26 Отражение и преломление света

Урок №2/52
Тема №26: «Световые явления на границе раздела двух прозрачных
сред. Законы отражения. Преломление света и законы преломления.
Полное внутреннее отражение света. Прохождение света через
плоскопараллельную пластинку и трёхгранную призму.»
1 Зачёт по теме «Электромагнитные колебания и волны.» (в
приложении)
2 Законы отражения.
Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с
поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух
сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду,
из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела
сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением
случаев полного внутреннего отражения).
В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации.
В геологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн.
Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение
наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для
видимого света. Отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет
важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже
жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на
малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В
медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов
используется при проведении УЗИ-диагностики.
Закон отражения света — устанавливает изменение направления
хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной)
поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с
нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит
угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее
точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает
точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим
образом:
Зеркальное и диффузное отражение.
В зависимости от свойств границы раздела между двумя средами отражение
может иметь различный характер. Если граница имеет вид поверхности,
размеры неровностей которой меньше длины световой волны, то она
называется зеркальной.
Лучи света, падающие на такую поверхность узким параллельным пучком,
идут после отражения также по близким направлениям. Такое направленное
отражение называют зеркальным.
Если же размеры неровностей больше длины волны света, то узкий пучок
рассеивается на границе. После отражения лучи света идут по всевозможным
направлениям. Такое отражение называют рассеянным или диффузным.
Именно благодаря диффузному отражению света мы можем видеть
предметы, которые сами не излучают свет. В малой степени рассеяние света
имеет место при его отражении даже от самой гладкой поверхности,
например, от обычного зеркала. Иначе мы не могли бы увидеть поверхность
зеркала.
Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также
перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке
падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол
отражения γ равен углу падения α.
Построение Изображений в Плоском Зеркале
Для построения изображения точки в плоском зеркале достаточно выбрать
два произвольных луча.
При точке O1 строим угол а равный углу а (по закону отражения света), а при
точке О2 строим угол b`, равный углу b. Продолжим отраженные лучи до их
пересечения. Глаз видит изображение светящейся точки в том месте, где
пересекаются лучи, попавшие в поле зрения (рис. 87).
В плоском зеркале имеет место пересечение продолжения лучей, т. е. мнимое
пересечение. В этом случае глаз видит изображение, которое называется
мнимым.
Точка S1 и будет изображением точки S. Это изображение мнимое, так как
пересекаются не сами лучи, а их продолжения (световая энергия в эту точку
не поступает).
На рис. 88 показано построение изображения предмета АВ в плоском
зеркале. Изображение в плоском зеркале мнимое, прямое, в натуральную
величину, симметричное относительно зеркала.
3 Преломление света и законы преломления.
Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также
перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке
падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к
синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:
𝐬𝐢𝐧𝛂
𝒔𝒊𝒏𝜸
=𝒏
(71)
Закон преломления был экспериментально установлен голландским
ученым В. Снеллиусом в 1621 г.
Постоянную величину n называют относительным показателем
преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления
среды относительно вакуума называют абсолютным показателем
преломления.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их
абсолютных показателей преломления:
n = n2/n1
(72)
Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике.
Согласно волновым представлениям, преломление является следствием
изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в
другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение
скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их
распространения во второй среде υ2:
n = v2/v1
(73)
Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в
вакууме к скорости света υ в среде:
n = c/v
(74)
Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.
Рисунок 3.1.1.
Законы отражения и
преломления: γ = α;n1 sin α = n2 sin β.
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют
оптически менее плотной.
4 Полное внутреннее отражение света.
При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее
плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать
явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это
явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый
критический угол αпр, который называется предельным углом полного
внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).
Для угла падения α = αпр sin β = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1.
Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в
виде
sin αпр = 1 / n,
где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.
Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол
равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) αпр = 48,7°.
Рисунок 3.1.2.
Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный
источник света
Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих
оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным
применением является созданиеволоконных световодов, которые
представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров)
произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло,
кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по
нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от
боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление,
занимающееся разработкой и применением оптических световодов,
называется волоконной оптикой.
Рисунок 3.1.3.
Распространение света в
волоконном световоде. При
сильном изгибе волокна
закон полного внутреннего
отражения нарушается, и свет
частично выходит из волокна
через боковую поверхность
5 Прохождение света через плоскопараллельную пластинку и
трёхгранную призму.
Большое практическое значение имеет прохождение света через прозрачные
тела различной формы. Рассмотрим наиболее простые случаи. Направим луч
света сквозь толстую плоскопараллельную пластинку (пластинку,
ограниченную параллельными гранями). Проходя через пластинку, луч света
преломляется дважды: один раз при входе в пластинку, второй раз при
выходе из пластинки в воздух.
Прошедший через пластинку луч света остаётся параллельным своему
первоначальному направлению и только немного смещается. Это смещение
тем больше, чем толще пластинка и чем больше угол падения. Величина
смещения зависит и от того, из какого вещества изготовлена пластинка.
Примером плоскопараллельной пластинки служит оконное стекло. Но
рассматривая предметы через стекло, мы не замечаем изменений в их
расположении и форме потому, что стекло тонкое; лучи света, проходя
оконное стекло, смещаются незначительно. Если рассматривать какой-либо
предмет через призму, то предмет кажетсясмещённым. Идущий от предмета
луч света падает на призму в точке А, преломляется и идёт внутри призмы по
направленшо АВ Дойдя до второй грани призмы. луч света ещё раз
преломляется, отклоняясь к основанию призмы. Поэтому кажется, что луч
идет из точки. расположенной на продолжении луча ВС, то есть предмет
кажется смещённым к вершине угла, образованного преломляющими
гранями призмы.
Рис. 5. Преломление луча: а - на границе воздухстекло; б - в плоскопараллельной пластинке
Рис. 6. Ход луча в
призме
6 Задачи на закрепление изученной темы.
1 Пучок параллельных лучей распространяется в горизонтальном
направлении (вправо) в плоскости чертежа. Как необходимо расположить
плоское зеркало, чтобы после отражения от него пучок шёл вертикально
вверх?
2 Найдите скорость распространения света в алмазе, абсолютный показатель
преломления которого 2,42.
3 Луч света падает из воздуха в воду под углом 600. Найдите угол между
отражённым и преломлённым лучами. Показатель преломления воды = 1,33.