Sự truyền sóng điện từ trong các môi trường khác nhau tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ. Từ những định luật này, trong những điều kiện nhất định, sẽ xảy ra một hiệu ứng thú vị, mà trong vật lý gọi là sự phản xạ toàn phần của ánh sáng. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn hiệu ứng này là gì.

Sự phản xạ và khúc xạ

Trước khi tiến hành trực tiếp đến việc xem xét sự phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng, cần phải giải thích các quá trình phản xạ và khúc xạ.

Sự phản xạ đề cập đến sự thay đổi hướng chuyển động của tia sáng trong cùng một môi trường khi nó gặp bất kỳ giao diện nào. Ví dụ: nếu bạn trỏ con trỏ laser vào gương, bạn có thể quan sát hiệu ứng được mô tả.

Khúc xạ, giống như sự phản xạ, là sự thay đổi hướng chuyển động của ánh sáng, nhưng không phải ở môi trường thứ nhất mà ở môi trường thứ hai. Kết quả của hiện tượng này sẽ là sự biến dạng về đường viền của các vật thể và sự sắp xếp không gian của chúng. Một ví dụ phổ biến về khúc xạ là khi bút chì hoặc bút bi bị vỡ khi đặt vào cốc nước.

Khúc xạ và phản xạ có liên quan với nhau. Chúng hầu như luôn hiện diện cùng nhau: một phần năng lượng của chùm tia bị phản xạ và phần còn lại bị khúc xạ.

Cả hai hiện tượng đều là kết quả của việc áp dụng nguyên lý Fermat. Ông phát biểu rằng ánh sáng di chuyển dọc theo đường đi giữa hai điểm sẽ mất ít thời gian nhất.

Vì sự phản xạ là hiệu ứng xảy ra trong một môi trường và khúc xạ xảy ra trong hai môi trường, nên điều quan trọng đối với môi trường sau là cả hai môi trường đều trong suốt đối với sóng điện từ.

Khái niệm chiết suất

Chỉ số khúc xạ là một đại lượng quan trọng để mô tả toán học của hiện tượng đang được xem xét. Chiết suất của một môi trường cụ thể được xác định như sau:

Trong đó c và v lần lượt là tốc độ ánh sáng trong chân không và vật chất. Giá trị của v luôn nhỏ hơn c nên số mũ n sẽ lớn hơn một. Hệ số không thứ nguyên n cho biết lượng ánh sáng trong một chất (môi trường) sẽ tụt hậu so với ánh sáng trong chân không. Sự chênh lệch giữa các tốc độ này dẫn đến xuất hiện hiện tượng khúc xạ.

Tốc độ ánh sáng trong vật chất tương quan với mật độ của vật chất sau. Môi trường càng đặc thì ánh sáng càng khó truyền qua nó. Ví dụ, đối với không khí n = 1,00029, gần giống như đối với chân không, đối với nước n = 1,333.

Phản xạ, khúc xạ và định luật của chúng

Một ví dụ nổi bật về kết quả của sự phản xạ toàn phần là bề mặt sáng bóng của một viên kim cương. Chỉ số khúc xạ của một viên kim cương là 2,43, vì vậy nhiều tia sáng đi vào viên đá quý sẽ bị phản xạ toàn phần nhiều lần trước khi rời khỏi nó.

Bài toán xác định góc tới hạn θc của kim cương

Hãy xem xét một vấn đề đơn giản trong đó chúng tôi sẽ chỉ ra cách sử dụng các công thức đã cho. Cần phải tính xem góc tới hạn phản xạ toàn phần sẽ thay đổi bao nhiêu nếu một viên kim cương được đặt từ không khí vào nước.

Sau khi xem xét các giá trị chiết suất của môi trường được chỉ định trong bảng, chúng tôi viết chúng ra:

• đối với không khí: n 1 = 1,00029;
• đối với nước: n 2 = 1,333;
• đối với kim cương: n 3 = 2,43.

Góc tới hạn của cặp kim cương-không khí là:

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

Như bạn có thể thấy, góc tới hạn đối với cặp môi trường này khá nhỏ, tức là chỉ những tia đó mới có thể thoát khỏi viên kim cương vào không khí gần pháp tuyến hơn 24,31 o.

Đối với trường hợp kim cương trong nước, chúng ta có:

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

Độ tăng của góc tới hạn là:

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

Sự tăng nhẹ góc tới hạn để phản xạ hoàn toàn ánh sáng trong kim cương khiến nó tỏa sáng trong nước gần giống như trong không khí.

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 ánh el. tạp chí. bức xạ (đặc biệt là ánh sáng) khi nó rơi vào mặt phân cách 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... 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

Phản xạ nội toàn phần- 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... ... Bách khoa toàn thư vĩ đại của Liên Xô

Xem “Phản xạ toàn phần” là gì trong các từ điển khác:- 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... ... Bách khoa toàn thư hiện đại

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 mà 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

Khi sóng lan truyền trong một môi trường, kể cả môi trường điện từ, để tìm một mặt sóng mới bất cứ 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 các mặt sóng của sóng thứ cấp, chúng ta thu được mặt 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 bề mặt phân cách LED phẳng giữa hai môi trường. 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 sự bằng nhau 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 tán sắc (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 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 hiện tượng tương tự về mặt quang học của hiệu ứng đường hầm lượng tử.

Hiện tượng phản xạ toàn phần thực sự hoàn chỉnh, 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 của sóng cơ mà còn của điện, từ, ánh sáng, v.v. Tất cả các hạt cơ bản cũng thể hiện tính chất sóng, điều này 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.

BÀI 23 HÌNH HỌC QUANG HỌC

BÀI 23 HÌNH HỌC QUANG HỌC

1. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng.

2. Phản xạ toàn phần. Sợi quang học.

3. Ống kính. Công suất quang của thấu kính.

4. Quang sai của ống kính.

5. Các khái niệm và công thức cơ bản.

6. Nhiệm vụ.

Khi giải nhiều bài toán liên quan đến sự truyền ánh sáng, bạn có thể sử dụng các định luật quang học hình học, dựa trên ý tưởng coi tia sáng là một đường dọc theo đó năng lượng của sóng ánh sáng truyền đi. Trong môi trường đồng nhất, tia sáng có tính chất thẳng. Quang học hình học là trường hợp giới hạn của quang học sóng vì bước sóng có xu hướng tiến về 0 (λ →0).

23.1. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Phản xạ nội toàn phần, hướng dẫn ánh sáng

Định luật phản xạ

Sự phản chiếu ánh sáng- hiện tượng xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa hai môi trường, do đó chùm ánh sáng thay đổi hướng truyền của nó, vẫn ở trong môi trường thứ nhất. Bản chất của sự phản xạ phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước (h) của độ không đều của bề mặt phản xạ và bước sóng (λ) bức xạ sự cố.

Phản xạ khuếch tán

Khi các điểm bất thường được định vị ngẫu nhiên và kích thước của chúng theo thứ tự bước sóng hoặc vượt quá nó, phản xạ khuếch tán- tán xạ ánh sáng theo mọi hướng có thể. Nhờ sự phản xạ khuếch tán mà các vật thể không tự phát sáng trở nên hữu hình khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt của chúng.

Hình ảnh phản chiếu

Nếu kích thước của các điểm không đều nhỏ so với bước sóng (h<< λ), то возникает направленное, или gương, sự phản xạ ánh sáng (Hình 23.1). Trong trường hợp này, các luật sau đây được tuân thủ.

Tia tới, tia phản xạ và pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trường vẽ qua điểm tới của tia sáng, nằm trong cùng một mặt phẳng.

Góc phản xạ bằng góc tới:β = Một.

Cơm. 23.1.Đường đi của tia sáng khi phản xạ

Định luật khúc xạ

Khi một chùm ánh sáng đi tới mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, nó sẽ bị chia thành hai chùm: chùm phản xạ và khúc xạ(Hình 23.2). Tia khúc xạ truyền trong môi trường thứ hai làm đổi hướng. Đặc tính quang học của môi trường là tuyệt đối

Cơm. 23.2.Đường đi của tia khúc xạ

chỉ số khúc xạ, bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong môi trường này:

Hướng của tia khúc xạ phụ thuộc vào tỉ số chiết suất của hai môi trường. Các định luật khúc xạ sau đây được thỏa mãn.

Tia tới, tia khúc xạ và pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trường vẽ qua điểm tới của tia sáng, 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 bằng tỉ số chiết suất tuyệt đối của môi trường thứ hai và thứ nhất:

23.2. Phản xạ nội toàn phần. Sợi quang

Chúng ta hãy xem xét sự chuyển đổi của ánh sáng từ môi trường có chiết suất n 1 cao hơn (mật độ quang học cao hơn) sang môi trường có chiết suất thấp hơn n 2 (mật độ quang học kém hơn). Hình 23.3 biểu diễn các tia tới trên mặt phân cách thủy tinh-không khí. Đối với thủy tinh, chiết suất n 1 = 1,52; đối với không khí n 2 = 1,00.

Cơm. 23.3. Sự xuất hiện phản xạ toàn phần (n 1 > n 2)

Việc tăng góc tới dẫn đến góc khúc xạ tăng cho đến khi góc khúc xạ bằng 90°. Khi góc tới tăng thêm thì chùm tia tới không bị khúc xạ nhưng đầy đủ phản ánh từ giao diện. Hiện tượng này được gọi là phản xạ nội toàn phần. Nó được quan sát thấy khi ánh sáng rơi từ môi trường đậm đặc hơn lên ranh giới với môi trường kém đậm đặc hơn và bao gồm những điều sau đây.

Nếu góc tới vượt quá góc giới hạn đối với các môi trường này thì hiện tượng khúc xạ ở mặt phân cách không xảy ra và ánh sáng tới bị phản xạ hoàn toàn.

Góc tới giới hạn được xác định bởi mối quan hệ

Tổng cường độ của tia phản xạ và tia khúc xạ bằng cường độ của tia tới. Khi góc tới tăng, cường độ của chùm tia phản xạ tăng và cường độ của chùm tia khúc xạ giảm và bằng 0 đối với góc tới tối đa.

Sợi quang

Hiện tượng phản xạ toàn phần được sử dụng trong các ống dẫn ánh sáng linh hoạt.

Nếu ánh sáng hướng vào đầu sợi thủy tinh mỏng được bao quanh bởi lớp phủ có chiết suất thấp hơn, thì ánh sáng sẽ truyền dọc theo sợi, trải qua sự phản xạ toàn phần tại bề mặt phân cách của lớp phủ thủy tinh. Chất xơ này được gọi là hướng dẫn ánh sáng Các khúc cua của ống dẫn ánh sáng không cản trở sự truyền ánh sáng

Trong các sợi quang hiện đại, sự mất mát ánh sáng do hấp thụ là rất nhỏ (khoảng 10% trên km), điều này cho phép chúng được sử dụng trong các hệ thống thông tin sợi quang. Trong y học, các bó vật dẫn ánh sáng mỏng được sử dụng để chế tạo ống nội soi, dùng để kiểm tra trực quan các cơ quan nội tạng rỗng (Hình 23.5). Số lượng sợi trong ống nội soi lên tới một triệu.

Sử dụng một kênh dẫn ánh sáng riêng biệt được đặt trong một bó chung, bức xạ laser được truyền đi nhằm mục đích mang lại hiệu quả điều trị cho các cơ quan nội tạng.

Cơm. 23.4. Sự truyền tia sáng dọc theo đường dẫn ánh sáng

Cơm. 23,5. nội soi

Ngoài ra còn có hướng dẫn ánh sáng tự nhiên. Ví dụ, ở cây thân thảo, thân cây đóng vai trò dẫn ánh sáng, cung cấp ánh sáng cho phần dưới lòng đất của cây. Các tế bào gốc tạo thành các cột song song, giống với thiết kế của các thanh dẫn ánh sáng công nghiệp. Nếu như

Nếu bạn chiếu sáng một cột như vậy bằng cách kiểm tra nó qua kính hiển vi, bạn có thể thấy rằng các bức tường của nó vẫn tối và bên trong mỗi tế bào được chiếu sáng rực rỡ. Độ sâu mà ánh sáng truyền theo cách này không vượt quá 4-5 cm, nhưng ngay cả một đường dẫn ánh sáng ngắn như vậy cũng đủ để cung cấp ánh sáng cho phần ngầm của cây thân thảo.

23.3. Ống kính. Công suất ống kính

Ống kính - một vật thể trong suốt thường được giới hạn bởi hai bề mặt hình cầu, mỗi bề mặt có thể lồi hoặc lõm. Đường thẳng đi qua tâm của các mặt cầu này gọi là trục chính của thấu kính(từ trang chủ thường bị bỏ qua).

Một thấu kính có độ dày cực đại nhỏ hơn đáng kể so với bán kính của cả hai mặt cầu được gọi là gầy.

Khi đi qua thấu kính, chùm sáng đổi hướng - bị lệch. Nếu sai lệch xảy ra về phía trục quang, thì ống kính được gọi là thu thập, nếu không thì ống kính được gọi là tán xạ.

Mọi tia tới tới thấu kính hội tụ song song với trục quang, sau khi khúc xạ, sẽ đi qua một điểm trên trục quang (F), gọi là trọng tâm chính(Hình 23.6, a). Đối với thấu kính phân kỳ thì đi qua tiêu điểm sự tiếp tục tia khúc xạ (Hình 23.6, b).

Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm nằm ở hai bên. Khoảng cách từ tiêu điểm đến tâm thấu kính gọi là tiêu cự chính(f).

Cơm. 23.6. Tiêu điểm của thấu kính hội tụ (a) và phân kỳ (b)

Trong các công thức tính f được lấy bằng dấu “+” cho thu thậpống kính và có dấu “-” cho phân tán thấu kính.

Nghịch đảo của tiêu cự được gọi là Công suất quang của thấu kính: D = 1/f. Đơn vị công suất quang - diop(dopter). 1 diopter là công suất quang của thấu kính có tiêu cự 1 m.

Công suất quangống kính mỏng và của nó tiêu cự phụ thuộc vào bán kính của hình cầu và chiết suất của vật liệu thấu kính so với môi trường:

trong đó R 1, R 2 là bán kính cong của các bề mặt thấu kính; n là chiết suất của vật liệu thấu kính so với môi trường; dấu “+” được lấy để lồi bề mặt và dấu “-” là dành cho lõm. Một trong những bề mặt có thể bằng phẳng. Trong trường hợp này, lấy R = ∞ , 1/R = 0.

Ống kính được sử dụng để tạo ra hình ảnh. Chúng ta hãy xem xét một vật nằm vuông góc với trục quang của thấu kính hội tụ và tạo ảnh của điểm trên cùng A của nó. Ảnh của toàn bộ vật cũng sẽ vuông góc với trục của thấu kính. Tùy thuộc vào vị trí của vật so với thấu kính, có thể xảy ra hai trường hợp khúc xạ tia sáng, như hình 2. 23,7.

1. Nếu khoảng cách từ vật đến thấu kính vượt quá tiêu cự f thì tia sáng phát ra từ điểm A sau khi đi qua thấu kính giao nhau tại điểm A”, được gọi là hình ảnh thực tế. Hình ảnh thực tế thu được lộn ngược.

2. Nếu khoảng cách từ vật đến thấu kính nhỏ hơn tiêu cự f thì tia sáng phát ra từ điểm A sau khi đi qua thấu kính dis-

Cơm. 23,7.Ảnh thật (a) và ảnh ảo (b) cho bởi thấu kính hội tụ

đang đi bộ và tại điểm A" các đường tiếp nối của chúng cắt nhau. Điểm này được gọi là hình ảnh tưởng tượng.Ảnh ảo thu được trực tiếp.

Thấu kính phân kỳ cho ảnh ảo của một vật ở mọi vị trí của nó (Hình 23.8).

Cơm. 23,8.Ảnh ảo cho bởi thấu kính phân kỳ

Để tính toán hình ảnh nó được sử dụng công thức thấu kính, trong đó thiết lập mối liên hệ giữa các quy định điểm và cô ấy hình ảnh

trong đó f là tiêu cự (đối với thấu kính phân kì thì tiêu cực), a1 - khoảng cách từ vật đến thấu kính; a2 là khoảng cách từ ảnh đến thấu kính (dấu “+” là ảnh thật, dấu “-” là ảnh ảo).

Cơm. 23,9. Thông số công thức ống kính

Tỉ số giữa kích thước của ảnh và vật được gọi là tăng tuyến tính:

Tăng tuyến tính được tính theo công thức k = a 2 / a 1. Ống kính (thậm chí gầy) sẽ đưa ra hình ảnh “đúng”, tuân theo công thức thấu kính, chỉ khi các điều kiện sau được đáp ứng:

Chiết suất của thấu kính không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng hoặc ánh sáng đủ đơn sắc.

Khi thu được ảnh bằng thấu kính thực tếđối tượng, những hạn chế này thường không được đáp ứng: xảy ra sự phân tán; một số điểm của vật nằm cách xa trục quang học; các chùm ánh sáng tới không đồng trục, thấu kính không mỏng. Tất cả điều này dẫn đến sự bóp méo hình ảnh. Để giảm sự biến dạng, thấu kính của dụng cụ quang học được làm từ nhiều thấu kính đặt gần nhau. Công suất quang của thấu kính đó bằng tổng công suất quang của thấu kính:

23.4. Quang sai ống kính

Quang sai- tên chung cho các lỗi hình ảnh xảy ra khi sử dụng ống kính. Quang sai (từ tiếng Latin “aberratio”- độ lệch), chỉ xuất hiện trong ánh sáng không đơn sắc, được gọi là màu sắc. Tất cả các loại quang sai khác đều đơn sắc, vì sự biểu hiện của chúng không liên quan đến thành phần quang phổ phức tạp của ánh sáng thực.

1. Quang sai hình cầu- đơn sắc quang sai do phần bên ngoài (ngoại vi) của thấu kính làm lệch hướng các tia tới từ một nguồn điểm mạnh hơn phần trung tâm của nó.

Kết quả là, vùng ngoại vi và vùng trung tâm của thấu kính tạo thành các ảnh khác nhau (tương ứng là S 2 và S" 2) của nguồn điểm S 1 (Hình 23.10). Do đó, tại bất kỳ vị trí nào của màn ảnh, ảnh trên đó xuất hiện dưới dạng một điểm sáng.

Loại quang sai này được loại bỏ bằng cách sử dụng hệ thống bao gồm thấu kính lõm và lồi. Cơm. 23.10.

Quang sai hình cầu- đơn sắc quang sai bao gồm thực tế là hình ảnh của một điểm có dạng một điểm hình elip, tại các vị trí nhất định của mặt phẳng hình ảnh sẽ suy biến thành một đoạn.

Độ loạn thị của dầm xiên xuất hiện khi các tia phát ra từ một điểm tạo thành một góc đáng kể với trục quang học. Trong hình 23.11, nguồn điểm nằm trên trục quang thứ cấp. Trong trường hợp này, hai hình ảnh xuất hiện dưới dạng các đoạn thẳng nằm vuông góc với nhau trong mặt phẳng I và II. Hình ảnh của nguồn chỉ có thể thu được ở dạng điểm mờ giữa mặt phẳng I và II.

Loạn thị do không đối xứng hệ thống quang học. Loại loạn thị này xảy ra khi tính đối xứng của hệ quang học so với chùm sáng bị phá vỡ do chính thiết kế của hệ thống. Với quang sai này, thấu kính tạo ra hình ảnh trong đó các đường viền và đường định hướng theo các hướng khác nhau có độ sắc nét khác nhau. Điều này được quan sát thấy ở các thấu kính hình trụ (Hình 23.11, b).

Một thấu kính hình trụ tạo nên ảnh tuyến tính của một vật điểm.

Cơm. 23.11. Loạn thị: tia xiên (a); do tính trụ của thấu kính (b)

Ở mắt, loạn thị được hình thành khi có sự bất đối xứng về độ cong của hệ thống thấu kính và giác mạc. Để điều chỉnh loạn thị, người ta sử dụng kính có độ cong khác nhau theo các hướng khác nhau.

3. Biến dạng(biến dạng). Khi tia sáng phát ra từ một vật tạo một góc lớn với trục quang học thì phát hiện ra một loại tia khác đơn sắc quang sai - sự bóp méo Trong trường hợp này, sự tương tự hình học giữa vật thể và hình ảnh bị vi phạm. Lý do là trong thực tế độ phóng đại tuyến tính của thấu kính phụ thuộc vào góc tới của tia sáng. Kết quả là, hình ảnh lưới vuông có cái gối-, hoặc hình thùng xem (Hình 23.12).

Để chống biến dạng, hệ thống thấu kính có độ biến dạng ngược lại được chọn.

Cơm. 23.12. Biến dạng: a - hình gối kim, b - hình thùng

4. Quang sai màu biểu hiện ở chỗ một chùm ánh sáng trắng phát ra từ một điểm cho ảnh của nó có dạng hình tròn cầu vồng, tia tím giao nhau gần thấu kính hơn tia đỏ (Hình 23.13).

Nguyên nhân gây quang sai màu là sự phụ thuộc chiết suất của một chất vào bước sóng của ánh sáng tới (tán sắc). Để điều chỉnh quang sai này trong quang học, người ta sử dụng các thấu kính làm từ thủy tinh có độ phân tán khác nhau (tiêu sắc, tiêu sắc).

Cơm. 23.13. Quang sai màu

23,5. Các khái niệm và công thức cơ bản

Tiếp tục của bảng

Cuối bảng

23.6. Nhiệm vụ

1. Tại sao bọt khí tỏa sáng trong nước?

Trả lời: do sự phản xạ ánh sáng ở mặt phân cách nước-không khí.

2. Tại sao cái thìa có vẻ to ra trong một cốc nước có thành mỏng?

Trả lời: Nước trong cốc đóng vai trò như một thấu kính thu hình trụ. Chúng ta nhìn thấy một hình ảnh phóng to tưởng tượng.

3. Công suất quang của thấu kính là 3 diop. Tiêu cự của thấu kính là bao nhiêu? Thể hiện câu trả lời bằng cm.

Giải pháp

D = 1/f, f = 1/D = 1/3 = 0,33 m. Trả lời: f = 33 cm.

4. Tiêu cự của hai thấu kính lần lượt bằng nhau: f = +40 cm, f 2 = -40 cm. Tìm công suất quang của chúng.

6. Làm thế nào để xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ khi trời quang đãng?

Giải pháp

Khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất lớn đến mức tất cả các tia tới thấu kính đều song song với nhau. Nếu quan sát được ảnh Mặt Trời trên màn thì khoảng cách từ thấu kính đến màn ảnh bằng tiêu cự.

7. Đối với một thấu kính có tiêu cự 20 cm, hãy tìm khoảng cách đến vật mà tại đó kích thước thẳng của ảnh thật sẽ là: a) gấp đôi kích thước vật; b) bằng kích thước của vật; c) bằng một nửa kích thước của vật.

8. Công suất quang của thấu kính đối với người có thị lực bình thường là 25 diop. Chiết suất 1.4. Tính bán kính cong của thấu kính biết rằng bán kính cong của thấu kính này lớn hơn bán kính cong kia 2 lần.

Nếu n 1 >n 2 thì >α, tức là nếu ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới (Hình 3)

Giới hạn góc tới. Nếu α=α p,=90˚ thì chùm tia sẽ trượt dọc theo mặt phân cách không khí-nước.

Nếu α'>α p thì ánh sáng sẽ không truyền được vào môi trường trong suốt thứ hai, vì sẽ được phản ánh đầy đủ. Hiện tượng này được gọi là sự phản xạ hoàn toàn của ánh sáng. Góc tới αn, tại đó chùm tia khúc xạ trượt dọc theo mặt phân cách giữa hai môi trường, được gọi là góc giới hạn của phản xạ toàn phần.

Sự phản xạ toàn phần có thể được quan sát trong lăng kính thủy tinh hình chữ nhật cân (Hình 4), được sử dụng rộng rãi trong kính tiềm vọng, ống nhòm, khúc xạ kế, v.v.

a) Ánh sáng chiếu vuông góc với mặt thứ nhất và do đó không bị khúc xạ ở đây (α=0 và =0). Góc tới trên mặt thứ hai là α=45˚, tức là>α p, (đối với thủy tinh α p =42˚). Vì vậy, ánh sáng được phản xạ hoàn toàn trên mặt này. Đây là một lăng kính quay làm quay chùm tia 90˚.

b) Trong trường hợp này, ánh sáng bên trong lăng kính bị phản xạ toàn phần gấp đôi. Đây cũng là một lăng kính quay làm quay chùm tia 180˚.

c) Trong trường hợp này, lăng kính đã bị đảo ngược. Khi tia tới ra khỏi lăng kính thì tia tới song song với tia tới, nhưng tia tới phía trên trở thành tia dưới, tia tới phía dưới trở thành tia phía trên.

Hiện tượng phản xạ toàn phần đã được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật dẫn hướng ánh sáng.

Ống dẫn ánh sáng là một số lượng lớn các sợi thủy tinh mỏng, đường kính khoảng 20 micron và chiều dài của mỗi sợi khoảng 1 m. Các sợi này song song với nhau và nằm sát nhau (Hình 5)

Mỗi sợi dây được bao quanh bởi một lớp vỏ thủy tinh mỏng, chiết suất của nó thấp hơn chính sợi dây đó. Ống dẫn sáng có hai đầu; vị trí tương đối của các đầu ren ở cả hai đầu của ống dẫn sáng hoàn toàn giống nhau.

Nếu bạn đặt một vật thể ở một đầu của ống dẫn sáng và chiếu sáng nó thì hình ảnh của vật thể này sẽ xuất hiện ở đầu kia của ống dẫn sáng.

Hình ảnh thu được do ánh sáng từ một khu vực nhỏ nào đó của vật thể đi vào phần cuối của mỗi sợi. Trải qua nhiều phản xạ toàn phần, ánh sáng phát ra từ đầu đối diện của sợi chỉ, truyền phản xạ đến một vùng nhỏ nhất định của vật thể.

Bởi vì sự sắp xếp của các sợi dây tương đối với nhau hoàn toàn giống nhau thì ảnh tương ứng của vật đó xuất hiện ở đầu bên kia. Độ rõ của hình ảnh phụ thuộc vào đường kính của sợi. Đường kính của mỗi sợi càng nhỏ thì hình ảnh của vật thể sẽ càng rõ ràng. Sự mất mát năng lượng ánh sáng dọc theo đường đi của chùm ánh sáng thường tương đối nhỏ trong các bó (sợi), vì với sự phản xạ toàn phần, hệ số phản xạ tương đối cao (~ 0,9999). Mất năng lượng chủ yếu là do sự hấp thụ ánh sáng của chất bên trong sợi.

Ví dụ, trong phần quang phổ khả kiến ​​của sợi quang dài 1 m, 30-70% năng lượng bị mất (nhưng ở dạng bó).

Do đó, để truyền các luồng ánh sáng lớn và duy trì tính linh hoạt của hệ thống dẫn ánh sáng, các sợi riêng lẻ được tập hợp thành bó (bó) - hướng dẫn ánh sáng

Hướng dẫn ánh sáng được sử dụng rộng rãi trong y học để chiếu sáng các khoang bên trong bằng ánh sáng lạnh và truyền hình ảnh. nội soi- một thiết bị đặc biệt để kiểm tra các khoang bên trong (dạ dày, trực tràng, v.v.). Sử dụng các hướng dẫn ánh sáng, bức xạ laser được truyền đi để có tác dụng điều trị trên các khối u. Và võng mạc của con người là một hệ thống sợi quang có tổ chức cao bao gồm ~ 130x10 8 sợi.