Mejni kot celotnega notranjega loma. Zakoni loma svetlobe

doma

Čiščenje in filtracija vode

Najprej malo fantazirajmo. Predstavljajte si vroč poletni dan pred našim štetjem, primitiven človek lovi ribe s sulico. Opazi njen položaj, nameri in udari iz nekega razloga sploh ne tam, kjer je bila riba vidna. zamudil? Ne, ribič ima plen v svojih rokah! Stvar je v tem, da je naš prednik intuitivno razumel temo, ki jo bomo zdaj preučevali. V vsakdanjem življenju vidimo, da je žlica, namočena v kozarec vode, videti ukrivljena, ko pogledamo skozi steklen kozarec, se zdijo predmeti ukrivljeni. Vsa ta vprašanja bomo obravnavali v lekciji, katere tema je: »Lom svetlobe. Zakon loma svetlobe. Popolna notranja refleksija.

V prejšnjih urah smo govorili o usodi žarka v dveh primerih: kaj se zgodi, če se žarek svetlobe širi v prozorno homogenem mediju? Pravilen odgovor je, da se bo širil v ravni črti. In kaj se bo zgodilo, ko bo žarek svetlobe padel na vmesnik med dvema medijema? V zadnji lekciji smo govorili o odbitem žarku, danes bomo upoštevali tisti del svetlobnega žarka, ki ga absorbira medij.

Kakšna bo usoda žarka, ki je prodrl iz prvega optično prozornega medija v drugi optično prozoren medij?

riž. 1. Lom svetlobe

Če žarek pade na vmesnik med dvema prosojnima medijema, se del svetlobne energije vrne v prvi medij in ustvari odbit žarek, drugi del pa preide navznoter v drugi medij in praviloma spremeni svojo smer.

Imenuje se sprememba smeri širjenja svetlobe v primeru njenega prehoda skozi vmesnik med dvema medijema lom svetlobe(slika 1).

riž. 2. Vpadni, lomni in odbojni koti

Na sliki 2 vidimo vpadni žarek, vpadni kot bo označen z α. Žarek, ki bo nastavil smer lomljenega svetlobnega snopa, se imenuje lomljeni žarek. Kot med pravokotnico na vmesnik med medijem, obnovljenim od vpadne točke, in lomljenim žarkom se imenuje lomni kot, na sliki je to kot γ. Za popolno sliko podamo tudi sliko odbitega žarka in s tem tudi odbojnega kota β. Kakšno je razmerje med vpadnim in lomnim kotom, ali je mogoče predvideti, če poznamo vpadni kot in iz katerega medija je žarek prešel v kateri lom, kolikšen bo lomni kot? Izkazalo se je, da lahko!

Dobimo zakon, ki kvantitativno opisuje razmerje med vpadnim in lomnim kotom. Uporabimo Huygensov princip, ki uravnava širjenje valovanja v mediju. Zakon je sestavljen iz dveh delov.

Vpadni žarek, lomljeni žarek in pravokotnica, obnovljena na vpadno točko, ležijo v isti ravnini.

Razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost za dva podana medija in je enaka razmerju hitrosti svetlobe v teh medijih.

Ta zakon se imenuje Snellov zakon po nizozemskem znanstveniku, ki ga je prvi oblikoval. Razlog za lom je razlika v hitrostih svetlobe v različnih medijih. Veljavnost zakona o lomu lahko preverite tako, da poskusno usmerite svetlobni žarek pod različnimi koti na vmesnik med dvema medijema in izmerite vpadni in lomni kot. Če spremenimo te kote, izmerimo sinuse in poiščemo razmerja sinusov teh kotov, se bomo prepričali, da lomni zakon res velja.

Dokazi o zakonu loma po Huygensovem principu so še ena potrditev valovne narave svetlobe.

Relativni lomni količnik n 21 kaže, kolikokrat se hitrost svetlobe V 1 v prvem mediju razlikuje od hitrosti svetlobe V 2 v drugem mediju.

Relativni lomni količnik je jasen dokaz dejstva, da je razlog za spremembo smeri svetlobe pri prehodu iz enega medija v drugega različna svetlobna hitrost v dveh medijih. Za karakterizacijo optičnih lastnosti medija se pogosto uporablja izraz "optična gostota medija" (slika 3).

riž. 3. Optična gostota medija (α > γ)

Če žarek preide iz medija z večjo svetlobno hitrostjo v medij z nižjo svetlobno hitrostjo, potem bo, kot je razvidno iz slike 3 in zakona loma svetlobe, pritisnjen na pravokotnik, tj. , je lomni kot manjši od vpadnega kota. V tem primeru naj bi žarek prešel iz manj gostega optičnega medija v bolj optično gost medij. Primer: iz zraka v vodo; iz vode v steklo.

Možna je tudi obratna situacija: hitrost svetlobe v prvem mediju je manjša od hitrosti svetlobe v drugem mediju (slika 4).

riž. 4. Optična gostota medija (α< γ)

Takrat bo lomni kot večji od vpadnega kota in za tak prehod bomo rekli, da je opravljen iz optično gostejšega v manj optično gost medij (iz stekla v vodo).

Optična gostota dveh medijev se lahko precej razlikuje, zato postane možna situacija, prikazana na fotografiji (slika 5):

riž. 5. Razlika med optično gostoto medijev

Bodite pozorni na to, kako je glava premaknjena glede na telo, ki je v tekočini, v mediju z večjo optično gostoto.

Vendar relativni lomni količnik ni vedno priročna lastnost za delo, saj je odvisen od hitrosti svetlobe v prvem in drugem mediju, vendar je takih kombinacij in kombinacij dveh medijev (voda - zrak, steklo) lahko veliko. - diamant, glicerin - alkohol, steklo - voda in tako naprej). Tabele bi bile zelo okorne, delo bi bilo neprijetno, nato pa je bilo uvedeno eno absolutno okolje, v primerjavi s katerim se primerja hitrost svetlobe v drugih okoljih. Za absolutno vrednost je bil izbran vakuum in hitrosti svetlobe se primerjajo s hitrostjo svetlobe v vakuumu.

Absolutni lomni količnik medija n- to je vrednost, ki označuje optično gostoto medija in je enaka razmerju hitrosti svetlobe Z v vakuumu na svetlobno hitrost v danem mediju.

Absolutni lomni količnik je bolj primeren za delo, saj v vakuumu vedno poznamo hitrost svetlobe, je enak 3·10 8 m/s in je univerzalna fizikalna konstanta.

Absolutni količnik loma je odvisen od zunanjih parametrov: temperature, gostote in tudi od valovne dolžine svetlobe, zato tabele običajno navajajo povprečni lomni količnik za dano območje valovne dolžine. Če primerjamo lomne količnike zraka, vode in stekla (slika 6), vidimo, da je lomni količnik zraka blizu enote, zato ga bomo pri reševanju nalog vzeli za enoto.

riž. 6. Tabela absolutnih lomnih količin za različne medije

Preprosto je dobiti razmerje med absolutnim in relativnim lomnim količnikom medijev.

Relativni lomni količnik, to je za žarek, ki prehaja iz medija ena v medij dva, je enak razmerju med absolutnim lomnim količnikom v drugem mediju in absolutnim lomnim količnikom v prvem mediju.

Na primer: = ≈ 1,16

Če sta absolutna lomna količnika obeh medijev skoraj enaka, to pomeni, da bo relativni lomni količnik med prehodom iz enega medija v drugega enak eni, to pomeni, da se svetlobni žarek dejansko ne bo lomil. Na primer, pri prehodu iz janeževega olja v dragulj beril praktično ne bo odstopal od svetlobe, torej se bo obnašal kot pri prehodu skozi janeževo olje, saj je njihov lomni količnik 1,56 oziroma 1,57, tako da je dragulj lahko kako se skriti v tekočini, preprosto ne bo viden.

Če nalijete vodo v prozoren kozarec in pogledate skozi steno kozarca v svetlobo, bomo videli srebrn sijaj površine zaradi pojava popolnega notranjega odboja, o katerem bomo zdaj govorili. Ko svetlobni žarek prehaja iz gostejšega optičnega medija v manj gost optični medij, lahko opazimo zanimiv učinek. Za natančnost predpostavljamo, da svetloba prehaja iz vode v zrak. Predpostavimo, da je v globini rezervoarja točkovni vir svetlobe S, ki oddaja žarke v vse smeri. Na primer, potapljač sveti s svetilko.

Žarek SO 1 pade na površino vode pod najmanjšim kotom, ta žarek se delno lomi - žarek O 1 A 1 in delno odbije nazaj v vodo - žarek O 1 B 1. Tako se del energije vpadnega žarka prenese na lomljeni žarek, preostali del energije pa se prenese na odbit žarek.

riž. 7. Popolna notranja refleksija

Žarek SO 2, katerega vpadni kot je večji, je prav tako razdeljen na dva žarka: lomljenega in odbitega, vendar je energija prvotnega žarka med njima razporejena na drugačen način: lomljeni žarek O 2 A 2 bo zatemnjen od žarek O 1 A 1, to pomeni, da bo prejel manjši delež energije, odbit žarek O 2 V 2 pa bo svetlejši od žarka O 1 V 1, to pomeni, da bo prejel večji delež energija. Z večanjem vpadnega kota se zasleduje enaka pravilnost - vse večji delež energije vpadnega žarka gre na odbit žarek, vedno manjši pa na lomljeni žarek. Lomljeni žarek postane bolj zatemnjen in na neki točki popolnoma izgine, to izginotje se pojavi, ko je dosežen vpadni kot, ki ustreza lomnemu kotu 90 0 . V tej situaciji bi moral lomljeni žarek OA iti vzporedno z vodno gladino, vendar ni ničesar - vsa energija vpadnega žarka SO je šla v celoti na odbit žarek OB. Seveda bo z nadaljnjim povečanjem vpadnega kota lomljeni žarek odsoten. Opisani pojav je popolna notranja refleksija, to je, da gostejši optični medij pod obravnavanimi koti ne oddaja žarkov iz sebe, vsi se odbijajo v njem. Kot, pod katerim se ta pojav pojavi, se imenuje mejni kot popolnega notranjega odboja.

Vrednost mejnega kota je enostavno najti iz zakona o lomu:

= => = arcsin, za vodo ≈ 49 0

Najbolj zanimiva in priljubljena uporaba fenomena popolne notranje refleksije so tako imenovani valovodi ali optična vlakna. Prav tak način signalizacije uporabljajo sodobna telekomunikacijska podjetja na internetu.

Dobili smo zakon loma svetlobe, uvedli nov koncept - relativni in absolutni lomni indeks, ugotovili pa smo tudi pojav popolnega notranjega odboja in njegove aplikacije, kot je optična vlakna. Znanje lahko utrdite tako, da preučite ustrezne teste in simulatorje v razdelku lekcije.

Pridobimo dokaz zakona o lomu svetlobe po Huygensovem principu. Pomembno je razumeti, da je vzrok loma razlika v hitrostih svetlobe v dveh različnih medijih. Označimo hitrost svetlobe v prvem mediju V 1 , v drugem mediju pa - V 2 (slika 8).

riž. 8. Dokaz zakona o lomu svetlobe

Naj pade ravni svetlobni val na ravno vmesnik med dvema medijema, na primer iz zraka v vodo. Valovna površina AC je pravokotna na žarke in , vmesnik med medijem MN najprej doseže žarek , žarek pa doseže isto površino po časovnem intervalu ∆t, ki bo enak poti SW, deljeni s hitrostjo svetlobe v prvem mediju.

V trenutku, ko se sekundarni val v točki B šele začne vzbujati, ima val iz točke A že obliko poloble s polmerom AD, ki je enak hitrosti svetlobe v drugem mediju za ∆t: AD = ∆t, to je Huygensov princip v vizualnem delovanju. Valovno površino lomljenega vala lahko dobimo tako, da narišemo površinsko tangento na vse sekundarne valove v drugem mediju, katerih središča ležijo na vmesniku med mediji, v tem primeru je to ravnina BD, to je ovojnica sekundarne valove. Vpadni kot α žarka je enak kotu CAB v trikotniku ABC, stranice enega od teh kotov so pravokotne na stranice drugega. Zato bo SW enak hitrosti svetlobe v prvem mediju za ∆t

CB = ∆t = AB sin α

Po drugi strani bo lomni kot enak kotu ABD v trikotniku ABD, torej:

AD = ∆t = AB sin γ

Če izraze delimo na izraz, dobimo:

n je konstantna vrednost, ki ni odvisna od vpadnega kota.

Dobili smo zakon loma svetlobe, sinus vpadnega kota in sinus lomnega kota je konstantna vrednost za podana dva medija in je enaka razmerju hitrosti svetlobe v obeh danih medijih.

Kubična posoda z neprozornimi stenami je nameščena tako, da opazovalčevo oko ne vidi njenega dna, ampak v celoti vidi steno posode CD. Koliko vode je treba naliti v posodo, da lahko opazovalec vidi predmet F, ki se nahaja na razdalji b = 10 cm od vogala D? Rob plovila α = 40 cm (slika 9).

Kaj je zelo pomembno pri reševanju tega problema? Uganite, da ker oko ne vidi dna posode, ampak vidi skrajno točko stranske stene, posoda pa je kocka, potem bo vpadni kot žarka na površino vode, ko jo nalijemo, biti enak 45 0.

riž. 9. Naloga izpita

Žarek pade v točko F, kar pomeni, da jasno vidimo predmet, črna pikčasta črta pa kaže potek žarka, če ne bi bilo vode, torej do točke D. Iz trikotnika NFC je tangenta kota β, tangenta lomnega kota, je razmerje med nasprotnim krakom in sosednjim ali, glede na sliko, h minus b, deljeno s h.

tg β = = , h je višina tekočine, ki smo jo prelili;

Najbolj intenziven pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v sistemih z optičnimi vlakni.

riž. 10. Optična vlakna

Če je snop svetlobe usmerjen na konec trdne steklene cevi, potem bo po večkratnem popolnem notranjem odboju žarek prišel iz nasprotne strani cevi. Izkazalo se je, da je steklena cev prevodnik svetlobnega vala ali valovoda. To se zgodi ne glede na to, ali je cev ravna ali ukrivljena (slika 10). Prvi svetlobni vodniki, to je drugo ime valovovodov, so bili uporabljeni za osvetljevanje težko dostopnih mest (med medicinskimi raziskavami, ko se svetloba dovaja na en konec svetlobnega vodnika, drugi konec pa osvetli pravo mesto) . Glavna uporaba je medicina, defektoskopija motorjev, vendar se takšni valovodi najbolj uporabljajo v sistemih za prenos informacij. Nosilna frekvenca svetlobnega vala je milijonkrat večja od frekvence radijskega signala, kar pomeni, da je količina informacij, ki jih lahko oddamo s pomočjo svetlobnega vala, milijone krat večja od količine informacij, ki jih prenašajo radijski valovi. To je odlična priložnost za prenos ogromne količine informacij na preprost in poceni način. Praviloma se informacije prenašajo po optičnem kablu z laserskim sevanjem. Optična vlakna so nepogrešljiva za hiter in kakovosten prenos računalniškega signala, ki vsebuje veliko količino prenesenih informacij. In v središču vsega tega je tako preprost in pogost pojav, kot je lom svetlobe.

Bibliografija

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna raven) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika - 9, Moskva, Izobraževanje, 1990.

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

Domača naloga

Določite lom svetlobe.
Navedite razloge za lom svetlobe.
Navedite najbolj priljubljene aplikacije popolne notranje refleksije.

Mejni kot popolnega odboja je vpadni kot svetlobe na vmesnik med dvema medijema, ki ustreza lomnemu kotu 90 stopinj.

Optika je veja optike, ki proučuje fizikalne pojave, ki se pojavljajo in pojavljajo v optičnih vlaknih.

4. Širjenje valov v optično nehomogenem mediju. Razlaga ukrivljenosti žarkov. Mirage. Astronomska refrakcija. Nehomogen medij za radijske valove.

Mirage je optični pojav v atmosferi: odboj svetlobe na meji med močno različnimi plastmi zraka po gostoti. Za opazovalca je takšen odsev v tem, da je skupaj z oddaljenim predmetom (ali delom neba) vidna njegova namišljena podoba, premaknjena glede na predmet. Mirage so razdeljene na spodnje, vidne pod predmetom, zgornje - nad predmetom in stranske.

slabša fatamorgana

Opažamo ga z zelo velikim navpičnim temperaturnim gradientom (padajoč z višino) nad pregreto ravno površino, pogosto puščavo ali asfaltno cesto. Namišljena podoba neba ustvarja iluzijo vode na površini. Tako se zdi cesta, ki gre v daljavo v vročem poletnem dnevu, mokra.

vrhunska fatamorgana

Opažamo ga nad mrzlo zemeljsko površino z inverzno porazdelitvijo temperature (raste z višino).

Fata Morgana

Kompleksni pojavi privida z ostrim popačenjem videza predmetov se imenujejo Fata Morgana.

volumetrična fatamorgana

V gorah je zelo redko, pod določenimi pogoji, da vidite »popačenega jaza« na dokaj blizu. Ta pojav je razložen s prisotnostjo "zastoječe" vodne pare v zraku.

Astronomski lom - pojav loma svetlobnih žarkov od nebesnih teles pri prehodu skozi atmosfero / Ker se gostota planetarnih atmosfer vedno zmanjšuje z višino, se lom svetlobe zgodi tako, da s svojo konveksnostjo ukrivljen žarek v vseh primeri soočajo z zenitom. V zvezi s tem lom vedno "dvigne" slike nebesnih teles nad njihov resnični položaj.

Lom povzroča številne optično-atmosferske učinke na Zemlji: povečanje dolžina dneva zaradi dejstva, da se sončni disk zaradi loma dvigne nad obzorje nekaj minut prej od trenutka, ko bi Sonce na podlagi geometrijskih premislekov moralo vzpeti; sploščenje vidnih diskov Lune in Sonca blizu obzorja zaradi dejstva, da se spodnji rob diskov dvigne z lomom višje od zgornjega; utripanje zvezd itd. Zaradi razlike v lomu svetlobnih žarkov z različnimi valovnimi dolžinami (modri in vijolični žarki odstopajo bolj kot rdeči) se v bližini obzorja pojavi navidezno obarvanje nebesnih teles.

5. Koncept linearno polariziranega vala. Polarizacija naravne svetlobe. nepolarizirano sevanje. dikroični polarizatorji. Polarizator in analizator svetlobe. Malusov zakon.

Polarizacija valov- pojav kršitve simetrije porazdelitve motenj v prečno val (na primer jakost električnih in magnetnih polj v elektromagnetnih valovih) glede na smer njegovega širjenja. AT vzdolžni V valu ne more nastati polarizacija, saj motnje pri tej vrsti valov vedno sovpadajo s smerjo širjenja.

linearna - nihanja motnje se pojavljajo v neki eni ravnini. V tem primeru se govori o ravnina polarizirana val";

krožna - konec amplitudnega vektorja opisuje krog v ravnini nihanja. Glede na smer vrtenja vektorja, prav oz levo.

Polarizacija svetlobe je proces racionalizacije nihanj vektorja jakosti električnega polja svetlobnega vala, ko svetloba prehaja skozi določene snovi (med lomom) ali ko se svetlobni tok odbije.

Dikroični polarizator vsebuje film, ki vsebuje vsaj eno dikroično organsko snov, katere molekule ali fragmenti molekul imajo planarno strukturo. Vsaj del filma ima kristalno strukturo. Dikroična snov ima vsaj en maksimum spektralne absorpcijske krivulje v spektralnih območjih 400–700 nm in/ali 200–400 nm in 0,7–13 μm. Pri izdelavi polarizatorja se na substrat nanese film, ki vsebuje dikroično organsko snov, nanjo se nanese orientacijski učinek in posuši. V tem primeru so pogoji za nanašanje filma ter vrsta in velikost orientacijskega učinka izbrani tako, da ima parameter reda filma, ki ustreza vsaj enemu maksimumu na krivulji spektralne absorpcije v spektralnem območju 0,7 - 13 μm, vrednost najmanj 0,8. Kristalna struktura vsaj dela filma je tridimenzionalna kristalna mreža, ki jo tvorijo dikroične organske molekule. Učinek: razširitev spektralnega območja delovanja polarizatorja s hkratnim izboljšanjem njegovih polarizacijskih lastnosti.

Malusov zakon je fizikalni zakon, ki izraža odvisnost jakosti linearno polarizirane svetlobe po prehodu skozi polarizator od kota med polarizacijskima ravninama vpadne svetlobe in polarizatorja.

kje jaz 0 - intenzivnost svetlobe, ki pada na polarizator, jaz je intenzivnost svetlobe, ki prihaja iz polarizatorja, k a- koeficient prosojnosti polarizatorja.

6. Fenomen Brewster. Fresnelove formule za odbojni koeficient za valove, katerih električni vektor leži v vpadni ravnini, in za valove, katerih električni vektor je pravokoten na vpadno ravnino. Odvisnost odbojnih koeficientov od vpadnega kota. Stopnja polarizacije odbitih valov.

Brewsterjev zakon je zakon optike, ki izraža razmerje lomnega količnika s takim kotom, pod katerim bo svetloba, ki se odbija od vmesnika, popolnoma polarizirana v ravnini, pravokotni na ravnino vpada, in lomljeni žarek delno polariziran v vpadno ravnino in polarizacija lomljenega žarka doseže svojo največjo vrednost. Preprosto je ugotoviti, da sta v tem primeru odbiti in lomljeni žarek medsebojno pravokotni. Ustrezen kot se imenuje Brewsterjev kot. Brewsterjev zakon: , kje n 21 - lomni količnik drugega medija glede na prvi, θ Br je vpadni kot (Brewsterjev kot). Z amplitudami vpadnih (U navzdol) in odbitih (U ref) valov v liniji KBV je to povezano z razmerjem:

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

S koeficientom odboja napetosti (K U) je KBV izražen na naslednji način:

K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Pri čisto aktivni naravi obremenitve je KBV enak:

K bv \u003d R / ρ pri R< ρ или

K bv = ρ / R pri R ≥ ρ

kjer je R aktivni upor bremena, ρ je valovni upor proge

7. Koncept svetlobnih motenj. Dodatek dveh nekoherentnih in koherentnih valov, katerih polarizacijske linije sovpadajo. Odvisnost intenzivnosti nastalega vala pri seštevanju dveh koherentnih valov od razlike v njunih fazah. Koncept geometrijske in optične razlike v poti valov. Splošni pogoji za opazovanje maksimumov in minimumov motenj.

Interferenca svetlobe je nelinearni seštevek intenzivnosti dveh ali več svetlobnih valov. Ta pojav spremljajo maksimumi in minimumi intenzivnosti, ki se izmenjujejo v prostoru. Njegova porazdelitev se imenuje interferenčni vzorec. Ko svetloba moti, se energija prerazporedi v prostoru.

Valovi in viri, ki jih vzbujajo, se imenujejo koherentni, če fazna razlika valov ni odvisna od časa. Valovi in viri, ki jih vzbujajo, se imenujejo nekoherentni, če se fazna razlika valov spreminja s časom. Formula za razliko:

, kje , ,

8. Laboratorijske metode za opazovanje svetlobnih motenj: Youngov poskus, Fresnelova biprizma, Fresnelova zrcala. Izračun položajev maksimumov in minimumov interference.

Jungov eksperiment - Pri poskusu se svetlobni snop usmeri na neprozorno platno-zaslon z dvema vzporednima režama, za katerima je nameščen projekcijsko platno. Ta poskus dokazuje interferenco svetlobe, kar je dokaz valovne teorije. Posebnost rež je, da je njihova širina približno enaka valovni dolžini oddane svetlobe. Vpliv širine reže na motnje je obravnavan spodaj.

Ob predpostavki, da je svetloba sestavljena iz delcev ( korpuskularno teorijo svetlobe), potem bi na projekcijskem platnu videli le dva vzporedna svetlobna pasova, ki potekata skozi reže zaslona. Med njimi bi projekcijsko platno ostal tako rekoč neosvetljen.

Fresnelova biprizma - v fiziki - dvojna prizma z zelo majhnimi koti na ogliščih.
Fresnelova biprizma je optična naprava, ki omogoča, da en vir svetlobe tvori dva koherentna vala, ki omogočata opazovanje stabilnega interferenčnega vzorca na zaslonu.
Frenklova biprizma služi kot sredstvo za eksperimentalni dokaz valovne narave svetlobe.

Fresnelova zrcala so optična naprava, ki jo je leta 1816 predlagal O. J. Fresnel za opazovanje pojava interferenčno koherentnih svetlobnih žarkov. Naprava je sestavljena iz dveh ploščatih ogledal I in II, ki tvorita diedrski kot, ki se od 180° razlikuje le za nekaj ločnih minut (glej sliko 1 v točki Interferenca svetlobe). Ko so ogledala osvetljena iz vira S, lahko za žarke, ki se odbijajo od ogledal, štejemo, da prihajajo iz koherentnih virov S1 in S2, ki sta namišljeni podobi S. V prostoru, kjer se žarki prekrivajo, pride do interference. Če je vir S linearen (reža) in vzporeden z robom FZ, potem pri osvetlitvi z monokromatsko svetlobo na zaslonu M opazimo interferenčni vzorec v obliki enako oddaljenih temnih in svetlih trakov, vzporednih z režo, ki ga je mogoče namestiti kjer koli v območju prekrivanja žarka. Razdalja med pasovi se lahko uporabi za določitev valovne dolžine svetlobe. Poskusi, izvedeni s PV, so bili eden od odločilnih dokazov valovne narave svetlobe.

9. Interferenca svetlobe v tankih filmih. Pogoji za nastanek svetlih in temnih pasov v odbiti in prepuščeni svetlobi.

10. Trakovi enakega naklona in trakovi enake debeline. Newtonovi interferenčni obroči. Polmeri temnih in svetlih obročev.

11. Interferenca svetlobe v tankih filmih pri normalnem vpadu svetlobe. Razsvetljenje optičnih naprav.

12. Michelson in Jamin optični interferometri. Določanje lomnega količnika snovi z dvožarkovnimi interferometri.

13. Koncept večpotne interference svetlobe. Interferometer Fabry-Perot. Seštevanje končnega števila valov enakih amplitud, katerih faze tvorijo aritmetično progresijo. Odvisnost intenzivnosti nastalega vala od fazne razlike motečih valov. Pogoj za nastanek glavnih maksimumov in minimumov interference. Narava interferenčnega vzorca z več žarki.

14. Pojem valovne difrakcije. Valovni parameter in meje uporabnosti zakonov geometrijske optike. Huygens-Fresnelov princip.

15. Metoda Fresnelovih con in dokaz premočrtnega širjenja svetlobe.

16. Fresnelova difrakcija z okroglo luknjo. Polmeri Fresnelove cone za sferične in ravne valovne fronte.

17. Difrakcija svetlobe na neprozornem disku. Izračun površine Fresnelovih con.

18. Problem povečanja amplitude vala pri prehodu skozi okroglo luknjo. Plošče amplitudnih in faznih con. Fokusne in conske plošče. Fokusna leča kot omejevalni primer stopničaste fazne conske plošče. Zonske leče.

Geometrijska in valovna optika. Pogoji za uporabo teh pristopov (iz razmerja med valovno dolžino in velikostjo predmeta). Valovna skladnost. Koncept prostorske in časovne skladnosti. prisilna emisija. Značilnosti laserskega sevanja. Zgradba in princip delovanja laserja.

Zaradi dejstva, da je svetloba valovni pojav, pride do motenj, zaradi česar omejenožarek svetlobe se ne širi v nobeno eno smer, ampak ima končno kotno porazdelitev, t.j. pride do difrakcije. Toda v primerih, ko so značilne prečne dimenzije svetlobnih žarkov dovolj velike v primerjavi z valovno dolžino, lahko zanemarimo divergenco svetlobnega žarka in domnevamo, da se širi v eni sami smeri: vzdolž svetlobnega žarka.

Valovna optika je veja optike, ki opisuje širjenje svetlobe ob upoštevanju njene valovne narave. Pojavi valovne optike - interferenca, difrakcija, polarizacija itd.

Motnje valov - medsebojno ojačanje ali slabljenje amplitude dveh ali več koherentnih valov, ki se istočasno širijo v prostoru.

Difrakcija valov je pojav, ki se kaže kot odstopanje od zakonov geometrijske optike med širjenjem valov.

Polarizacija - procesi in stanja, povezana z ločitvijo kakršnih koli predmetov, predvsem v prostoru.

V fiziki je koherentnost korelacija (konsistentnost) več nihajnih ali valovnih procesov v času, ki se pokaže ob seštevanju. Nihanja so koherentna, če je razlika med njihovimi fazami konstantna v času in ko se nihanja dodamo, dobimo nihanje enake frekvence.

Če se fazna razlika dveh nihanj spreminja zelo počasi, naj bi nihanja nekaj časa ostala koherentna. Ta čas se imenuje čas skladnosti.

Prostorska koherenca - skladnost nihanj, ki se pojavljajo hkrati na različnih točkah v ravnini, pravokotni na smer širjenja valov.

Stimulirana emisija - tvorba novega fotona med prehodom kvantnega sistema (atoma, molekule, jedra itd.) iz vzbujenega stanja v stabilno stanje (nižja energijska raven) pod vplivom inducirajočega fotona, energije kar je bilo enako razliki v nivojih energije. Ustvarjeni foton ima enako energijo, zagon, fazo in polarizacijo kot inducirajoči foton (ki se ne absorbira).

Lasersko sevanje je lahko neprekinjeno, s konstantno močjo, ali impulzno, ki dosega izjemno visoke konične moči. V nekaterih shemah se delovni element laserja uporablja kot optični ojačevalnik za sevanje iz drugega vira.

Fizična osnova za delovanje laserja je pojav stimuliranega (induciranega) sevanja. Bistvo pojava je, da je vzbujeni atom sposoben oddajati foton pod vplivom drugega fotona brez njegove absorpcije, če je energija slednjega enaka razliki energij nivojev atoma pred in po sevanje. V tem primeru je oddani foton koherenten s fotonom, ki je povzročil sevanje (je njegova "natančna kopija"). Tako se svetloba ojača. Ta pojav se razlikuje od spontane emisije, pri kateri imajo oddani fotoni naključne smeri širjenja, polarizacije in faze.

Vsi laserji so sestavljeni iz treh glavnih delov:

aktivno (delovno) okolje;

črpalni sistemi (vir energije);

optični resonator (lahko ni, če laser deluje v načinu ojačevalnika).

Vsak od njih zagotavlja delovanje laserja za opravljanje svojih posebnih funkcij.

Geometrijska optika. Fenomen popolne notranje refleksije. Mejni kot popolnega odboja. Potek žarkov. optičnih vlaken.

Geometrijska optika je veja optike, ki preučuje zakonitosti širjenja svetlobe v prozornih medijih in principe konstruiranja slik med prehajanjem svetlobe v optičnih sistemih brez upoštevanja njenih valovnih lastnosti.

Celoten notranji odboj je notranji odboj, če vpadni kot presega kritični kot. V tem primeru se vpadni val popolnoma odbije, vrednost odbojnega koeficienta pa presega svoje najvišje vrednosti za polirane površine. Odbojni koeficient za celoten notranji odboj ni odvisen od valovne dolžine.

Mejni kot popolnega notranjega odboja

Vpadni kot, pri katerem začne lomljeni žarek drseti vzdolž vmesnika med dvema medijema, ne da bi prešel v optično gostejši medij

Pot žarkov v ogledalih, prizmah in lečah

Svetlobni žarki iz točkovnega vira se širijo v vse smeri. V optičnih sistemih, ki se upognejo nazaj in se odbijajo od vmesnika med mediji, se lahko nekateri žarki na neki točki spet sekajo. Točka se imenuje točkovna slika. Ko se žarek odbije od zrcala, je izpolnjen zakon: "odbit žarek vedno leži v isti ravnini kot vpadni žarek in normala na odbijajočo se površino, ki poteka skozi vpadno točko in vpadni kot, odštevan od ta normala je enaka kotu odbijanja."

Optična vlakna - ta izraz pomeni

veja optike, ki proučuje fizikalne pojave, ki se pojavljajo in pojavljajo v optičnih vlaknih, oz

izdelki precizne inženirske industrije, ki vključujejo komponente na osnovi optičnih vlaken.

Naprave z optičnimi vlakni vključujejo laserje, ojačevalnike, multiplekserje, demultiplekserje in številne druge. Optične komponente vključujejo izolatorje, ogledala, konektorje, cepilnike itd. Osnova naprave z optičnimi vlakni je njeno optično vezje - niz komponent iz optičnih vlaken, povezanih v določenem zaporedju. Optična vezja so lahko zaprta ali odprta, s povratnimi informacijami ali brez njih.

Pri določenem vpadnem kotu svetlobe $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, ki se imenuje omejevalni kot, je lomni kot enak $\frac(\pi )(2),\ $v tem primeru lomljeni žarek drsi vzdolž vmesnika med medijem, zato lomljenega žarka ni. Potem lahko iz zakona o lomu zapišemo, da:

Slika 1.

V primeru popolnega odboja je enačba:

nima rešitve v območju realnih vrednosti lomnega kota ($(\alpha)_(pr)$). V tem primeru je $cos((\alpha )_(pr))$ čisto namišljen. Če se obrnemo na Fresnelove formule, jih je priročno predstaviti v obliki:

kjer je vpadni kot označen z $\alpha $ (za kratkost), $n$ je lomni količnik medija, kjer se svetloba širi.

Opomba 1

Treba je opozoriti, da nehomogeni val v drugem mediju ne izgine. Torej, če je $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ ni primera. Ker Fresnelove formule veljajo za monokromatsko polje, torej za ustaljeni proces. V tem primeru zakon o ohranjanju energije zahteva, da je povprečna sprememba energije v obdobju v drugem mediju enaka nič. Val in ustrezen del energije prodreta skozi vmesnik v drugi medij do plitve globine reda valovne dolžine in se v njem premikata vzporedno z vmesnikom s fazno hitrostjo, ki je manjša od fazne hitrosti valovanja v drugi medij. Vrne se v prvo okolje na točki, ki je odmaknjena od vstopne točke.

V poskusu je mogoče opaziti prodor vala v drugi medij. Intenzivnost svetlobnega vala v drugem mediju je opazna le na razdaljah, manjših od valovne dolžine. V bližini vmesnika, na katerega pade svetlobni val, ki doživi popolno refleksijo, na strani drugega medija lahko vidimo sij tanke plasti, če je v drugem mediju fluorescentna snov.

Popolna refleksija povzroči privide, ko je zemeljska površina pri visoki temperaturi. Torej celoten odboj svetlobe, ki prihaja iz oblakov, vodi do vtisa, da so na površini segretega asfalta luže.

Pri normalni refleksiji sta razmerja $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ in $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ vedno realna . Ob popolni refleksiji so zapleteni. To pomeni, da v tem primeru faza vala preskoči, medtem ko je drugačna od nič ali $\pi $. Če je val polariziran pravokotno na vpadno ravnino, lahko zapišemo:

kjer je $(\delta )_(\bot )$ želeni fazni skok. Če izenačimo resnični in namišljeni del, imamo:

Iz izrazov (5) dobimo:

V skladu s tem lahko za val, ki je polariziran v vpadni ravnini, dobimo:

Fazni skoki $(\delta )_(//)$ in $(\delta )_(\bot )$ niso enaki. Odbit val bo eliptično polariziran.

Uporaba popolne refleksije

Predpostavimo, da sta dva enaka medija ločena s tanko zračno režo. Svetlobni val pade nanj pod kotom, ki je večji od meje. Lahko se zgodi, da bo kot nehomogen val prodrl v zračno režo. Če je debelina reže majhna, bo ta val dosegel drugo mejo snovi in ne bo zelo oslabljen. Ko preide iz zračne reže v snov, se val spet spremeni v homogeno. Takšen poskus je izvedel Newton. Znanstvenik je na hipotenuzno ploskev pravokotne prizme pritisnil drugo prizmo, ki je bila polirana. V tem primeru je svetloba prešla v drugo prizmo ne samo tam, kjer se dotikajo, ampak tudi v majhnem obroču okoli stika, na mestu, kjer je debelina reže primerljiva z dolgo valovno dolžino. Če so bila opazovanja opravljena v beli svetlobi, je imel rob obroča rdečkasto barvo. Tako mora biti, saj je globina prodiranja sorazmerna z valovno dolžino (pri rdečih žarkih je večja kot pri modrih). S spreminjanjem debeline reže je mogoče spremeniti jakost prepuščene svetlobe. Ta pojav je bil osnova lahkega telefona, ki ga je patentiral Zeiss. V tej napravi kot eden od medijev deluje prozorna membrana, ki niha pod vplivom zvoka, ki nanjo vpade. Svetloba, ki prehaja skozi zračno režo, s spremembo jakosti zvoka sčasoma spreminja intenzivnost. Ko pride na fotocelico, ustvari izmenični tok, ki se spreminja v skladu s spremembo jakosti zvoka. Nastali tok se ojača in uporablja naprej.

Pojavi prodiranja valov skozi tanke reže niso značilni za optiko. To je možno za val katere koli narave, če je fazna hitrost v reži višja od fazne hitrosti v okolju. Ta pojav je zelo pomemben v jedrski in atomski fiziki.

Pojav popolnega notranjega odboja se uporablja za spreminjanje smeri širjenja svetlobe. V ta namen se uporabljajo prizme.

Primer 1

vaja: Navedite primer pojava popolne refleksije, ki se pogosto srečuje.

Odločitev:

Lahko navedemo tak primer. Če je avtocesta zelo vroča, je temperatura zraka največja v bližini asfaltne površine in pada z naraščajočo oddaljenostjo od ceste. To pomeni, da je lomni količnik zraka na površini minimalen in narašča z naraščajočo razdaljo. Zaradi tega se žarki, ki imajo majhen kot glede na površino avtoceste, popolnoma odbijejo. Če svojo pozornost usmerite med vožnjo z avtomobilom na primeren odsek avtoceste, lahko opazite, da gre precej daleč naprej avtomobil na glavo.

Primer 2

vaja: Kolikšen je Brewsterjev kot za snop svetlobe, ki pade na površino kristala, če je mejni kot popolnega odboja za ta žarek na vmesniku zrak-kristal 400?