng. 7 (thủy tinh, như trong Bảng 4, có chiết suất).

Cơm. 186. Phản xạ nội toàn phần: độ dày của tia tương ứng với phần năng lượng ánh sáng được tích điện hoặc truyền qua mặt phân cách

Góc tới mà toàn bộ năng lượng ánh sáng bị phản xạ khỏi mặt phân cách được gọi là góc giới hạn của phản xạ nội toàn phần. Đối với kính mà bảng được biên soạn. 7 (), góc giới hạn xấp xỉ .

Bảng 7. Phân số năng lượng phản xạ ứng với các góc tới khác nhau khi ánh sáng truyền từ thủy tinh sang không khí

Góc tới

Góc khúc xạ

Phần trăm năng lượng phản xạ (%)

Chúng ta hãy lưu ý rằng khi ánh sáng chiếu tới mặt phân cách ở một góc giới hạn thì góc khúc xạ bằng , tức là trong công thức biểu thị định luật khúc xạ cho trường hợp này,

khi chúng ta phải đặt hoặc . Từ đây chúng ta tìm thấy

Ở góc tới lớn hơn thì không có tia khúc xạ. Về mặt hình thức, điều này xuất phát từ thực tế là ở các góc tới lớn theo định luật khúc xạ, thu được các giá trị lớn hơn đơn vị, điều này rõ ràng là không thể.

Trong bảng Bảng 8 cho thấy các góc giới hạn của phản xạ toàn phần đối với một số chất, chiết suất của chúng được cho trong bảng. 6. Dễ dàng kiểm chứng tính đúng đắn của quan hệ (84.1).

Bảng 8. Góc giới hạn phản xạ toàn phần tại ranh giới với không khí

Chất

Cacbon disulfua

Thủy tinh (đá lửa nặng)

Glyxerin

Phản xạ toàn phần có thể được quan sát tại ranh giới của bọt khí trong nước. Chúng tỏa sáng vì ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng được phản chiếu hoàn toàn mà không lọt vào bong bóng. Điều này đặc biệt đáng chú ý ở những bọt khí luôn hiện diện trên thân và lá của thực vật dưới nước và dưới ánh nắng mặt trời dường như được làm bằng bạc, tức là từ một vật liệu phản chiếu ánh sáng rất tốt.

Phản xạ nội toàn phần được ứng dụng trong thiết kế lăng kính quay và lăng kính quay bằng thủy tinh, hoạt động của nó được thể hiện rõ ràng trên Hình 2. 187. Góc giới hạn của lăng kính phụ thuộc vào chiết suất của một loại thủy tinh nhất định; Do đó, việc sử dụng các lăng kính như vậy không gặp bất kỳ khó khăn nào liên quan đến việc lựa chọn góc đi vào và đi ra của tia sáng. Lăng kính quay thực hiện thành công các chức năng của gương và có ưu điểm là tính chất phản chiếu của chúng không thay đổi, trong khi gương kim loại mờ dần theo thời gian do quá trình oxy hóa kim loại. Cần lưu ý rằng lăng kính bao bọc có thiết kế đơn giản hơn hệ thống gương quay tương đương. Lăng kính quay được sử dụng đặc biệt trong kính tiềm vọng.

Cơm. 187. Đường đi của tia sáng trong lăng kính quay thủy tinh (a), lăng kính bọc (b) và trong ống nhựa cong - vật dẫn ánh sáng (c)