Unghiul limitator al refracției interne totale. Legile refracției luminii

Acasă

Purificarea și filtrarea apei

În primul rând, să fantezim puțin. Imaginează-ți o zi fierbinte de vară î.Hr., un om primitiv vânează pești cu o suliță. El observă poziția ei, țintește și lovește din anumite motive, deloc acolo unde peștele era vizibil. ratat? Nu, pescarul are prada în mâini! Chestia este că strămoșul nostru a înțeles intuitiv subiectul pe care îl vom studia acum. În viața de zi cu zi, vedem că o lingură înmuiată într-un pahar cu apă pare strâmbă, când ne uităm printr-un borcan de sticlă, obiectele apar strâmbe. Toate aceste întrebări le vom lua în considerare în lecția, a cărei temă este: „Refracția luminii. Legea refracției luminii. Reflecție internă totală.

În lecțiile anterioare, am vorbit despre soarta unei raze în două cazuri: ce se întâmplă dacă o rază de lumină se propagă într-un mediu transparent omogen? Răspunsul corect este că se va răspândi în linie dreaptă. Și ce se va întâmpla când un fascicul de lumină cade pe interfața dintre două medii? În ultima lecție am vorbit despre fasciculul reflectat, astăzi vom lua în considerare acea parte a fasciculului de lumină care este absorbită de mediu.

Care va fi soarta fasciculului care a pătruns din primul mediu transparent optic în al doilea mediu transparent optic?

Orez. 1. Refracția luminii

Dacă un fascicul cade pe interfața dintre două medii transparente, atunci o parte din energia luminii revine în primul mediu, creând un fascicul reflectat, în timp ce cealaltă parte trece în interior în al doilea mediu și, de regulă, își schimbă direcția.

Se numește schimbarea direcției de propagare a luminii în cazul trecerii acesteia prin interfața dintre două medii refracția luminii(Fig. 1).

Orez. 2. Unghiuri de incidenta, refractie si reflexie

În figura 2 vedem un fascicul incident, unghiul de incidență va fi notat cu α. Fasciculul care va stabili direcția fasciculului de lumină refractat va fi numit fascicul refractat. Unghiul dintre perpendiculara pe interfața dintre medii, restabilită din punctul de incidență, și fasciculul refractat se numește unghi de refracție, în figură acesta fiind unghiul γ. Pentru a completa imaginea, oferim și o imagine a fasciculului reflectat și, în consecință, a unghiului de reflexie β. Care este relația dintre unghiul de incidență și unghiul de refracție, se poate prezice, cunoscând unghiul de incidență și din ce mediu a trecut fasciculul în care, care va fi unghiul de refracție? Se dovedește că poți!

Obținem o lege care descrie cantitativ relația dintre unghiul de incidență și unghiul de refracție. Să folosim principiul Huygens, care reglează propagarea unei unde într-un mediu. Legea este formată din două părți.

Raza incidentă, raza refractă și perpendiculara restabilită la punctul de incidență se află în același plan.

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru două medii date și este egal cu raportul vitezelor luminii în aceste medii.

Această lege se numește legea lui Snell, după omul de știință olandez care a formulat-o primul. Motivul refracției este diferența de viteză a luminii în diferite medii. Puteți verifica validitatea legii refracției prin direcționarea experimentală a unui fascicul de lumină în unghiuri diferite către interfața dintre două medii și măsurarea unghiurilor de incidență și de refracție. Dacă schimbăm aceste unghiuri, măsurăm sinusurile și aflăm raporturile sinusurilor acestor unghiuri, ne vom convinge că legea refracției este într-adevăr valabilă.

Dovezile legii refracției folosind principiul Huygens reprezintă o altă confirmare a naturii ondulatorii a luminii.

Indicele de refracție relativ n21 arată de câte ori viteza luminii V1 în primul mediu diferă de viteza luminii V2 în al doilea mediu.

Indicele de refracție relativ este o demonstrație clară a faptului că motivul schimbării direcției luminii la trecerea de la un mediu la altul este viteza diferită a luminii în două medii. Termenul „densitatea optică a unui mediu” este adesea folosit pentru a caracteriza proprietățile optice ale unui mediu (Fig. 3).

Orez. 3. Densitatea optică a mediului (α > γ)

Dacă fasciculul trece de la un mediu cu o viteză mai mare a luminii la un mediu cu o viteză mai mică a luminii, atunci, așa cum se poate observa din figura 3 și din legea refracției luminii, va fi apăsat pe perpendiculară, adică , unghiul de refracție este mai mic decât unghiul de incidență. În acest caz, se spune că fasciculul a trecut de la un mediu optic mai puțin dens la un mediu mai dens din punct de vedere optic. Exemplu: de la aer la apă; de la apă la sticlă.

Este posibilă și situația inversă: viteza luminii în primul mediu este mai mică decât viteza luminii în al doilea mediu (Fig. 4).

Orez. 4. Densitatea optică a mediului (α< γ)

Atunci unghiul de refracție va fi mai mare decât unghiul de incidență și se va spune că o astfel de tranziție se face de la un mediu mai dens optic la un mediu mai puțin dens optic (de la sticlă la apă).

Densitatea optică a două medii poate diferi destul de semnificativ, astfel încât situația prezentată în fotografie (Fig. 5) devine posibilă:

Orez. 5. Diferența dintre densitatea optică a mediilor

Acordați atenție modului în care capul este deplasat față de corp, care se află în lichid, într-un mediu cu o densitate optică mai mare.

Cu toate acestea, indicele de refracție relativ nu este întotdeauna o caracteristică convenabilă pentru lucru, deoarece depinde de viteza luminii în primul și al doilea mediu, dar pot exista o mulțime de astfel de combinații și combinații a două medii (apă - aer, sticlă). - diamant, glicerină - alcool, sticlă - apă și așa mai departe). Mesele ar fi foarte greoaie, ar fi incomod de a lucra, apoi a fost introdus un mediu absolut, în comparație cu care se compară viteza luminii în alte medii. Vidul a fost ales ca absolut și vitezele luminii sunt comparate cu viteza luminii în vid.

Indicele de refracție absolut al mediului n- aceasta este o valoare care caracterizează densitatea optică a mediului și este egală cu raportul vitezei luminii Cuîn vid la viteza luminii într-un mediu dat.

Indicele de refracție absolut este mai convenabil pentru lucru, deoarece știm întotdeauna viteza luminii în vid, este egal cu 3·10 8 m/s și este o constantă fizică universală.

Indicele de refracție absolut depinde de parametrii externi: temperatură, densitate și, de asemenea, de lungimea de undă a luminii, așa că tabelele indică de obicei indicele de refracție mediu pentru un anumit interval de lungimi de undă. Dacă comparăm indicii de refracție ai aerului, apei și sticlei (Fig. 6), vedem că indicele de refracție a aerului este aproape de unitate, așa că îl vom lua ca unitate atunci când rezolvăm probleme.

Orez. 6. Tabelul indicilor absoluti de refracție pentru diferite medii

Este ușor de obținut relația dintre indicele de refracție absolut și relativ al mediilor.

Indicele de refracție relativ, adică pentru un fascicul care trece de la mediu unu la mediu doi, este egal cu raportul dintre indicele de refracție absolut din al doilea mediu și indicele de refracție absolut din primul mediu.

De exemplu: = ≈ 1,16

Dacă indicii de refracție absoluti ai celor două medii sunt aproape aceiași, aceasta înseamnă că indicele de refracție relativ la trecerea de la un mediu la altul va fi egal cu unul, adică fasciculul de lumină nu va fi efectiv refractat. De exemplu, atunci când trece de la uleiul de anason la o bijuterie, berilul practic nu va abate lumina, adică se va comporta ca atunci când trece prin uleiul de anason, deoarece indicele lor de refracție este de 1,56 și, respectiv, 1,57, astfel încât bijuteria poate fi cum să te ascunzi într-un lichid, pur și simplu nu va fi vizibil.

Dacă turnați apă într-un pahar transparent și priviți prin peretele paharului în lumină, atunci vom vedea o strălucire argintie a suprafeței din cauza fenomenului de reflexie internă totală, despre care vom discuta acum. Când un fascicul de lumină trece de la un mediu optic mai dens la un mediu optic mai puțin dens, se poate observa un efect interesant. Pentru a fi sigur, vom presupune că lumina trece din apă în aer. Să presupunem că există o sursă punctiformă de lumină S în adâncimea rezervorului, care emite raze în toate direcțiile. De exemplu, un scafandru luminează o lanternă.

Fascicul SO 1 cade pe suprafața apei la cel mai mic unghi, acest fascicul este parțial refractat - fasciculul O 1 A 1 și parțial reflectat înapoi în apă - fasciculul O 1 B 1. Astfel, o parte din energia fasciculului incident este transferată fasciculului refractat, iar partea rămasă a energiei este transferată fasciculului reflectat.

Orez. 7. Reflexie internă totală

Fasciculul SO 2, al cărui unghi de incidență este mai mare, este de asemenea împărțit în două fascicule: refractat și reflectat, dar energia fasciculului inițial este distribuită între ele într-un mod diferit: fasciculul refractat O 2 A 2 va fi mai slab decât fasciculul O 1 A 1, adică va primi o fracțiune mai mică de energie, iar fasciculul reflectat O 2 V 2, respectiv, va fi mai luminos decât fasciculul O 1 V 1, adică va primi o pondere mai mare de energie. Pe măsură ce unghiul de incidență crește, se urmărește aceeași regularitate - o parte din ce în ce mai mare a energiei fasciculului incident merge către fasciculul reflectat și o pondere tot mai mică către fasciculul refractat. Fasciculul refractat devine mai estompat și la un moment dat dispare complet, această dispariție survine când se atinge unghiul de incidență, care corespunde unui unghi de refracție de 90 0 . În această situație, fasciculul refractat OA ar trebui să meargă paralel cu suprafața apei, dar nu este nimic de mers - toată energia fasciculului incident SO a mers în întregime către fasciculul reflectat OB. Desigur, cu o creștere suplimentară a unghiului de incidență, fasciculul refractat va fi absent. Fenomenul descris este reflexia internă totală, adică un mediu optic mai dens la unghiurile considerate nu emite raze din sine, toate sunt reflectate în interiorul lui. Unghiul la care apare acest fenomen se numește unghi limitator de reflexie internă totală.

Valoarea unghiului limitator este ușor de găsit din legea refracției:

= => = arcsin, pentru apă ≈ 49 0

Cea mai interesantă și populară aplicație a fenomenului de reflexie internă totală este așa-numitele ghiduri de undă sau fibra optică. Acesta este exact modul de semnalizare pe care îl folosesc companiile moderne de telecomunicații pe internet.

Am obținut legea refracției luminii, am introdus un nou concept - indici de refracție relativi și absoluti și, de asemenea, am descoperit fenomenul de reflexie internă totală și aplicațiile sale, cum ar fi fibra optică. Puteți consolida cunoștințele examinând testele și simulatoarele relevante din secțiunea de lecție.

Să obținem dovada legii refracției luminii folosind principiul Huygens. Este important să înțelegem că cauza refracției este diferența de viteză a luminii în două medii diferite. Să notăm viteza luminii în primul mediu V 1 , iar în al doilea mediu - V 2 (Fig. 8).

Orez. 8. Dovada legii refracției luminii

Lasă o undă de lumină plană să cadă pe o interfață plată între două medii, de exemplu, din aer în apă. Suprafața undei AC este perpendiculară pe raze și , interfața dintre mediile MN ajunge mai întâi la fascicul , iar fasciculul ajunge la aceeași suprafață după un interval de timp ∆t, care va fi egal cu calea SW împărțită la viteza luminii. în primul mediu .

Prin urmare, în momentul în care unda secundară din punctul B începe abia să fie excitată, unda din punctul A are deja forma unei emisfere cu raza AD, care este egală cu viteza luminii în al doilea mediu cu ∆t: AD = ∆t, adică principiul Huygens în acțiunea vizuală . Suprafața de undă a unei unde refractate poate fi obținută prin desenarea unei suprafețe tangente la toate undele secundare din al doilea mediu, ai căror centre se află pe interfața dintre medii, în acest caz este planul BD, este anvelopa lui undele secundare. Unghiul de incidență α al fasciculului este egal cu unghiul CAB din triunghiul ABC, laturile unuia dintre aceste unghiuri sunt perpendiculare pe laturile celuilalt. Prin urmare, SW va fi egală cu viteza luminii în primul mediu cu ∆t

CB = ∆t = AB sin α

La rândul său, unghiul de refracție va fi egal cu unghiul ABD din triunghiul ABD, prin urmare:

AD = ∆t = AB sin γ

Împărțind expresiile termen cu termen, obținem:

n este o valoare constantă care nu depinde de unghiul de incidență.

Am obținut legea refracției luminii, sinusul unghiului de incidență față de sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru cele două medii date și egală cu raportul vitezelor luminii în cele două medii date.

Un vas cubic cu pereți opaci este amplasat în așa fel încât ochiul observatorului să nu-și vadă fundul, ci să vadă complet peretele vasului CD. Câtă apă trebuie turnată în vas pentru ca observatorul să poată vedea obiectul F, aflat la o distanță b = 10 cm de colțul D? Marginea vasului α = 40 cm (Fig. 9).

Ce este foarte important în rezolvarea acestei probleme? Presupun că, din moment ce ochiul nu vede fundul vasului, ci vede punctul extrem al peretelui lateral, iar vasul este un cub, atunci unghiul de incidență al fasciculului pe suprafața apei atunci când îl turnăm va fie egal cu 45 0.

Orez. 9. Sarcina examenului

Fasciculul cade în punctul F, ceea ce înseamnă că vedem clar obiectul, iar linia punctată neagră arată cursul fasciculului dacă nu era apă, adică până în punctul D. Din triunghiul NFC, tangenta unghiului β, tangenta unghiului de refracție, este raportul dintre catetul opus față de cel adiacent sau, pe baza figurii, h minus b împărțit la h.

tg β = = , h este înălțimea lichidului pe care l-am turnat;

Cel mai intens fenomen de reflexie internă totală este utilizat în sistemele cu fibră optică.

Orez. 10. Fibră optică

Dacă un fascicul de lumină este îndreptat către capătul unui tub din sticlă solidă, atunci, după o reflexie internă totală multiplă, fasciculul va apărea din partea opusă a tubului. Se pare că tubul de sticlă este un conductor al unei unde luminoase sau al unui ghid de undă. Acest lucru se va întâmpla indiferent dacă tubul este drept sau curbat (Figura 10). Primele ghiduri de lumină, acesta este al doilea nume de ghiduri de undă, au fost folosite pentru a ilumina locuri greu accesibile (în timpul cercetărilor medicale, când lumina este furnizată la un capăt al ghidajului de lumină, iar celălalt capăt luminează locul potrivit) . Aplicația principală este medicina, defectoscopia motoarelor, cu toate acestea, astfel de ghiduri de undă sunt cele mai utilizate pe scară largă în sistemele de transmisie a informațiilor. Frecvența purtătoare a unei unde luminoase este de un milion de ori mai mare decât frecvența unui semnal radio, ceea ce înseamnă că cantitatea de informații pe care o putem transmite folosind o undă luminoasă este de milioane de ori mai mare decât cantitatea de informații transmise de undele radio. Aceasta este o oportunitate excelentă de a transmite o cantitate imensă de informații într-un mod simplu și ieftin. De regulă, informațiile sunt transmise printr-un cablu de fibră folosind radiații laser. Fibra optică este indispensabilă pentru transmiterea rapidă și de înaltă calitate a unui semnal de calculator care conține o cantitate mare de informații transmise. Și în centrul tuturor acestor lucruri se află un fenomen atât de simplu și comun precum refracția luminii.

Bibliografie

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizică (nivel de bază) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a 10-a. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica - 9, Moscova, Educație, 1990.

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

Teme pentru acasă

Definiți refracția luminii.
Numiți motivul refracției luminii.
Numiți cele mai populare aplicații ale reflexiei interne totale.

Unghiul limitativ de reflexie totală este unghiul de incidență a luminii pe interfața dintre două medii, corespunzător unui unghi de refracție de 90 de grade.

Fibra optică este o ramură a opticii care studiază fenomenele fizice care apar și apar în fibrele optice.

4. Propagarea undelor într-un mediu optic neomogen. Explicația curburii razelor. Miraje. Refracția astronomică. Mediu neomogen pentru unde radio.

Mirajul este un fenomen optic în atmosferă: reflectarea luminii de către granița dintre straturi de aer foarte diferite în densitate. Pentru un observator, o astfel de reflecție constă în faptul că, împreună cu un obiect îndepărtat (sau o secțiune a cerului), este vizibilă imaginea sa imaginară, deplasată față de obiect. Mirajele sunt împărțite în cele inferioare, vizibile sub obiect, cele superioare, deasupra obiectului și cele laterale.

mirajul inferior

Apare atunci când există un gradient vertical de temperatură foarte mare (scăzând odată cu înălțimea) pe o suprafață plană supraîncălzită, adesea un deșert sau un drum asfaltat. Imaginea imaginară a cerului creează iluzia apei la suprafață. Deci, drumul care merge în depărtare într-o zi fierbinte de vară pare umed.

mirajul superior

Se observă deasupra suprafeței pământului rece cu o distribuție inversă a temperaturii (crește odată cu înălțimea).

fata Morgana

Fenomenele complexe ale unui miraj cu o distorsiune accentuată a aspectului obiectelor se numesc Fata Morgana.

mirajul volumetric

La munte, este foarte rar, în anumite condiții, să vezi „eul distorsionat” la o distanță destul de apropiată. Acest fenomen se explică prin prezența vaporilor de apă „stagnanți” în aer.

Refracția astronomică - fenomenul de refracție a razelor de lumină din corpurile cerești la trecerea prin atmosferă / Întrucât densitatea atmosferelor planetare scade întotdeauna odată cu înălțimea, refracția luminii are loc în așa fel încât, odată cu convexitatea sa, fasciculul curbat în toate casele se îndreaptă spre zenit. În această privință, refracția „ridică” întotdeauna imaginile corpurilor cerești deasupra adevăratei lor poziții.

Refracția provoacă o serie de efecte optico-atmosferice pe Pământ: o creștere longitudinea zilei datorită faptului că discul solar, din cauza refracției, se ridică deasupra orizontului cu câteva minute mai devreme decât momentul în care Soarele ar trebui să răsară pe baza unor considerații geometrice; aplatizarea discurilor vizibile ale Lunii si Soarelui in apropierea orizontului datorita faptului ca marginea inferioara a discurilor se ridica prin refractie mai sus decat cea superioara; sclipirea stelelor etc. Datorită diferenței de refracție a razelor de lumină cu lungimi de undă diferite (razele albastre și violete deviază mai mult decât cele roșii), în apropierea orizontului apare o colorare aparentă a corpurilor cerești.

5. Conceptul de undă polarizată liniar. Polarizarea luminii naturale. radiații nepolarizate. polarizatoare dicroice. Polarizator și analizor de lumină. legea lui Malus.

Polarizarea undelor- fenomenul de încălcare a simetriei distribuţiei perturbaţiilor în transversal undă (de exemplu, puterea câmpurilor electrice și magnetice în undele electromagnetice) în raport cu direcția de propagare a acesteia. LA longitudinalÎntr-o undă, polarizarea nu poate apărea, deoarece perturbațiile din acest tip de unde coincid întotdeauna cu direcția de propagare.

liniar - oscilațiile perturbației apar într-un singur plan. În acest caz, se vorbește despre plan polarizat val";

circular - capătul vectorului de amplitudine descrie un cerc în planul de oscilație. În funcție de direcția de rotație a vectorului, dreapta sau stânga.

Polarizarea luminii este procesul de eficientizare a oscilațiilor vectorului intensității câmpului electric al unei unde luminoase atunci când lumina trece prin anumite substanțe (în timpul refracției) sau când un flux luminos este reflectat.

Polarizatorul dicroic conține o peliculă care conține cel puțin o substanță organică dicroică ale cărei molecule sau fragmente de molecule au o structură plană. Cel puțin o parte a filmului are o structură cristalină. Substanța dicroică are cel puțin un maxim al curbei de absorbție spectrală în intervalele spectrale de 400 - 700 nm și/sau 200 - 400 nm și 0,7 - 13 μm. La fabricarea unui polarizator, un film care conține o substanță organică dicroică este aplicat pe substrat, i se aplică un efect de orientare și se usucă. În acest caz, condițiile de aplicare a filmului și tipul și mărimea efectului de orientare sunt alese astfel încât parametrul de ordine al filmului corespunzător cel puțin unui maxim pe curba de absorbție spectrală în intervalul spectral de 0,7 - 13 μm să aibă o valoare de cel puțin 0,8. Structura cristalină a cel puțin unei părți a filmului este o rețea cristalină tridimensională formată din molecule organice dicroice. EFECT: extinderea gamei spectrale a funcționării polarizatorului cu îmbunătățirea simultană a caracteristicilor de polarizare a acestuia.

Legea Malus este o lege fizică care exprimă dependența intensității luminii polarizate liniar după ce trece printr-un polarizator de unghiul dintre planurile de polarizare ale luminii incidente și polarizator.

Unde eu 0 - intensitatea luminii incidente pe polarizator, eu este intensitatea luminii care iese din polarizator, k a- coeficientul de transparență al polarizatorului.

6. Fenomenul lui Brewster. Formule Fresnel pentru coeficientul de reflexie pentru undele al căror vector electric se află în planul de incidență și pentru undele al căror vector electric este perpendicular pe planul de incidență. Dependența coeficienților de reflexie de unghiul de incidență. Gradul de polarizare a undelor reflectate.

Legea lui Brewster este o lege a opticii care exprimă relația dintre indicele de refracție cu un astfel de unghi la care lumina reflectată de la interfață va fi complet polarizată într-un plan perpendicular pe planul de incidență, iar fasciculul refractat este parțial polarizat în planul de incidență, iar polarizarea fasciculului refractat atinge cea mai mare valoare. Este ușor de stabilit că în acest caz razele reflectate și refractate sunt reciproc perpendiculare. Unghiul corespunzător se numește unghiul Brewster. Legea lui Brewster: , Unde n 21 - indicele de refracție al celui de-al doilea mediu față de primul, θ Br este unghiul de incidență (unghiul Brewster). Cu amplitudinile undelor incidente (U în jos) și reflectate (U ref) în linia KBV, aceasta este legată de relația:

K bv \u003d (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

Prin coeficientul de reflexie a tensiunii (K U), KBV se exprimă după cum urmează:

K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Cu o natură pur activă a sarcinii, KBV este egal cu:

K bv \u003d R / ρ la R< ρ или

K bv = ρ / R la R ≥ ρ

unde R este rezistența activă a sarcinii, ρ este rezistența la undă a liniei

7. Conceptul de interferență luminoasă. Adăugarea a două unde incoerente și coerente ale căror linii de polarizare coincid. Dependența intensității undei rezultate în adăugarea a două unde coerente de diferența dintre fazele acestora. Conceptul de diferență geometrică și optică în calea undelor. Condiții generale pentru respectarea maximelor și minimelor de interferență.

Interferența luminii este o adăugare neliniară a intensităților a două sau mai multe unde luminoase. Acest fenomen este însoțit de maxime și minime de intensitate alternând în spațiu. Distribuția sa se numește model de interferență. Când lumina interferează, energia este redistribuită în spațiu.

Undele și sursele care le excită sunt numite coerente dacă diferența de fază a undelor nu depinde de timp. Undele și sursele care le excită sunt numite incoerente dacă diferența de fază a undelor se modifică în timp. Formula pentru diferenta:

, Unde , ,

8. Metode de laborator pentru observarea interferenței luminii: experimentul lui Young, biprismă Fresnel, oglinzi Fresnel. Calculul pozițiilor maximelor și minimelor de interferență.

Experimentul lui Jung - În experiment, un fascicul de lumină este îndreptat către un ecran-ecran opac cu două fante paralele, în spatele căruia este instalat un ecran de proiecție. Acest experiment demonstrează interferența luminii, care este dovada teoriei undelor. Particularitatea fantelor este că lățimea lor este aproximativ egală cu lungimea de undă a luminii emise. Efectul lățimii slotului asupra interferenței este discutat mai jos.

Presupunând că lumina este formată din particule ( teoria corpusculară a luminii), apoi pe ecranul de proiecție s-ar vedea doar două benzi paralele de lumină trecând prin fantele ecranului. Între ele, ecranul de proiecție ar rămâne practic neluminat.

Biprismă Fresnel - în fizică - o prismă dublă cu unghiuri foarte mici la vârfuri.
Biprismul Fresnel este un dispozitiv optic care permite unei surse de lumină să formeze două unde coerente, care fac posibilă observarea unui model de interferență stabil pe ecran.
Biprismul Frenkel servește ca mijloc de demonstrare experimentală a naturii ondulatorii a luminii.

Oglinzile Fresnel sunt un dispozitiv optic propus în 1816 de O. J. Fresnel pentru observarea fenomenului fasciculelor de lumină coerente cu interferența. Dispozitivul este format din două oglinzi plate I și II, formând un unghi diedru care diferă de 180° cu doar câțiva arcmin (vezi Fig. 1 la articolul Interferența luminii). Atunci când oglinzile sunt iluminate de la o sursă S, fasciculele de raze reflectate de oglinzi pot fi considerate ca provenind din surse coerente S1 și S2, care sunt imagini imaginare ale lui S. În spațiul în care fasciculele se suprapun, apare interferența. Dacă sursa S este liniară (fantă) și paralelă cu marginea FZ, atunci când este iluminată cu lumină monocromatică, pe ecranul M se observă un model de interferență sub formă de dungi echidistante întunecate și luminoase paralele cu fanta, care poate fi instalat. oriunde în zona de suprapunere a fasciculului. Distanța dintre benzi poate fi utilizată pentru a determina lungimea de undă a luminii. Experimentele efectuate cu PV au fost una dintre dovezile decisive ale naturii ondulatorii a luminii.

9. Interferența luminii în peliculele subțiri. Condiții pentru formarea benzilor luminoase și întunecate în lumina reflectată și transmisă.

10. Dungi de panta egala si dungi de grosime egala. Inelele de interferență ale lui Newton. Razele inelelor întunecate și deschise.

11. Interferența luminii în pelicule subțiri la incidența normală a luminii. Iluminarea dispozitivelor optice.

12. Interferometre optice Michelson și Jamin. Determinarea indicelui de refracție al unei substanțe folosind interferometre cu două fascicule.

13. Conceptul de interferență cu mai multe căi a luminii. interferometru Fabry-Perot. Adăugarea unui număr finit de unde de amplitudini egale, ale căror faze formează o progresie aritmetică. Dependența intensității undei rezultate de diferența de fază a undelor interferente. Condiția pentru formarea maximelor și minimelor principale ale interferenței. Natura modelului de interferență cu fascicul multiplu.

14. Conceptul de difracție a undelor. Parametru de undă și limite de aplicabilitate ale legilor opticii geometrice. Principiul Huygens-Fresnel.

15. Metoda zonelor Fresnel și dovada propagării rectilinie a luminii.

16. Difracția Fresnel printr-o gaură rotundă. Razele zonei Fresnel pentru fronturi de undă sferică și plană.

17. Difracția luminii pe un disc opac. Calculul suprafeței zonelor Fresnel.

18. Problema creșterii amplitudinii undei la trecerea printr-o gaură rotundă. Plăci cu zone de amplitudine și fază. Placi de focalizare si zone. Lentila de focalizare ca caz limitator al unei plăci cu zonă de fază în trepte. Lentile de zonare.

Optica geometrică și ondulată. Condiții de aplicare a acestor abordări (din raportul dintre lungimea de undă și dimensiunea obiectului). Coerența valurilor. Conceptul de coerență spațială și temporală. emisie forțată. Caracteristicile radiației laser. Structura și principiul de funcționare a laserului.

Datorită faptului că lumina este un fenomen ondulatoriu, apar interferențe, drept urmare limitat fasciculul de lumină nu se propagă într-o singură direcție, ci are o distribuție unghiulară finită, adică are loc difracția. Cu toate acestea, în acele cazuri în care dimensiunile transversale caracteristice ale fasciculelor de lumină sunt suficient de mari în comparație cu lungimea de undă, se poate neglija divergența fasciculului de lumină și se poate presupune că acesta se propagă într-o singură direcție: de-a lungul fasciculului de lumină.

Optica undelor este o ramură a opticii care descrie propagarea luminii, ținând cont de natura ondulatorie a acesteia. Fenomene ale opticii undelor - interferență, difracție, polarizare etc.

Interferența undelor - amplificarea sau atenuarea reciprocă a amplitudinii a două sau mai multe unde coerente care se propagă simultan în spațiu.

Difracția undelor este un fenomen care se manifestă ca o abatere de la legile opticii geometrice în timpul propagării undelor.

Polarizare - procese și stări asociate cu separarea oricăror obiecte, în principal în spațiu.

În fizică, coerența este corelarea (consistența) mai multor procese oscilatorii sau ondulatorii în timp, care se manifestă atunci când sunt adăugate. Oscilațiile sunt coerente dacă diferența dintre fazele lor este constantă în timp și când se adună oscilațiile se obține o oscilație de aceeași frecvență.

Dacă diferența de fază a două oscilații se modifică foarte lent, atunci se spune că oscilațiile rămân coerente pentru ceva timp. Acest timp se numește timpul de coerență.

Coerența spațială - coerența oscilațiilor care apar în același timp în diferite puncte dintr-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei.

Emisie stimulată - generarea unui nou foton în timpul tranziției unui sistem cuantic (atom, moleculă, nucleu etc.) de la o stare excitată la o stare stabilă (nivel de energie mai scăzut) sub influența unui foton inductor, energia de care era egală cu diferența de niveluri de energie. Fotonul creat are aceeași energie, impuls, fază și polarizare ca fotonul inductor (care nu este absorbit).

Radiația laser poate fi continuă, cu o putere constantă, sau pulsată, atingând puteri de vârf extrem de mari. În unele scheme, elementul de lucru al laserului este folosit ca amplificator optic pentru radiația dintr-o altă sursă.

Baza fizică pentru funcționarea unui laser este fenomenul de radiație stimulată (indusă). Esența fenomenului este că un atom excitat este capabil să emită un foton sub influența altui foton fără absorbția acestuia, dacă energia acestuia din urmă este egală cu diferența de energii ale nivelurilor atomului înainte și după radiatii. În acest caz, fotonul emis este coerent cu fotonul care a provocat radiația (este „copia exactă”). Așa este amplificată lumina. Acest fenomen diferă de emisia spontană, în care fotonii emiși au direcții aleatorii de propagare, polarizare și fază.

Toate laserele constau din trei părți principale:

mediu activ (de lucru);

sisteme de pompare (sursa de energie);

rezonator optic (poate fi absent dacă laserul funcționează în modul amplificator).

Fiecare dintre ele prevede funcționarea laserului pentru a-și îndeplini funcțiile specifice.

Optica geometrica. Fenomenul de reflexie internă totală. Unghi limitativ de reflexie totală. Cursul razelor. fibre optice.

Optica geometrică este o ramură a opticii care studiază legile propagării luminii în medii transparente și principiile de construire a imaginilor în timpul trecerii luminii în sistemele optice, fără a ține cont de proprietățile undei acesteia.

Reflexia internă totală este reflexie internă cu condiția ca unghiul de incidență să depășească un unghi critic. În acest caz, unda incidentă este reflectată complet, iar valoarea coeficientului de reflexie depășește cele mai mari valori ale sale pentru suprafețele lustruite. Coeficientul de reflexie pentru reflexia internă totală nu depinde de lungimea de undă.

Unghi limitativ de reflexie internă totală

Unghiul de incidență la care fasciculul refractat începe să alunece de-a lungul interfeței dintre două medii fără tranziție la un mediu optic mai dens

Calea razelorîn oglinzi, prisme și lentile

Razele de lumină de la o sursă punctiformă se propagă în toate direcțiile. În sistemele optice, îndoindu-se înapoi și reflectând de la interfața dintre medii, unele dintre raze se pot intersecta din nou la un moment dat. Un punct se numește imagine punct. Când o rază este respinsă de oglinzi, legea este îndeplinită: „raza reflectată se află întotdeauna în același plan cu raza incidentă și normala la suprafața care trece prin punctul de incidență, iar unghiul de incidență scade din această normală este egală cu unghiul de respingere.”

Fibră optică - acest termen înseamnă

ramură a opticii care studiază fenomenele fizice care apar și apar în fibrele optice, sau

produse din industriile de inginerie de precizie, care includ componente bazate pe fibre optice.

Dispozitivele cu fibră optică includ lasere, amplificatoare, multiplexoare, demultiplexoare și o serie de altele. Componentele de fibră optică includ izolatori, oglinzi, conectori, splitere etc. Baza unui dispozitiv cu fibră optică este circuitul său optic - un set de componente de fibră optică conectate într-o anumită secvență. Circuitele optice pot fi închise sau deschise, cu sau fără feedback.

La un anumit unghi de incidență al luminii $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, care se numește unghi limitator, unghiul de refracție este egal cu $\frac(\pi )(2),\ $în acest caz, fasciculul refractat alunecă de-a lungul interfeței dintre medii, prin urmare, nu există fascicul refractat. Apoi, din legea refracției, putem scrie că:

Poza 1.

În cazul reflexiei totale, ecuația este:

nu are soluție în regiunea valorilor reale ale unghiului de refracție ($(\alpha )_(pr)$). În acest caz, $cos((\alpha )_(pr))$ este pur imaginar. Dacă ne întoarcem la formulele Fresnel, atunci este convenabil să le reprezentăm sub forma:

unde unghiul de incidență este notat cu $\alpha $ (pentru concizie), $n$ este indicele de refracție al mediului în care se propagă lumina.

Observație 1

De remarcat faptul că unda neomogenă nu dispare în al doilea mediu. Astfel, dacă $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ atunci\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ nici un caz. Deoarece formulele Fresnel sunt valabile pentru un câmp monocromatic, adică pentru un proces constant. În acest caz, legea conservării energiei impune ca variația medie a energiei pe perioada din al doilea mediu să fie egală cu zero. Unda și fracțiunea corespunzătoare de energie pătrund prin interfață în al doilea mediu la o adâncime mică de ordinul lungimii de undă și se deplasează în ea paralel cu interfața cu o viteză de fază mai mică decât viteza de fază a undei în al doilea mediu. Se întoarce la primul mediu într-un punct care este decalat față de punctul de intrare.

Pătrunderea undei în al doilea mediu poate fi observată în experiment. Intensitatea undei luminoase în al doilea mediu este vizibilă doar la distanțe mai mici decât lungimea de undă. În apropierea interfeței pe care cade unda luminoasă, care experimentează o reflexie totală, pe partea celui de-al doilea mediu, se vede strălucirea unui strat subțire dacă în al doilea mediu există o substanță fluorescentă.

Reflexia totală determină să apară miraje atunci când suprafața pământului este la o temperatură ridicată. Așadar, reflectarea totală a luminii care vine din nori duce la impresia că la suprafața asfaltului încălzit sunt bălți.

Sub reflexie normală, relațiile $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ și $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ sunt întotdeauna reale . Sub reflecție totală sunt complexe. Aceasta înseamnă că în acest caz faza undei suferă un salt, în timp ce este diferită de zero sau $\pi $. Dacă unda este polarizată perpendicular pe planul de incidență, atunci putem scrie:

unde $(\delta )_(\bot )$ este saltul de fază dorit. Echivalând părțile reale și imaginare, avem:

Din expresiile (5) se obține:

În consecință, pentru o undă care este polarizată în planul de incidență, se poate obține:

Salturile de fază $(\delta )_(//)$ și $(\delta )_(\bot )$ nu sunt aceleași. Unda reflectată va fi polarizată eliptic.

Aplicarea reflexiei totale

Să presupunem că două medii identice sunt separate printr-un spațiu de aer subțire. O undă luminoasă cade peste el la un unghi care este mai mare decât limita. Se poate întâmpla ca acesta să pătrundă în golul de aer ca o undă neomogenă. Dacă grosimea golului este mică, atunci acest val va ajunge la a doua limită a substanței și nu va fi foarte slăbit. După ce a trecut din golul de aer în substanță, unda se va transforma din nou într-una omogenă. Un astfel de experiment a fost realizat de Newton. Omul de știință a presat o altă prismă, care a fost lustruită sferic, pe fața ipotenuzei unei prisme dreptunghiulare. În acest caz, lumina a trecut în a doua prismă nu numai acolo unde se ating, ci și într-un mic inel în jurul contactului, în locul în care grosimea golului este comparabilă cu lungimea de undă. Dacă observațiile au fost făcute în lumină albă, atunci marginea inelului avea o culoare roșiatică. Este așa cum ar trebui să fie, deoarece adâncimea de penetrare este proporțională cu lungimea de undă (pentru razele roșii este mai mare decât pentru cele albastre). Prin modificarea grosimii golului, este posibilă modificarea intensității luminii transmise. Acest fenomen a stat la baza telefonului ușor, care a fost brevetat de Zeiss. În acest dispozitiv, o membrană transparentă acționează ca unul dintre medii, care oscilează sub acțiunea sunetului incident asupra acesteia. Lumina care trece prin spațiul de aer își schimbă intensitatea în timp odată cu schimbările în puterea sunetului. Intrând pe fotocelula, aceasta generează un curent alternativ, care se modifică în funcție de schimbările în puterea sunetului. Curentul rezultat este amplificat și utilizat în continuare.

Fenomenele de pătrundere a undelor prin goluri subțiri nu sunt specifice opticii. Acest lucru este posibil pentru o undă de orice natură, dacă viteza de fază în decalaj este mai mare decât viteza de fază din mediu. Acest fenomen este de mare importanță în fizica nucleară și atomică.

Fenomenul de reflexie internă totală este utilizat pentru a schimba direcția de propagare a luminii. În acest scop, se folosesc prisme.

Exemplul 1

Exercițiu: Dați un exemplu de fenomen de reflexie totală, care este des întâlnit.

Decizie:

Se poate da un astfel de exemplu. Dacă autostrada este foarte caldă, atunci temperatura aerului este maximă lângă suprafața asfaltului și scade odată cu creșterea distanței față de șosea. Aceasta înseamnă că indicele de refracție al aerului este minim la suprafață și crește odată cu creșterea distanței. Ca rezultat, razele care au un unghi mic față de suprafața autostrăzii suferă o reflexie totală. Dacă vă concentrați atenția, în timp ce conduceți într-o mașină, pe o porțiune potrivită a suprafeței autostrăzii, puteți vedea o mașină mergând cu susul în jos destul de departe în față.

Exemplul 2

Exercițiu: Care este unghiul Brewster pentru un fascicul de lumină care cade pe suprafața unui cristal dacă unghiul limitativ de reflexie totală pentru acest fascicul la interfața aer-cristal este de 400?