лабораторная работа 6

Министерство образования Республики Беларусь
МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ
Методические указания к лабораторной работе №6
для студентов всех специальностей
дневной формы обучения
Могилев 2000
2
УДК 532.516
Рассмотрены и утверждены
на заседании кафедры физики
протокол N 10 от 25.05.2000
Рекомендованы к печати
Учебно-методическим Советом
института
протокол N 4 от 12.12.2000
Составитель
Рецензент
асс. Е.М. Басс
доктор техн.наук П.А.Скиба
Могилевский государственный технологический институт
3
Лабораторная работа N6
ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
В основе геометрической оптики лежат два закона - закон отражения и
закон преломления света, первоначально установленные опытным путем.
Волновая теория объясняет их исходя из принципа Гюйгенса, применяемого к
волнам с неограниченными фронтами. Если отражение происходит от кривых
поверхностей, то законы геометрической оптики применяются к бесконечно
малым участкам поверхности.
При отражении света на границах раздела двух сред всегда имеет место
неполное отражение, т.к. какое-то количество света проходит в среду, от
границы с которой и происходит отражение. Закон отражения света:
отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью,
восстановленной в точке падения. Угол отражения равен углу падения.
Если среда слабо поглощает, то частично прошедший свет
распространяется в ней на большие расстояния. В случае поглощающей среды
проникающий в нее свет быстро поглощается, а его энергия обычно переходит
во внутреннюю энергию среды.
Рассмотрим явление преломления
света на границе раздела двух сред
(см. рисунок 1). При прохождении
'
через границу луч света испытывает
скачкообразное
изменение
направления распространения. Это
явление называется преломлением
света.
Когда в среде имеет место
градиент показателя преломления,
наблюдается явление рефракции, т.е.
плавного изменения направления
Рисунок 1 - Прохождение луча через
распространения света.
границу раздела двух сред
Математически
закон
преломления записывается в виде:
sin
(1)
n 21
sin
Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и
нормалью, восстановленной в точке падения. Отношение синуса угла падения к
синусу угла преломления есть величина постоянная для данного вещества.
4
Величина n21 называется относительным показателем преломления второй
среды относительно первой. Показатель преломления вещества по отношению
к вакууму называется абсолютным показателем преломления или просто
показателем преломления данного вещества. Вещество с большим показателем
преломления называется оптически более плотным. Относительный показатель
преломления двух веществ n21 связан простым соотношением с их
абсолютными показателями n1 и n2
n2
(2)
n 21
n1
Рассмотрим прохождение света через вещество с показателем
преломления n2 (см.рис.2).
Для границы раздела 1-2
закон
преломления
1
описывается выражением (1).
Для границы раздела 2-1 этот
закон принимает форму:
2
sin
(3)
n
21
'
sin
Отсюда
вытекает
закон
обратимости световых лучей:
1
если
навстречу
лучу,
претерпевшему
ряд
отражений и преломлений,
направить другой луч, то он
Рисунок 2 - Прохождение света через вещества пройдет по тому же пути, что
и первый (прямой) луч, но в
с показателями преломления n1 и n2
обратном направлении.
Из закона преломления
(1) следует, что в случае падения луча из среды оптически более плотной в
среду оптически менее плотную (n1>n2), угол преломления
больше угла
падения . Увеличение угла падения приводит к увеличению угла преломления
и по достижении
некоторого значения, угол
становится равным 900
(см. рисунок 3). Этот угол падения называется предельным углом. Для этого
случая закон преломления принимает форму:
(4)
пред arcsin n 21
При углах падения, заключенных в пределах от пред до 900 свет во вторую
среду не проникает. При этом интенсивность падающего луча равна
интенсивности отраженного. Такое явление называется полным внутренним
отражением.
5
1
пре д
2
Рисунок 3 - Ход лучей в случае наблюдения явления
полного отражения
Строгое рассмотрение вопроса с волновой точки зрения показывает, что в
действительности волна проникает во вторую среду на глубину порядка длины
волны. Ввиду малости этого эффекта в геометрической оптике им
пренебрегают.
Явление полного отражения находит различное практическое применение.
Например, для системы стекло-воздух предельный угол составляет менее 450,
поэтому стеклянные призмы позволяют изменить ход луча, причем на рабочей
границе отражение происходит практически без потерь.
На рисунке 4 показан ход лучей в различных типах призм. Призма а)
меняет направление луча на 900, призма b) меняет направление луча на
противоположное и призма с) переворачивает изображение предмета.
а)
b)
с)
Рисунок 4 - Ход лучей в прямоугольных призмах
Явление полного внутреннего отражения находит применение в
волоконной оптике при изготовлении световодов. На рисунке 5 показан ход
6
световых лучей, претерпевших несколько раз полное внутреннее отражение
при прохождении вдоль световода.
Рисунок 5 - Ход лучей в световоде
Если ввести свет в тонкую стеклянную трубку с ее торца, то, испытывая на
стенках полное внутреннее отражение, луч будет следовать вдоль трубки даже
при сложных изгибах последней. На этом принципе и работают световоды тонкие прозрачные волокна, позволяющие проводить световой пучок по
искривленному пути. На рисунке 6 показан отрезок световода. Луч, входящий в
световод с торца под углом
B
падения , встречает поверхность
световода под углом =900- , где
- угол преломления. Чтобы при
этом возникло полное отражение,
необходимо выполнение условия:
1
A
C
sin
,
где
n – показатель
n
преломления вещества световода.
Так как треугольник АВС
является
прямоугольным,
то
Рисунок 6 - Ход луча на участке световода получаем:
1
sin
sin
cos
1 sin 2 .
n
1
n 1
n 2 1 . Полагая
Следовательно, sin
900, находим: n2 2.
2
n
Таким образом, даже при почти скользящем падении луч испытывает в
световоде полное отражение, если выполнено условие n 1.4.
В действительности световод набирается из тонких гибких волокон с
показателем преломления п1, окруженных оболочкой с показателем
7
преломления n2<n1, так что каждое волокно передает по световоду небольшой
участок изображения, получающегося на выходе световода.
Волоконная оптика стала неотъемлемой частью научно-технического
прогресса наравне с такими направлениями, как лазерная техника и
микроэлектроника. Успехи волоконной оптики стали возможны в первую
очередь благодаря разработке особо чистых технологий изготовления
волоконных световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими
потерями. Наиболее широко они используются сейчас в различных системах
оптической связи, в телефонных сетях, кабельном телевидении, бортовых
системах связи, для связи вычислительных комплексов и т.д. Широкое
применение волоконные световоды на основе кварцевого стекла находят в
различных волоконно-оптических датчиках. В них волоконный световод
используется и как чувствительный элемент внешних воздействий и как канал
для передачи оптических сигналов в систему обработки информации. К
настоящему
времени
разработаны
волоконно-оптические
датчики
температуры, магнитного и электрического полей, акустических волн,
вращения, малых линейных перемещений, уровня жидкости, разнообразные
медицинские датчики.
ХОД РАБОТЫ
1. Наполнить кювету исследуемой жидкостью (водой) до уровня на
котором расположен транспортир.
2. Поместить кювету на предметный столик.
3. Включить лазер согласно инструкции.
4. Направить луч лазера в точку, относительно которой возможно измерять
углы падения и отражения.
5. Измерить угол падения и соответствующий ему угол преломления.
Определить показатель преломления воды воспользовавшись формулой
(1).Упражнение повторить 3 раза для различных значений угла падения.
Вычислить величину среднего значения показателя преломления для воды.
6. Экспериментально определить угол падения луча, которому
соответствует угол преломления, равный 900 .Убедитесь, что при дальнейшем
увеличении угла падения преломленный луч не будет наблюдаться.
7. При помощи световода прочтите какой-либо текст помещенный в
максимально затемненном месте.
8. Проанализируйте результаты своей работы и сделайте выводы.
8
ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №6
"Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение"
Газовый лазер ЛГН-109 подключается к электрической сети переменного
тока напряжением 220 В. Поэтому при выполнении работы соблюдайте
следующие правила техники безопасности:
1. Лазер можно включать в сеть только после допуска к выполнению
работы преподавателем.
2. Включение вилки лазера в сеть производится только в специальные
гнезда электрического приборного щитка, закрепленного на лабораторном
столе.
3. Включение электрического щитка осуществляется поворотом тумблера
в положение "Вкл.", а выключение - в положение "Выкл.".
4. Если лазер не загорается, отключите его от сети и сообщите об этом
преподавателю или лаборанту. Самостоятельно устранять неисправности
категорически запрещается.
5. Не оставляйте установку во включенном состоянии без присмотра.
После завершения лабораторной работы отключите ее от электрической сети.
6. Категорически запрещается перемещать лазер со стола и направлять
лазерный луч на людей, находящихся в лаборатории.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Сформулируйте законы геометрической оптики.
2.Что называется явлением полного внутреннего отражения?
3.Нарисуйте и поясните ход лучей в световоде.
4.Где применяется явление полного внутреннего отражения?
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1998.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: ВШ, 1989.
3. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика. - М.: ВШ, 1995.
4. Наркевич И.И. и др. Физика для втузов. ч.2. - Мн.: ВШ, 1994.
5. Гольдин Л.Л. и др. Руководство к лабораторным занятиям по физике. М.: Наука, 1973.
9
ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ
Методические указания
для студентов всех
специальностей
дневной формы обучения
Составитель Басс Елена Михайловна
Редактор Щербакова Анна Аполинарьевна
Технический редактор Попова Елена Сергеевна
Подписано в печать--------------------------------------Печать офсетная. Усл.печ.л.----------------------------------------Тираж---------------экз.-------------------------Заказ----------------------------Лицензия N226 oт 12.02.1998 г.
Отпечатано на ротапринте МТИ
212027, Могилев, пр-т Шмидта,3
Формат 60х84 1/16
Уч.изд.л.---------------------Бесплатно