Преломление света
Изучить : явление преломления света; законы преломления. Познакомиться : с понятиями абсолютный и относительный показатели преломления с явлением полного внутреннего отражения
Древнегреческие ученые Аристотель, Птолемей доказали, что при переходе из менее плотной среды в более плотную световой луч отклоняется от вертикали к поверхности раздела двух сред на меньший угол, чем падающий. В XVII веке Рене Декарту удалось установить закон преломления. Лишь в 1662 году появилось строгое доказательство закона преломления, принадлежащее Пьеру Ферми.
Преломление света воздух вода Преломление – изменение направления распространения света при прохождении из одной среды в другую.
Изменение скорости света при перехода света из среды оптически менее плотной в оптически более плотную среду. преломления света воздух стекло v 1 v 2 стекло воздух v 1 v 2
АО – падающий луч ОВ – преломленный луч ОО – перпендикуляр к границе раздела двух сред α – угол падения γ – угол преломления А О В О α γ
ВВ 1 = v 1 t АА 1 = v 2 t Из ∆АВВ 1 АВ 1 = Из∆АВ 1 А 1 АВ 1 = А В 1 В А 1 β β β α α Воздух – v 1 Вода – v 2
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр, проведенный точку падения лежат в одной плоскости А О О В α β 1 2 АО лежат ОВ в одной ОО плоскости
На рисунке показано прохождение луча света через границу раздела воздух - вода На рисунке отражён принцип обратимости световых лучей.
Рассмотрим, как меняется направление светового луча при переходе из одной среды в другую ( из воздуха в воду ). V воздуха > V воды Оптически более плотная среда – это среда в которой скорость света меньше. При переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в воду) луч света меняет направление на границе этих сред. Это явление называется преломлением света. Источник света Воздух Вода Вода Воздух
Абсолютный показатель преломления среды – физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. n > 1 Вакуум. Скорость света = 300000 км/с среда n -
Что показывает 2,42 для алмаза? Сравните скорость распространения света в алмазе и сапфире. Где скорость света больше в воде или во льду? Вещество n Воздух 1,003 Лед 1,31 Вода 1,333 Стекло 1,52 Алмаз 2,42 Сапфир 1,77 Кварц 1,54 Бензин 1,5 Спирт 1,36
лед вода
На рисунке изображено преломление луча света на границе двух сред. Какая среда оптически более плотная? Почему? 1 2 1 2
Относительный показатель преломления среды – физическая величина, равная отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление Среда n 1 υ 1 Среда2 n 2 υ 2
Для среды следовательно
Постройте дальнейших ход луча
Истинное положение светила Видимое положение светила
Под каким углом должен падать луч на поверхность стекла, чтобы угол преломления оказался перпендикулярным к отраженному?
Решение φ
Задание 1. Постройте дальнейших ход луча. Задание2. Запишите закон преломления для этого случая. стекло вакуум α n n=1 γ α < γ
Вопрос. Что будет происходить с углом преломления, если увеличивать угол падения ? Вопрос. Как запишется закон преломления ? γ 1 γ 2 γ max α о γ max =90
α о преломление света во вторую среду прекращается, свет полностью отражается от границы раздела. Возникает явление полного внутреннего отражения
полное внутреннее отражение
Призма позволяет поворачивать световой пучок на 90°, поэтому ее называют поворотной. Внутри призмы наблюдается однократное внутреннее отражение от грани BC. Внутри призмы световой пучок испытывает уже двукратное полное отражение от грани AB и от грани AC. Эта призма может быть использована для разворота светового пучка на 180°, поэтому она тоже называется поворотной Лучи, падающие на грань AB параллельно основанию BC, испытывают в стекле призмы полное отражение и выходят из призмы параллельно падающим лучам. При выходе из призмы верхний падающий луч становится нижним, а нижний - верхним. Поэтому призму в этом случае называют оборотной. Полное отражение внутри призмы
Полным отражением света объясняется не только блеск («игра») бриллиантов, но и капелек росы на солнечном свете, пузырьков воздуха в воде.
Вот так выглядит солнечное Гало в Антарктиде (из-за особеннстей преломления... Самый же космос бывает там, где нас нет. Вот так выглядит солнечное Гало в Антарктиде (из-за особенностей преломления света происходит многократное отражение солнца. Интересно было бы взглянуть на людей, которые бы на небе увидели пять солнц.
Мираж
Сапфировые брекеты имеют такой же коэффициент преломления света, что и...
система передачи оптических изображений с помощью стекловолокон (световодов). Испытывая полное внутреннее отражение, световой сигнал распространяется внутри гибкого световода Используется пучок из тысяч световодов (диаметр каждого волокна от 0,002 до 0,01 мм) Использование волоконно-оптических устройств в медицине – эндоскопы (зонды, вводимые в различные внутренние органы) В настоящее время волоконная оптика вытесняет металлические проводники в системах передачи информации (с помощью светового сигнала можно передавать в 10 6 раз больше информации. чем с помощью радиосигнала) Использование полного отражения в призматических биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах, световращателях (катафотах)
Определить кажущуюся глубину водоема h, если смотреть по вертикали вниз. Истинная глубина водоема равна H. После преломления лучи идут расходящимся пучком. Вершина этого пучка – точка S 1 – мнимое изображение точки S, а расстояние SA 1 = h – кажущаяся глубина. SA = H – истинная глубина. ∠ ASB = ∠ α, ∠ AS 1 B = ∠ β, n 1 = n воды, n 2 = n воздуха По закону преломления: n 1 sin α = n 2 sin β Для малых углов: Тогда: откуда: или: Кажущаяся глубина водоема в n воды = 1,33 раз меньше истинной глубины. Построим ход лучей, вышедших из точки S на дне водоема. Наблюдение ведется по вертикали: один луч SA направим перпендикулярно поверхности воды, другой под малым углом α.
Прохождение света через плоскопараллельную пластинку
Смещение луча света после прохождения через плоскопараллельную пластинку Введем обозначения: d – толщина пластинки ( d = А D), h – смещение луча ( h = КС), l – длина преломленного луча в пластинке ( l = АК) Из Δ АКС: h = l sin( a – γ ) Из Δ АК D : l = d / cos γ n 1 n 1 n 2 Следствие : h < d – смещение луча всегда меньше толщины пластинки (доказать) Расчет смещения луча в общем случае: Из закона преломления: sin γ = sin a / n, где n = n 2 / n 1
Воздух – стекло - воздух Отклонение луча к основанию треугольной призмы (к утолщенной части призмы) Стекло - воздух - стекло Отклонение луча к вершине треугольной призмы
Прохождение света через треугольную призму φ α 1 γ 1 γ 2 α 2 φ Световой луч падает под углом α 1 на боковую грань призмы (показатель преломления n 2 ), находящуюся в среде с показателем преломления n 1. n 2 n 1 n 1 φ – преломляющий угол призмы; грани, образующие преломляющий угол, называются преломляющими. Для первой преломляющей грани закон преломления: n 1 sin α 1 = n 2 sin γ 1 - по теореме о внешнем угле треугольника α 2 = φ - γ 1 α 2 < α 0 – тогда луч света выйдет через вторую грань ( sin α 0 = n 1 / n 2 ) φ = γ 1 + α 2 Сумма углов преломления на первой грани γ 1 и падения на вторую грань α 2 равна преломляющему углу призмы φ. φ = γ 1 + α 2 А В О
Прохождение света через треугольную призму φ α 1 γ 1 γ 2 α 2 δ φ n 2 n 1 n 1 Для второй преломляющей грани закон преломления: n 2 sin α 2 = n 1 sin γ 2 δ = ( α 1 – γ 1 ) + ( γ 2 – α 2 ) - по теореме о внешнем угле Δ АВО δ = α 1 + γ 2 – ( γ 1 + α 2 ) = α 1 + γ 2 – φ - угол отклонения луча призмой равен разности между суммой угла падения на первую грань и угла преломления на второй грани ( α 1 + γ 2 ) и преломляющим углом призмы φ. δ - угол отклонения луча призмой (между направлениями входящего и выходящего лучей света. О δ = α 1 + γ 2 – φ
Минимальное отклонение луча призмой возникает в случае симметричного хода луча, т.е. угол падения на первую грань равен углу преломления на второй грани: В этом случае преломляющий угол призмы равен: Угол отклонения луча призмой равен: α 1 = γ 2 γ 1 = α 2 φ = 2 γ 1 =2 α 2 δ min = 2 α 1 - φ При минимальном отклонении луча призмой энергия света, проходящего через призму, максимальна. Поэтому оптические приборы, содержащие треугольную призму, настраиваются на минимальный угол отклонения луча.
Если угол падения α 1 на грань призмы и преломляющий угол призмы φ малы (до 12°), то малыми будут все углы: γ 1, α 2, γ 2. Поэтому синусы углов можно заменить значениями углов, выраженными в радианах. φ α 1 Тонкие призмы Закон преломления для первой грани: n 1 sin α 1 = n 2 sin γ 1, а для малых углов: n 1 α 1 ≈ n 2 γ 1 γ 1 ≈ n 1 α 1 / n 2 – угол преломления на первой грани n 1 n 1 Закон преломления для второй грани: n 2 sin α 2 = n 1 sin γ 2, а для малых углов: n 2 α 2 ≈ n 1 γ 2 α 2 ≈ n 1 γ 2 / n 2 – угол падения на вторую грань Так как: φ = γ 1 + α 2, то: n 2 γ 2 Для малых углов угол преломления на второй грани γ 2 имеет наибольшее значение, если угол падения на первую грань α 1 = 0 α 1 = 0
φ α 1 Тонкие призмы n 1 n 1 Для малых углов падения света на тонкую треугольную призму угол отклонения призмой не зависит от угла падения света на первую грань и увеличивается с увеличением показателя преломления вещества призмы. Угол отклонения луча призмой: δ = α 1 + γ 2 – φ Так как:, то: n 2 δ α 1 = 0 δ Практически применяется стеклянный клин, на который свет направляется перпендикулярно первой грани. Преломляющий угол не превышает 10°. Применяется оптическое стекло с показателем преломления от 1,6 до 1,9 (флинт)
