Limitný uhol celkového vnútorného lomu. Zákony lomu svetla

Domov

Čistenie a filtrácia vody

Najprv si poďme trochu zafantazírovať. Predstavte si horúci letný deň pred naším letopočtom, primitívny človek loví ryby oštepom. Všíma si jej polohu, mieri a udrie z nejakého dôvodu vôbec nie tam, kde bolo vidieť rybu. Zmeškaný? Nie, rybár má korisť vo svojich rukách! Ide o to, že náš predok intuitívne pochopil tému, ktorú budeme teraz študovať. V každodennom živote vidíme, že lyžica ponorená do pohára s vodou sa javí ako krivá, keď sa pozeráme cez sklenenú nádobu, predmety sa zdajú byť krivé. Všetky tieto otázky zvážime v lekcii, ktorej témou je: „Lom svetla. Zákon lomu svetla. Totálny vnútorný odraz.

V predchádzajúcich lekciách sme hovorili o osude lúča v dvoch prípadoch: čo sa stane, ak sa lúč svetla šíri v priehľadnom homogénnom prostredí? Správna odpoveď je, že sa bude šíriť v priamke. A čo sa stane, keď lúč svetla dopadne na rozhranie medzi dvoma médiami? V minulej lekcii sme hovorili o odrazenom lúči, dnes budeme uvažovať o tej časti svetelného lúča, ktorá je absorbovaná médiom.

Aký bude osud lúča, ktorý prenikol z prvého opticky priehľadného média do druhého opticky priehľadného média?

Ryža. 1. Lom svetla

Ak lúč dopadne na rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami, časť svetelnej energie sa vráti do prvého média, čím sa vytvorí odrazený lúč, a druhá časť prejde dovnútra do druhého média a spravidla zmení svoj smer.

Zmena smeru šírenia svetla v prípade jeho prechodu rozhraním medzi dvoma prostrediami sa nazýva lom svetla(obr. 1).

Ryža. 2. Uhly dopadu, lomu a odrazu

Na obrázku 2 vidíme dopadajúci lúč, uhol dopadu bude označený α. Lúč, ktorý určuje smer lomu svetla, sa bude nazývať lomený lúč. Uhol medzi kolmicou na rozhranie medzi médiami, obnovený z bodu dopadu, a lomeným lúčom sa nazýva uhol lomu, na obrázku je to uhol γ. Na dokončenie obrázku uvádzame aj obraz odrazeného lúča a podľa toho aj uhol odrazu β. Aký je vzťah medzi uhlom dopadu a uhlom lomu, je možné predpovedať, ak poznáme uhol dopadu a z akého prostredia lúč do ktorého prechádzal, aký bude uhol lomu? Ukazuje sa, že môžete!

Získame zákon, ktorý kvantitatívne popisuje vzťah medzi uhlom dopadu a uhlom lomu. Využime Huygensov princíp, ktorý reguluje šírenie vlny v médiu. Zákon sa skladá z dvoch častí.

Dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica obnovená k bodu dopadu ležia v rovnakej rovine.

Pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu je konštantná hodnota pre dve dané prostredia a rovná sa pomeru rýchlostí svetla v týchto prostrediach.

Tento zákon sa nazýva Snellov zákon podľa holandského vedca, ktorý ho ako prvý sformuloval. Dôvodom lomu je rozdiel v rýchlostiach svetla v rôznych médiách. Platnosť zákona lomu môžete overiť experimentálnym nasmerovaním lúča svetla pod rôznymi uhlami na rozhranie medzi dvoma médiami a meraním uhlov dopadu a lomu. Ak tieto uhly zmeníme, zmeriame sínusy a nájdeme pomery sínusov týchto uhlov, presvedčíme sa, že zákon lomu skutočne platí.

Dôkaz zákona lomu pomocou Huygensovho princípu je ďalším potvrdením vlnovej povahy svetla.

Relatívny index lomu n 21 ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť svetla V 1 v prvom prostredí líši od rýchlosti svetla V 2 v druhom prostredí.

Relatívny index lomu je jasnou ukážkou toho, že dôvodom zmeny smeru svetla pri prechode z jedného prostredia do druhého je rozdielna rýchlosť svetla v dvoch prostrediach. Na charakterizáciu optických vlastností média sa často používa termín „optická hustota média“ (obr. 3).

Ryža. 3. Optická hustota média (α > γ)

Ak lúč prechádza z média s vyššou rýchlosťou svetla do média s nižšou rýchlosťou svetla, potom, ako je zrejmé z obrázku 3 a zákona lomu svetla, bude pritlačený proti kolmici, tj. , uhol lomu je menší ako uhol dopadu. V tomto prípade sa hovorí, že lúč prešiel z média s menšou hustotou do média s vyššou hustotou. Príklad: zo vzduchu do vody; z vody do skla.

Je možná aj opačná situácia: rýchlosť svetla v prvom médiu je menšia ako rýchlosť svetla v druhom médiu (obr. 4).

Ryža. 4. Optická hustota média (α< γ)

Potom bude uhol lomu väčší ako uhol dopadu a o takomto prechode sa hovorí, že sa uskutoční z opticky hustejšieho do opticky menej hustého média (zo skla do vody).

Optická hustota dvoch médií sa môže značne líšiť, takže situácia znázornená na fotografii (obr. 5) je možná:

Ryža. 5. Rozdiel medzi optickou hustotou médií

Dávajte pozor na to, ako je hlava posunutá vzhľadom na telo, ktoré je v kvapaline, v médiu s vyššou optickou hustotou.

Relatívny index lomu však nie je vždy vhodnou charakteristikou pre prácu, pretože závisí od rýchlosti svetla v prvom a druhom médiu, ale takýchto kombinácií a kombinácií dvoch médií (voda - vzduch, sklo) môže byť veľa. - diamant, glycerín - alkohol, sklo - voda atď.). Tabuľky by boli veľmi ťažkopádne, nepohodlne by sa s nimi pracovalo a potom sa zaviedlo jedno absolútne prostredie, v porovnaní s ktorým sa porovnáva rýchlosť svetla v iných prostrediach. Vákuum bolo zvolené ako absolútne a rýchlosti svetla sú porovnávané s rýchlosťou svetla vo vákuu.

Absolútny index lomu prostredia n- je to hodnota, ktorá charakterizuje optickú hustotu prostredia a rovná sa pomeru rýchlosti svetla OD vo vákuu na rýchlosť svetla v danom prostredí.

Absolútny index lomu je pre prácu vhodnejší, pretože rýchlosť svetla vo vákuu vždy poznáme, rovná sa 3·10 8 m/s a je univerzálnou fyzikálnou konštantou.

Absolútny index lomu závisí od vonkajších parametrov: teploty, hustoty a tiež od vlnovej dĺžky svetla, takže tabuľky zvyčajne uvádzajú priemerný index lomu pre daný rozsah vlnových dĺžok. Ak porovnáme indexy lomu vzduchu, vody a skla (obr. 6), vidíme, že index lomu vzduchu sa blíži k jednote, preto ho pri riešení úloh budeme brať ako jednotku.

Ryža. 6. Tabuľka absolútnych indexov lomu pre rôzne médiá

Je ľahké získať vzťah medzi absolútnym a relatívnym indexom lomu médií.

Relatívny index lomu, to znamená pre lúč prechádzajúci z média jedna do média dva, sa rovná pomeru absolútneho indexu lomu v druhom médiu k absolútnemu indexu lomu v prvom médiu.

Napríklad: = ≈ 1,16

Ak sú absolútne indexy lomu oboch médií takmer rovnaké, znamená to, že relatívny index lomu pri prechode z jedného prostredia do druhého sa bude rovnať jednotke, to znamená, že svetelný lúč sa v skutočnosti nebude lámať. Napríklad pri prechode z anízového oleja na drahokam beryl prakticky neodchýli svetlo, to znamená, že sa bude správať ako pri prechode cez anízový olej, pretože ich index lomu je 1,56 a 1,57, takže drahokam môže byť ako sa schovať v tekutine, to jednoducho nebude vidieť.

Ak nalejete vodu do priehľadného pohára a pozriete sa cez stenu pohára do svetla, potom uvidíme striebristý lesk povrchu v dôsledku fenoménu úplného vnútorného odrazu, o ktorom bude teraz reč. Keď svetelný lúč prechádza z hustejšieho optického prostredia do menej hustého optického prostredia, možno pozorovať zaujímavý efekt. Pre istotu budeme predpokladať, že svetlo prechádza z vody do vzduchu. Predpokladajme, že v hĺbke nádrže je bodový zdroj svetla S, ktorý vyžaruje lúče do všetkých strán. Napríklad potápač svieti baterkou.

Lúč SO 1 dopadá na hladinu vody v najmenšom uhle, tento lúč sa čiastočne láme - lúč O 1 A 1 a čiastočne sa odráža späť do vody - lúč O 1 B 1. Časť energie dopadajúceho lúča sa teda prenáša na lomený lúč a zvyšná časť energie sa prenáša na odrazený lúč.

Ryža. 7. Úplná vnútorná reflexia

Lúč SO 2, ktorého uhol dopadu je väčší, je tiež rozdelený na dva lúče: lomený a odrazený, ale energia pôvodného lúča je medzi nimi rozdelená inak: lomený lúč O 2 A 2 bude slabší ako lúč O 1 A 1, to znamená, že dostane menší zlomok energie a odrazený lúč O 2 V 2 bude jasnejší ako lúč O 1 V 1, to znamená, že dostane väčší podiel energie. S rastúcim uhlom dopadu sa sleduje rovnaká pravidelnosť – čoraz menší podiel energie dopadajúceho lúča ide do odrazeného lúča a stále menší podiel na lomený lúč. Lomený lúč sa stmieva a v určitom bode úplne zmizne, k tomuto vymiznutiu dochádza pri dosiahnutí uhla dopadu, ktorý zodpovedá uhlu lomu 90 0 . V tejto situácii by lomený lúč OA musel ísť rovnobežne s vodnou hladinou, ale nemá čo ísť - všetka energia dopadajúceho lúča SO išla celá do odrazeného lúča OB. Prirodzene, s ďalším zvýšením uhla dopadu bude lomený lúč chýbať. Opísaný jav je totálny vnútorný odraz, to znamená, že hustejšie optické médium pri uvažovaných uhloch nevyžaruje lúče zo seba, všetky sa v ňom odrážajú. Uhol, pod ktorým sa tento jav vyskytuje, sa nazýva hraničný uhol celkového vnútorného odrazu.

Hodnota medzného uhla sa dá ľahko zistiť zo zákona lomu:

= => = arcsin, pre vodu ≈ 49 0

Najzaujímavejšou a najpopulárnejšou aplikáciou fenoménu úplného vnútorného odrazu sú takzvané vlnovody alebo vláknová optika. Presne takýto spôsob signalizácie využívajú moderné telekomunikačné spoločnosti na internete.

Dostali sme zákon lomu svetla, zaviedli nový pojem - relatívne a absolútne indexy lomu a tiež sme prišli na fenomén úplného vnútorného odrazu a jeho aplikácie, ako je vláknová optika. Znalosti si môžete upevniť preskúmaním príslušných testov a simulátorov v sekcii lekcií.

Urobme dôkaz zákona lomu svetla pomocou Huygensovho princípu. Je dôležité pochopiť, že príčinou lomu je rozdiel v rýchlostiach svetla v dvoch rôznych médiách. Označme rýchlosť svetla v prvom médiu V 1 a v druhom médiu - V 2 (obr. 8).

Ryža. 8. Dôkaz zákona lomu svetla

Nechajte rovinnú svetelnú vlnu dopadať na ploché rozhranie medzi dvoma médiami, napríklad zo vzduchu do vody. Vlnová plocha AC je kolmá na lúče a rozhranie medzi médiom MN najskôr dosiahne lúč a lúč dosiahne rovnaký povrch po časovom intervale ∆t, ktorý sa bude rovnať dráhe SW delenej rýchlosťou svetla. v prvom médiu.

Preto v momente, keď sa sekundárna vlna v bode B len začne excitovať, vlna z bodu A už má tvar pologule s polomerom AD, ktorý sa rovná rýchlosti svetla v druhom prostredí o ∆t: AD = ∆t, teda Huygensov princíp vo vizuálnom pôsobení. Vlnovú plochu lomenej vlny je možné získať nakreslením povrchovej dotyčnice ku všetkým sekundárnym vlnám v druhom prostredí, ktorých stredy ležia na rozhraní medzi prostrediami, v tomto prípade je to rovina BD, je to obálka sekundárne vlny. Uhol dopadu α lúča sa rovná uhlu CAB v trojuholníku ABC, strany jedného z týchto uhlov sú kolmé na strany druhého. Preto sa SW bude rovnať rýchlosti svetla v prvom médiu o ∆t

CB = ∆t = AB sin α

Uhol lomu sa zase bude rovnať uhlu ABD v trojuholníku ABD, preto:

AD = ∆t = AB sin γ

Rozdelením výrazov podľa výrazov dostaneme:

n je konštantná hodnota, ktorá nezávisí od uhla dopadu.

Získali sme zákon lomu svetla, sínus uhla dopadu k sínusu uhla lomu je konštantná hodnota pre dané dve prostredia a rovná sa pomeru rýchlostí svetla v dvoch daných prostrediach.

Kubická nádoba s nepriehľadnými stenami je umiestnená tak, že oko pozorovateľa nevidí jej dno, ale úplne vidí stenu nádoby CD. Koľko vody treba naliať do nádoby, aby pozorovateľ videl predmet F, ktorý sa nachádza vo vzdialenosti b = 10 cm od rohu D? Okraj cievy α = 40 cm (obr. 9).

Čo je veľmi dôležité pri riešení tohto problému? Hádajte, že keďže oko nevidí dno nádoby, ale vidí krajný bod bočnej steny a nádoba je kocka, potom uhol dopadu lúča na hladinu vody, keď ju nalievame, bude sa rovná 45 0.

Ryža. 9. Úloha skúšky

Lúč padá do bodu F, čo znamená, že objekt jasne vidíme a čierna bodkovaná čiara ukazuje priebeh lúča, ak by tam nebola voda, teda do bodu D. Z trojuholníka NFC vychádza tangens uhla. β, dotyčnica uhla lomu, je pomer protiľahlého ramena k susednému alebo, na základe obrázku, h mínus b delené h.

tg β = =, h je výška kvapaliny, ktorú sme naliali;

Najintenzívnejší jav úplného vnútorného odrazu sa využíva v systémoch z optických vlákien.

Ryža. 10. Vláknová optika

Ak je lúč svetla nasmerovaný na koniec pevnej sklenenej trubice, potom po viacnásobnom úplnom vnútornom odraze bude lúč vychádzať z opačnej strany trubice. Ukazuje sa, že sklenená trubica je vodičom svetelnej vlny alebo vlnovodu. Stane sa to bez ohľadu na to, či je trubica rovná alebo zakrivená (obrázok 10). Prvé svetlovody, to je druhý názov vlnovodov, sa používali na osvetlenie ťažko dostupných miest (počas lekárskeho výskumu, keď sa svetlo dodáva na jeden koniec svetlovodu a druhý koniec osvetľuje správne miesto) . Hlavnou aplikáciou je medicína, defektoskopia motorov, avšak najčastejšie sa takéto vlnovody používajú v systémoch prenosu informácií. Nosná frekvencia svetelnej vlny je miliónkrát väčšia ako frekvencia rádiového signálu, čo znamená, že množstvo informácií, ktoré dokážeme preniesť pomocou svetelnej vlny, je miliónkrát väčšie ako množstvo informácií prenášaných rádiovými vlnami. Je to skvelá príležitosť sprostredkovať obrovské množstvo informácií jednoduchým a lacným spôsobom. Informácie sa spravidla prenášajú cez optický kábel pomocou laserového žiarenia. Vláknová optika je nevyhnutná pre rýchly a kvalitný prenos počítačového signálu obsahujúceho veľké množstvo prenášaných informácií. A podstatou toho všetkého je taký jednoduchý a bežný jav, akým je lom svetla.

Bibliografia

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základná úroveň) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I. 10. ročník z fyziky. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika - 9, Moskva, Vzdelávanie, 1990.

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

Domáca úloha

Definujte lom svetla.
Pomenujte príčinu lomu svetla.
Vymenuj najpopulárnejšie aplikácie totálnej vnútornej reflexie.

Limitný uhol úplného odrazu je uhol dopadu svetla na rozhranie medzi dvoma médiami, ktorý zodpovedá uhlu lomu 90 stupňov.

Vláknová optika je odvetvie optiky, ktoré študuje fyzikálne javy, ktoré sa vyskytujú a vyskytujú sa v optických vláknach.

4. Šírenie vĺn v opticky nehomogénnom prostredí. Vysvetlenie zakrivenia lúčov. Mirages. Astronomická refrakcia. Nehomogénne médium pre rádiové vlny.

Mirage je optický jav v atmosfére: odraz svetla na hranici medzi výrazne odlišnými vrstvami vzduchu v hustote. Pre pozorovateľa takýto odraz spočíva v tom, že spolu so vzdialeným objektom (alebo úsekom oblohy) je viditeľný jeho imaginárny obraz, posunutý vzhľadom na objekt. Mirage sa delia na spodné, viditeľné pod objektom, horné, nad objektom a bočné.

podradná fatamorgána

Pozoruje sa s veľmi veľkým vertikálnym teplotným gradientom (klesajúcim s výškou) na prehriatom rovnom povrchu, často na púšti alebo asfaltovej ceste. Imaginárny obraz oblohy vytvára ilúziu vody na povrchu. Takže cesta, ktorá ide do diaľky v horúcom letnom dni, sa zdá byť mokrá.

nadradená fatamorgána

Pozoruje sa nad studeným zemským povrchom s inverzným rozložením teplôt (rastie so svojou výškou).

Fata Morgana

Komplexné javy fatamorgány s ostrým skreslením vzhľadu predmetov sa nazývajú Fata Morgana.

objemová fatamorgána

V horách je za určitých podmienok veľmi zriedkavé, že môžete vidieť „skreslené ja“ na pomerne blízku vzdialenosť. Tento jav sa vysvetľuje prítomnosťou „stagnujúcej“ vodnej pary vo vzduchu.

Astronomická refrakcia - jav lomu svetelných lúčov od nebeských telies pri prechode atmosférou / Keďže hustota planetárnych atmosfér s výškou vždy klesá, lom svetla nastáva tak, že pri svojej konvexnosti sa zakrivený lúč vo všetkých prípady stoja za zenitom. V tomto ohľade refrakcia vždy „zdvihne“ obrazy nebeských telies nad ich skutočnú polohu.

Refrakcia spôsobuje na Zemi množstvo opticko-atmosférických efektov: nárast zemepisná dĺžka dňa v dôsledku toho, že slnečný kotúč v dôsledku lomu vychádza nad horizont o niekoľko minút skôr ako v okamihu, keď by na základe geometrických úvah muselo vyjsť Slnko; sploštenie viditeľných diskov Mesiaca a Slnka blízko horizontu v dôsledku skutočnosti, že spodný okraj diskov stúpa lomom vyššie ako horný; blikanie hviezd atď. V dôsledku rozdielu v lomoch svetelných lúčov s rôznymi vlnovými dĺžkami (modré a fialové lúče sa odchyľujú viac ako červené), dochádza pri obzore k zjavnému sfarbeniu nebeských telies.

5. Pojem lineárne polarizovaná vlna. Polarizácia prirodzeného svetla. nepolarizované žiarenie. dichroické polarizátory. Polarizátor a analyzátor svetla. Malusov zákon.

Polarizácia vlny- fenomén porušenia symetrie rozloženia porúch v priečne vlna (napríklad sila elektrických a magnetických polí v elektromagnetických vlnách) vzhľadom na smer jej šírenia. AT pozdĺžne Vo vlne polarizácia nemôže vzniknúť, pretože poruchy tohto typu vĺn sa vždy zhodujú so smerom šírenia.

lineárne - oscilácie poruchy sa vyskytujú v jednej rovine. V tomto prípade sa hovorí o rovinne polarizované mávať";

kruhový - koniec vektora amplitúdy opisuje kružnicu v rovine kmitania. V závislosti od smeru otáčania vektora, správny alebo vľavo.

Polarizácia svetla je proces zefektívnenia kmitov vektora intenzity elektrického poľa svetelnej vlny pri prechode svetla cez určité látky (pri lomu) alebo pri odraze svetelného toku.

Dichroický polarizátor obsahuje film obsahujúci aspoň jednu dichroickú organickú látku, ktorej molekuly alebo fragmenty molekúl majú rovinnú štruktúru. Aspoň časť filmu má kryštalickú štruktúru. Dichroická látka má aspoň jedno maximum spektrálnej absorpčnej krivky v spektrálnych rozsahoch 400 - 700 nm a/alebo 200 - 400 nm a 0,7 - 13 μm. Pri výrobe polarizátora sa na substrát nanesie film obsahujúci dichroickú organickú látku, nanesie sa naň orientačný efekt a vysuší sa. V tomto prípade sa podmienky nanášania filmu a druh a veľkosť orientačného efektu volia tak, aby parameter rádu filmu zodpovedajúci aspoň jednému maximu na spektrálnej absorpčnej krivke v spektrálnom rozsahu 0,7 - 13 μm mal hodnotu najmenej 0,8. Kryštalická štruktúra aspoň časti filmu je trojrozmerná kryštálová mriežka tvorená dichroickými organickými molekulami. EFEKT: rozšírenie spektrálneho rozsahu činnosti polarizátora pri súčasnom zlepšení jeho polarizačných charakteristík.

Malusov zákon je fyzikálny zákon, ktorý vyjadruje závislosť intenzity lineárne polarizovaného svetla po prechode polarizátorom od uhla medzi rovinami polarizácie dopadajúceho svetla a polarizátora.

kde ja 0 - intenzita svetla dopadajúceho na polarizátor, ja je intenzita svetla vychádzajúceho z polarizátora, k a- koeficient priehľadnosti polarizátora.

6. Fenomén Brewster. Fresnelove vzorce pre koeficient odrazu pre vlny, ktorých elektrický vektor leží v rovine dopadu a pre vlny, ktorých elektrický vektor je kolmý na rovinu dopadu. Závislosť koeficientov odrazu od uhla dopadu. Stupeň polarizácie odrazených vĺn.

Brewsterov zákon je zákon optiky, ktorý vyjadruje vzťah indexu lomu s takým uhlom, pod ktorým bude svetlo odrazené od rozhrania úplne polarizované v rovine kolmej na rovinu dopadu a lomený lúč je čiastočne polarizovaný v rovine dopadu a polarizácia lomeného lúča dosahuje svoju najväčšiu hodnotu. Je ľahké zistiť, že v tomto prípade sú odrazené a lomené lúče navzájom kolmé. Zodpovedajúci uhol sa nazýva Brewsterov uhol. Brewsterov zákon: , kde n 21 - index lomu druhého média vo vzťahu k prvému, θ Br je uhol dopadu (Brewsterov uhol). S amplitúdami dopadajúcich (U down) a odrazených (U ref) vĺn v KBV línii súvisí vzťah:

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

Prostredníctvom koeficientu odrazu napätia (K U) sa KBV vyjadruje takto:

K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Pri čisto aktívnej povahe zaťaženia sa KBV rovná:

K bv \u003d R / ρ pri R< ρ или

Kbv = ρ / R pri R ≥ ρ

kde R je aktívny odpor záťaže, ρ je vlnový odpor vedenia

7. Pojem interferencie svetla. Pridanie dvoch nekoherentných a koherentných vĺn, ktorých polarizačné čiary sa zhodujú. Závislosť intenzity výslednej vlny pri sčítaní dvoch koherentných vĺn od rozdielu ich fáz. Pojem geometrického a optického rozdielu v dráhe vĺn. Všeobecné podmienky pre dodržanie maxima a minima rušenia.

Svetelná interferencia je nelineárne sčítanie intenzít dvoch alebo viacerých svetelných vĺn. Tento jav sprevádzajú striedajúce sa maximá a minimá intenzity v priestore. Jeho rozloženie sa nazýva interferenčný obrazec. Keď svetlo zasahuje, energia sa prerozdeľuje v priestore.

Vlny a zdroje, ktoré ich vzrušujú, sa nazývajú koherentné, ak fázový rozdiel vĺn nezávisí od času. Vlny a zdroje, ktoré ich vzrušujú, sa nazývajú nekoherentné, ak sa fázový rozdiel vĺn mení s časom. Vzorec na rozdiel:

, kde , ,

8. Laboratórne metódy na pozorovanie interferencie svetla: Youngov experiment, Fresnelove biprizmy, Fresnelove zrkadlá. Výpočet polôh maxima a minima interferencie.

Jungov experiment - V experimente je lúč svetla nasmerovaný na nepriehľadné plátno s dvoma paralelnými štrbinami, za ktorými je nainštalované premietacie plátno. Tento experiment demonštruje interferenciu svetla, čo je dôkazom vlnovej teórie. Zvláštnosťou štrbín je, že ich šírka sa približne rovná vlnovej dĺžke vyžarovaného svetla. Vplyv šírky štrbiny na interferenciu je diskutovaný nižšie.

Za predpokladu, že svetlo sa skladá z častíc ( korpuskulárna teória svetla), potom by na premietacom plátne bolo vidieť len dva paralelné pásy svetla prechádzajúce cez štrbiny plátna. Medzi nimi by premietacie plátno zostalo prakticky neosvetlené.

Fresnelov dvojhranol - vo fyzike - dvojitý hranol s veľmi malými uhlami vo vrcholoch.
Fresnelov biprizm je optické zariadenie, ktoré umožňuje, aby jeden svetelný zdroj vytvoril dve koherentné vlny, ktoré umožňujú pozorovať stabilný interferenčný obrazec na obrazovke.
Frenkelov dvojhranol slúži ako prostriedok na experimentálny dôkaz vlnovej povahy svetla.

Fresnelove zrkadlá sú optické zariadenie navrhnuté v roku 1816 O. J. Fresnelom na pozorovanie fenoménu interferenčne koherentných svetelných lúčov. Zariadenie pozostáva z dvoch plochých zrkadiel I a II, ktoré zvierajú dihedrálny uhol, ktorý sa líši od 180° len o niekoľko uhlových minút (pozri obr. 1 v položke Interferencia svetla). Keď sú zrkadlá osvetlené zo zdroja S, lúče lúčov odrazené od zrkadiel možno považovať za pochádzajúce z koherentných zdrojov S1 a S2, čo sú imaginárne obrazy S. V priestore, kde sa lúče prekrývajú, dochádza k interferencii. Ak je zdroj S lineárny (štrbinový) a rovnobežný s okrajom FZ, potom pri osvetlení monochromatickým svetlom je na obrazovke M pozorovaný interferenčný obrazec vo forme ekvidištantných tmavých a svetlých pruhov rovnobežných so štrbinou, ktorú je možné nainštalovať kdekoľvek v oblasti prekrytia lúčov. Vzdialenosť medzi pásmi môže byť použitá na určenie vlnovej dĺžky svetla. Experimenty uskutočnené s PV boli jedným z rozhodujúcich dôkazov vlnovej povahy svetla.

9. Interferencia svetla v tenkých vrstvách. Podmienky pre vznik svetlých a tmavých pásov v odrazenom a prechádzajúcom svetle.

10. Pásy rovnakého sklonu a pásy rovnakej hrúbky. Newtonove interferenčné krúžky. Polomery tmavých a svetlých prstencov.

11. Interferencia svetla v tenkých vrstvách pri normálnom dopade svetla. Osveta optických zariadení.

12. Michelsonove a Jaminove optické interferometre. Stanovenie indexu lomu látky pomocou dvojlúčových interferometrov.

13. Koncept viaccestnej interferencie svetla. Fabry-Perotov interferometer. Sčítanie konečného počtu vĺn rovnakých amplitúd, ktorých fázy tvoria aritmetickú postupnosť. Závislosť intenzity výsledného vlnenia od fázového rozdielu rušivých vĺn. Podmienka pre vznik hlavných maxím a miním rušenia. Povaha viaclúčového interferenčného vzoru.

14. Pojem vlnovej difrakcie. Vlnový parameter a hranice použiteľnosti zákonov geometrickej optiky. Huygensov-Fresnelov princíp.

15. Metóda Fresnelových zón a dôkaz priamočiareho šírenia svetla.

16. Fresnelova difrakcia kruhovým otvorom. Polomery Fresnelovej zóny pre sférické a rovinné vlny.

17. Difrakcia svetla na nepriehľadnom disku. Výpočet plochy Fresnelových zón.

18. Problém zväčšenia amplitúdy vlny pri prechode cez okrúhly otvor. Doštičky amplitúdovej a fázovej zóny. Zaostrovacie a zónové platne. Zaostrovacia šošovka ako limitné puzdro dosky so stupňovitou fázou. Zónové šošovky.

Geometrická a vlnová optika. Podmienky pre uplatnenie týchto prístupov (z pomeru vlnovej dĺžky a veľkosti objektu). Koherencia vĺn. Pojem priestorovej a časovej koherencie. nútená emisia. Vlastnosti laserového žiarenia. Štruktúra a princíp činnosti lasera.

Vzhľadom na to, že svetlo je vlnový jav, dochádza k interferencii, v dôsledku čoho obmedzené lúč svetla sa nešíri jedným smerom, ale má konečné uhlové rozloženie, t.j. dochádza k difrakcii. Avšak v tých prípadoch, kde sú charakteristické priečne rozmery svetelných lúčov dostatočne veľké v porovnaní s vlnovou dĺžkou, možno zanedbať divergenciu svetelného lúča a predpokladať, že sa šíri v jednom smere: pozdĺž svetelného lúča.

Vlnová optika je odvetvie optiky, ktoré popisuje šírenie svetla s prihliadnutím na jeho vlnovú povahu. Fenomény vlnovej optiky - interferencia, difrakcia, polarizácia a pod.

Vlnová interferencia - vzájomné zosilnenie alebo zoslabenie amplitúdy dvoch alebo viacerých koherentných vĺn súčasne sa šíriacich v priestore.

Difrakcia vĺn je jav, ktorý sa pri šírení vĺn prejavuje ako odchýlka od zákonov geometrickej optiky.

Polarizácia - procesy a stavy spojené s oddelením akýchkoľvek objektov, hlavne vo vesmíre.

Vo fyzike je koherencia korelácia (konzistencia) viacerých oscilačných alebo vlnových procesov v čase, ktorá sa prejaví pri ich sčítaní. Kmity sú koherentné, ak je rozdiel medzi ich fázami v čase konštantný a keď sa oscilácie sčítajú, získa sa oscilácia rovnakej frekvencie.

Ak sa fázový rozdiel dvoch kmitov mení veľmi pomaly, potom sa hovorí, že oscilácie zostanú nejaký čas koherentné. Tento čas sa nazýva koherentný čas.

Priestorová koherencia - koherencia kmitov, ktoré sa vyskytujú súčasne v rôznych bodoch v rovine kolmej na smer šírenia vlny.

Stimulovaná emisia - generovanie nového fotónu pri prechode kvantového systému (atóm, molekula, jadro atď.) z excitovaného stavu do stabilného stavu (nižšia energetická hladina) vplyvom indukujúceho fotónu, energie tzv. čo sa rovnalo rozdielu energetických hladín. Vytvorený fotón má rovnakú energiu, hybnosť, fázu a polarizáciu ako indukujúci fotón (ktorý nie je absorbovaný).

Laserové žiarenie môže byť kontinuálne, s konštantným výkonom, alebo pulzné, dosahujúce extrémne vysoké špičkové výkony. V niektorých schémach sa pracovný prvok lasera používa ako optický zosilňovač pre žiarenie z iného zdroja.

Fyzikálnym základom pre činnosť lasera je fenomén stimulovaného (indukovaného) žiarenia. Podstatou tohto javu je, že excitovaný atóm je schopný emitovať fotón pod vplyvom iného fotónu bez jeho absorpcie, ak sa energia tohto fotónu rovná rozdielu energií hladín atómu pred a po žiarenia. V tomto prípade je emitovaný fotón koherentný s fotónom, ktorý spôsobil žiarenie (je to jeho „presná kópia“). Takto sa zosilňuje svetlo. Tento jav sa líši od spontánnej emisie, pri ktorej majú emitované fotóny náhodné smery šírenia, polarizácie a fázy.

Všetky lasery sa skladajú z troch hlavných častí:

aktívne (pracovné) prostredie;

čerpacie systémy (zdroj energie);

optický rezonátor (môže chýbať, ak laser pracuje v režime zosilňovača).

Každý z nich zabezpečuje fungovanie lasera na vykonávanie jeho špecifických funkcií.

Geometrická optika. Fenomén totálnej vnútornej reflexie. Limitný uhol úplného odrazu. Priebeh lúčov. vláknová optika.

Geometrická optika je odbor optiky, ktorý študuje zákony šírenia svetla v priehľadných médiách a princípy konštrukcie obrazov pri prechode svetla v optických systémoch bez zohľadnenia jeho vlnových vlastností.

Úplný vnútorný odraz je vnútorný odraz za predpokladu, že uhol dopadu presahuje určitý kritický uhol. V tomto prípade sa dopadajúca vlna úplne odráža a hodnota koeficientu odrazu presahuje svoje najvyššie hodnoty pre leštené povrchy. Koeficient odrazu pre úplný vnútorný odraz nezávisí od vlnovej dĺžky.

Limitný uhol celkového vnútorného odrazu

Uhol dopadu, pri ktorom lomený lúč začne kĺzať pozdĺž rozhrania medzi dvoma médiami bez prechodu na opticky hustejšie médium

Cesta lúčov v zrkadlách, hranoloch a šošovkách

Svetelné lúče z bodového zdroja sa šíria všetkými smermi. V optických systémoch, ktoré sa ohýbajú a odrážajú od rozhrania medzi médiami, sa môžu niektoré lúče v určitom bode opäť pretínať. Bod sa nazýva bodový obraz. Pri odraze lúča od zrkadiel je splnený zákon: „odrazený lúč leží vždy v tej istej rovine ako dopadajúci lúč a kolmica na odrazovú plochu, ktorá prechádza bodom dopadu, a uhol dopadu sa odpočíta od táto normála sa rovná uhlu odrazu."

Vláknová optika – tento pojem znamená

odbor optiky, ktorý študuje fyzikálne javy vyskytujúce sa a vyskytujúce sa v optických vláknach, príp

produkty presného strojárskeho priemyslu, ktoré zahŕňajú komponenty na báze optických vlákien.

Medzi zariadenia s optickými vláknami patria lasery, zosilňovače, multiplexory, demultiplexory a množstvo ďalších. Medzi optické komponenty patria izolátory, zrkadlá, konektory, rozbočovače atď. Základom zariadenia s optickými vláknami je jeho optický obvod - súbor optických komponentov spojených v určitom poradí. Optické obvody môžu byť uzavreté alebo otvorené, so spätnou väzbou alebo bez nej.

Pri určitom uhle dopadu svetla $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, ktorý je tzv. limitný uhol, uhol lomu sa rovná $\frac(\pi )(2),\ $v tomto prípade sa lomený lúč kĺže po rozhraní medzi médiami, preto nedochádza k lomu lúča. Potom zo zákona lomu môžeme napísať, že:

Obrázok 1.

V prípade úplného odrazu platí rovnica:

nemá riešenie v oblasti skutočných hodnôt uhla lomu ($(\alpha )_(pr)$). V tomto prípade je $cos((\alpha )_(pr))$ čisto imaginárny. Ak sa obrátime na Fresnelove vzorce, je vhodné ich reprezentovať vo forme:

kde je uhol dopadu označený $\alpha $ (pre stručnosť), $n$ je index lomu prostredia, kde sa svetlo šíri.

Poznámka 1

Treba poznamenať, že nehomogénna vlna v druhom médiu nezmizne. Ak teda $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ žiadny prípad. Keďže Fresnelove vzorce platia pre monochromatické pole, teda pre ustálený proces. V tomto prípade zákon zachovania energie vyžaduje, aby sa priemerná zmena energie za obdobie v druhom médiu rovnala nule. Vlna a zodpovedajúca časť energie prenikajú cez rozhranie do druhého prostredia do malej hĺbky rádu vlnovej dĺžky a pohybujú sa v ňom rovnobežne s rozhraním s fázovou rýchlosťou, ktorá je menšia ako fázová rýchlosť vlny v druhé médium. Vráti sa do prvého prostredia v bode, ktorý je odsadený od vstupného bodu.

V experimente možno pozorovať prienik vlny do druhého prostredia. Intenzita svetelnej vlny v druhom prostredí je badateľná len vo vzdialenostiach menších ako je vlnová dĺžka. V blízkosti rozhrania, na ktoré dopadá svetelná vlna, ktorá zažíva úplný odraz, na strane druhého média je možné vidieť žiaru tenkej vrstvy, ak je v druhom médiu fluorescenčná látka.

Úplný odraz spôsobuje fatamorgány, keď má zemský povrch vysokú teplotu. Úplný odraz svetla z oblakov teda vedie k dojmu, že na povrchu zohriateho asfaltu sú mláky.

Pri normálnej reflexii sú vzťahy $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ a $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ vždy skutočné . Pri úplnej reflexii sú zložité. To znamená, že v tomto prípade fáza vlny utrpí skok, pričom sa líši od nuly alebo $\pi $. Ak je vlna polarizovaná kolmo na rovinu dopadu, potom môžeme písať:

kde $(\delta )_(\bot )$ je požadovaný fázový skok. Porovnaním skutočných a imaginárnych častí máme:

Z výrazov (5) dostaneme:

V súlade s tým je možné pre vlnu, ktorá je polarizovaná v rovine dopadu, získať:

Fázové skoky $(\delta )_(//)$ a $(\delta )_(\bot )$ nie sú rovnaké. Odrazená vlna bude elipticky polarizovaná.

Aplikácia totálneho odrazu

Predpokladajme, že dve rovnaké médiá sú oddelené tenkou vzduchovou medzerou. Svetelná vlna na ňu dopadá pod uhlom, ktorý je väčší ako limit. Môže sa stať, že prenikne do vzduchovej medzery ako nehomogénna vlna. Ak je hrúbka medzery malá, potom táto vlna dosiahne druhú hranicu látky a nebude veľmi oslabená. Po prechode zo vzduchovej medzery do látky sa vlna opäť zmení na homogénnu. Takýto experiment uskutočnil Newton. Vedec pritlačil ďalší hranol, ktorý bol sféricky vyleštený, na preponu tvár obdĺžnikového hranola. V tomto prípade svetlo prechádzalo do druhého hranolu nielen tam, kde sa dotýkajú, ale aj v malom prstenci okolo kontaktu, v mieste, kde je hrúbka medzery porovnateľná s dlhou vlnovou dĺžkou. Ak sa pozorovania uskutočnili v bielom svetle, okraj prstenca mal červenkastú farbu. Tak to má byť, keďže hĺbka prieniku je úmerná vlnovej dĺžke (pre červené lúče je väčšia ako pre modré). Zmenou hrúbky medzery je možné meniť intenzitu prechádzajúceho svetla. Tento jav tvoril základ svetelného telefónu, ktorý si nechal patentovať Zeiss. V tomto zariadení funguje priehľadná membrána ako jedno z médií, ktoré sa hýbe pôsobením zvuku, ktorý na ňu dopadá. Svetlo, ktoré prechádza vzduchovou medzerou, mení intenzitu v čase so zmenami v sile zvuku. Keď sa dostane na fotobunku, generuje striedavý prúd, ktorý sa mení v súlade so zmenami v sile zvuku. Výsledný prúd sa zosilní a použije ďalej.

Fenomény prenikania vĺn cez tenké medzery nie sú špecifické pre optiku. To je možné pre vlnu akejkoľvek povahy, ak je fázová rýchlosť v medzere vyššia ako fázová rýchlosť v prostredí. Tento jav má veľký význam v jadrovej a atómovej fyzike.

Na zmenu smeru šírenia svetla sa využíva jav úplného vnútorného odrazu. Na tento účel sa používajú hranoly.

Príklad 1

Cvičenie: Uveďte príklad fenoménu totálnej reflexie, s ktorým sa často stretávame.

Riešenie:

Dá sa uviesť taký príklad. Ak je diaľnica veľmi horúca, potom je teplota vzduchu maximálna v blízkosti asfaltového povrchu a s rastúcou vzdialenosťou od cesty klesá. To znamená, že index lomu vzduchu je pri povrchu minimálny a s rastúcou vzdialenosťou sa zvyšuje. V dôsledku toho lúče, ktoré majú malý uhol vzhľadom na povrch diaľnice, trpia úplným odrazom. Ak zameriate svoju pozornosť počas jazdy v aute na vhodný úsek povrchu diaľnice, môžete vidieť auto idúce prevrátene dosť ďaleko vpredu.

Príklad 2

Cvičenie: Aký je Brewsterov uhol pre lúč svetla, ktorý dopadá na povrch kryštálu, ak je hraničný uhol úplného odrazu tohto lúča na rozhraní vzduch-kryštál 400?