Điều gì xác định góc phản xạ toàn phần. Sự phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng: mô tả, điều kiện và định luật

Chúng tôi đã chỉ ra trong § 81 rằng khi ánh sáng rơi vào mặt phân cách giữa hai môi trường, năng lượng ánh sáng được chia thành hai phần: một phần bị phản xạ, phần kia xuyên qua mặt phân cách vào môi trường thứ hai. Sử dụng ví dụ về sự chuyển đổi ánh sáng từ không khí sang thủy tinh, tức là từ môi trường quang học ít đặc hơn sang môi trường quang học đậm đặc hơn, chúng ta thấy rằng phần năng lượng phản xạ phụ thuộc vào góc tới. Trong trường hợp này, phần năng lượng phản xạ tăng mạnh khi góc tới tăng; tuy nhiên, ngay cả ở góc tới rất lớn, gần, khi chùm sáng gần như trượt dọc theo mặt phân cách, thì một phần năng lượng ánh sáng vẫn truyền vào môi trường thứ hai (xem §81, Bảng 4 và 5).

Một hiện tượng mới thú vị nảy sinh nếu ánh sáng truyền trong một môi trường rơi vào mặt phân cách giữa môi trường này và một môi trường quang học kém đặc hơn, tức là có chiết suất tuyệt đối thấp hơn. Ở đây, phần năng lượng phản xạ cũng tăng khi tăng góc tới, nhưng sự gia tăng tuân theo một quy luật khác: bắt đầu từ một góc tới nhất định, tất cả năng lượng ánh sáng sẽ bị phản xạ khỏi mặt phân cách. Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần bên trong.

Hãy xem xét lại, như trong §81, tỷ lệ ánh sáng tại mặt phân cách thủy tinh và không khí. Cho chùm sáng rơi từ thủy tinh vào mặt phân cách theo các góc tới khác nhau (Hình. 186). Nếu chúng ta đo phần năng lượng ánh sáng phản xạ và phần năng lượng ánh sáng truyền qua mặt phân cách, thì các giá trị cho trong bảng sẽ thu được. 7 (thủy tinh, như trong Bảng 4, có chiết suất).

Lúa gạo. 186. Phản xạ toàn phần bên trong: độ dày của tia tương ứng với phần năng lượng ánh sáng phóng ra hoặc truyền qua mặt phân cách của tia sáng.

Góc tới mà tất cả năng lượng ánh sáng bị phản xạ khỏi mặt phân cách được gọi là góc giới hạn của phản xạ toàn phần bên trong. Kính mà bảng được biên dịch. 7 (), góc giới hạn là xấp xỉ.

Bảng 7. Các phần của năng lượng phản xạ đối với các góc tới khác nhau trong quá trình truyền ánh sáng từ thủy tinh sang không khí

Lưu ý rằng khi ánh sáng tới mặt phân cách ở một góc giới hạn, góc khúc xạ bằng, nghĩa là trong công thức biểu thị định luật khúc xạ cho trường hợp này,

khi chúng ta phải đặt hoặc. Từ đây chúng tôi tìm thấy

Ở góc tới, tia khúc xạ lớn không tồn tại. Về mặt hình thức, điều này xuất phát từ thực tế là tại các góc tới lớn hơn theo định luật khúc xạ, thu được các giá trị lớn hơn sự thống nhất, điều này rõ ràng là không thể.

Bàn 8 chỉ ra các góc giới hạn của phản xạ toàn phần bên trong đối với một số chất, chiết suất của chúng được cho trong bảng. 6. Dễ dàng xác minh tính hợp lệ của quan hệ (84.1).

Bảng 8. Góc giới hạn của phản xạ toàn phần bên trong tại ranh giới với không khí

Phản xạ toàn phần bên trong có thể được quan sát thấy ở biên giới của các bọt khí trong nước. Chúng tỏa sáng vì ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng hoàn toàn bị phản xạ lại, không lọt vào bong bóng. Điều này đặc biệt dễ nhận thấy ở những bong bóng khí luôn được tìm thấy trên thân và lá của các loài thực vật dưới nước và dưới ánh nắng mặt trời dường như được làm bằng bạc, tức là từ một vật liệu phản xạ ánh sáng rất tốt.

Phản xạ toàn phần bên trong được sử dụng trong thiết bị của lăng kính quay và đảo chiều bằng thủy tinh, hoạt động của nó là rõ ràng trong Hình. 187. Góc giới hạn đối với lăng kính phụ thuộc vào chiết suất của một loại thuỷ tinh cho trước; do đó, việc sử dụng các lăng kính như vậy không gặp khó khăn đối với việc lựa chọn các góc đi vào và đi ra của các tia sáng. Lăng kính quay thực hiện thành công các chức năng của gương và có ưu điểm là đặc tính phản xạ của chúng không thay đổi, trong khi gương kim loại;: mờ dần theo thời gian do quá trình oxy hóa kim loại. Cần lưu ý rằng lăng kính quay đơn giản hơn về cấu tạo của hệ gương quay tương đương. Đặc biệt, lăng kính quay được sử dụng trong kính tiềm vọng.

Lúa gạo. 187. Đường truyền của tia trong lăng kính quay thủy tinh (a), lăng kính quay (b) và trong ống nhựa cong - một sợi quang (c)

Quang học hình học- một nhánh của vật lý, trong đó các định luật truyền ánh sáng được xem xét trên cơ sở khái niệm tia sáng (đường pháp tuyến đối với mặt sóng mà dòng năng lượng ánh sáng truyền theo).

Sự phản chiếu đầy đủ của ánh sáng

Phản xạ hoàn toàn ánh sáng là hiện tượng một tia tới trên mặt phân cách giữa hai môi trường bị phản xạ lại hoàn toàn mà không xuyên vào môi trường thứ hai.

Phản xạ toàn phần ánh sáng xảy ra ở góc tới của ánh sáng trên mặt phân cách giữa các phương tiện vượt quá góc giới hạn của phản xạ toàn phần khi ánh sáng truyền từ môi trường quang học đậm đặc hơn sang môi trường quang học ít đặc hơn.

Hiện tượng phản xạ hoàn toàn ánh sáng trong cuộc sống của chúng ta.

Hiện tượng này được sử dụng trong sợi quang học. Ánh sáng đi vào một ống trong suốt về mặt quang học ở một góc nhất định và nhiều lần phản xạ từ các bức tường của nó từ bên trong đi ra qua đầu kia của nó (Hình 5). Đây là cách tín hiệu được truyền đi.

Khi ánh sáng truyền từ môi trường quang học ít đặc hơn sang môi trường dày đặc hơn, ví dụ, từ không khí sang thủy tinh hoặc nước,  1>  2; và theo định luật khúc xạ (1.4), chiết suất là n> 1, do đó >  (Hình 10, a): tia khúc xạ tiến tới phương vuông góc với mặt phân cách giữa phương tiện truyền thông.

Nếu bạn hướng chùm ánh sáng theo hướng ngược lại - từ môi trường quang học đậm đặc hơn đến môi trường quang học kém đặc hơn dọc theo chùm khúc xạ trước đây (Hình 10, b), thì định luật khúc xạ sẽ được viết như sau:

Sau khi rời khỏi môi trường quang học dày đặc hơn, chùm tia khúc xạ sẽ đi theo đường của chùm tia tới trước đó, do đó  < , т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла  góc khúc xạ  lớn dần, luôn lớn hơn góc  ... Cuối cùng, tại một góc tới nhất định, giá trị của góc khúc xạ sẽ tiến tới 90 và chùm khúc xạ sẽ đi gần như dọc theo mặt phân cách giữa phương tiện truyền thông (Hình 11). Góc khúc xạ lớn nhất có thể  = 90 ứng với góc tới  0 .

Hãy cố gắng tìm hiểu xem điều gì sẽ xảy ra khi  > 0 ... Khi ánh sáng rơi vào biên giới của hai phương tiện, chùm sáng, như đã đề cập, bị khúc xạ một phần và phản xạ một phần khỏi nó. Tại  > 0 khúc xạ ánh sáng là không thể. Điều này có nghĩa là tia phải được phản xạ hoàn toàn. Hiện tượng này được gọi là sự phản chiếu đầy đủ của ánh sáng.

Một nửa hình trụ bằng thủy tinh có bề mặt sau mờ có thể được sử dụng để quan sát phản xạ toàn phần. Nửa hình trụ được cố định trên đĩa sao cho phần giữa mặt phẳng của nửa hình trụ trùng với tâm của đĩa (Hình 12). Một chùm ánh sáng hẹp từ đèn chiếu sáng được hướng từ bên dưới đến bề mặt bên của hình bán trụ vuông góc với bề mặt của nó. Chùm sáng không bị khúc xạ trên bề mặt này. Trên mặt phẳng, chùm tia bị khúc xạ một phần và phản xạ một phần. Phản xạ xảy ra theo quy luật phản xạ, và khúc xạ - tuân theo quy luật khúc xạ

Nếu bạn tăng góc tới, bạn sẽ nhận thấy rằng độ sáng (và do đó năng lượng) của chùm phản xạ tăng lên, trong khi độ sáng (năng lượng) của chùm khúc xạ giảm. Năng lượng của chùm khúc xạ giảm đặc biệt nhanh khi góc khúc xạ tiến tới 90. Cuối cùng, khi góc tới trở nên sao cho chùm khúc xạ truyền dọc theo mặt phân cách (xem Hình 11), thì phần năng lượng phản xạ gần như là 100%. Xoay đèn chiếu sáng bằng cách tạo một góc tới  to lớn  0 ... Chúng ta sẽ thấy rằng chùm khúc xạ đã biến mất và tất cả ánh sáng bị phản xạ khỏi mặt phân cách, tức là có sự phản xạ hoàn toàn ánh sáng.

Hình 13 cho thấy một chùm tia từ một nguồn được đặt trong nước gần bề mặt của nó. Cường độ ánh sáng lớn hơn được biểu thị bằng một đường dày hơn biểu thị tia tương ứng.

Góc tới  0 ứng với góc khúc xạ 90 được gọi là góc giới hạn của phản xạ toàn phần. Tại sin = 1 công thức (1.8) có dạng

Từ đẳng thức này, giá trị của góc giới hạn của phản xạ toàn phần có thể được tìm thấy  0 . Đối với nước (n = 1,33) thì góc này là 4835 ", đối với thủy tinh (n = 1,5) thì giá trị này là 4151" và đối với kim cương (n = 2,42) thì góc này là 2440 ". In tất cả các trường hợp, môi trường thứ hai là không khí.

Hiện tượng phản xạ toàn phần rất dễ quan sát từ kinh nghiệm đơn giản. Đổ nước vào ly và nâng cao hơn tầm mắt một chút. Bề mặt của nước, khi nhìn từ bên dưới qua bức tường, có vẻ sáng bóng, như thể được phủ bạc do sự phản xạ hoàn toàn của ánh sáng.

Phản xạ đầy đủ được sử dụng trong cái gọi là sợi quang họcđể truyền ánh sáng và hình ảnh qua chùm sợi dẻo trong suốt - chất dẫn sáng. Chất dẫn sáng là một sợi thủy tinh hình trụ được bao phủ bởi một lớp phủ làm bằng vật liệu trong suốt có chiết suất thấp hơn chiết suất của sợi quang. Do nhiều phản xạ toàn phần, ánh sáng có thể được hướng theo bất kỳ đường nào (thẳng hoặc cong) (Hình 14).

Sợi được thu thập thành từng bó. Trong trường hợp này, một số yếu tố hình ảnh được truyền dọc theo mỗi sợi (Hình 15). Ví dụ, kéo sợi được sử dụng trong y học để kiểm tra các cơ quan nội tạng.

Với sự cải tiến của công nghệ sản xuất chùm sợi dài - dẫn ánh sáng, thông tin liên lạc (bao gồm cả truyền hình) với sự trợ giúp của chùm ánh sáng ngày càng được sử dụng nhiều hơn.

Sự phản xạ toàn phần của ánh sáng cho thấy những khả năng phong phú nào để giải thích các hiện tượng truyền ánh sáng nằm trong định luật khúc xạ. Ban đầu, sự phản ánh đầy đủ chỉ là một hiện tượng gây tò mò. Giờ đây, nó đang dần dẫn đến một cuộc cách mạng về cách thức truyền tải. thông tin.

Sợi quang học

phần quang học, trong đó xem xét sự truyền ánh sáng và hình ảnh qua sợi quang học và ống dẫn sóng quang học. phạm vi, đặc biệt là đối với sợi quang đa lõi và chùm sợi linh hoạt. V. về. có nguồn gốc từ những năm 50. Thế kỷ 20

Trong sợi quang các bộ phận, tín hiệu ánh sáng được truyền từ bề mặt này (đầu sợi quang) sang bề mặt khác (đầu ra) như một bộ

Truyền hình ảnh theo yếu tố thông qua phần sợi quang: 1 - hình ảnh được đưa đến đầu vào; 2 - lõi dẫn sáng; 3 - lớp cách điện; 4 là hình ảnh khảm được truyền tới đầu ra.

các phần tử hình ảnh, mỗi phần tử được truyền qua mạch dẫn ánh sáng của chính nó (Hình.). Trong các bộ phận sợi, người ta thường dùng sợi thủy tinh, mạch dẫn ánh sáng của nó (lõi) được bao bọc bởi một lớp vỏ thủy tinh làm bằng thủy tinh khác có chiết suất thấp hơn. Kết quả là, tại mặt phân cách giữa lõi và lớp phủ, các tia tới ở các góc thích hợp trải qua toàn bộ bên trong. phản xạ và lan truyền theo mạch dẫn ánh sáng. Mặc dù có nhiều phản xạ như vậy, nhưng sự mất mát trong các sợi là do Ch. arr. sự hấp thụ ánh sáng trong khối lượng của lõi thủy tinh. Trong sản xuất các thanh dẫn ánh sáng từ vật liệu tinh khiết cao, có thể giảm sự suy giảm của tín hiệu ánh sáng xuống một số. hàng chục và thậm chí đơn vị dB / km. Đường kính của các đường dẫn ánh sáng trong các chi tiết bị phân hủy. các cuộc hẹn nằm trong khoảng từ vài micrômét đến vài mm. Sự truyền ánh sáng dọc theo sợi quang có đường kính lớn so với bước sóng xảy ra theo quy luật quang học hình học; trên các sợi mỏng hơn (theo thứ tự của bước sóng) chỉ có các phần lan truyền. các loại sóng hoặc sự kết hợp của chúng, được xem xét trong khuôn khổ của quang học sóng.

Để chuyển hình ảnh cho V. về. Các thanh dẫn ánh sáng đa lõi cứng và các bó với vị trí sợi quang thường xuyên được sử dụng. Chất lượng truyền hình ảnh được xác định bởi đường kính của các đường vân dẫn ánh sáng, tổng số lượng của chúng và độ hoàn thiện trong quá trình sản xuất. Bất kỳ khiếm khuyết nào trong các đường dẫn ánh sáng sẽ làm hỏng hình ảnh. Thông thường, độ phân giải của các bó sợi là 10-50 dòng / mm và trong các sợi đa lõi cứng và các bộ phận được thiêu kết từ chúng - lên đến 100 dòng / mm.

Hình ảnh ở đầu vào của gói được chiếu bằng thấu kính. Đầu ra được xem qua thị kính. Để tăng hoặc giảm hợp lệ. hình ảnh được sử dụng cáo - các bó sợi có đường kính tăng hoặc giảm nhịp nhàng. Chúng tập trung quang thông rơi vào đầu rộng ở đầu hẹp lối ra. Đồng thời, độ chiếu sáng và độ nghiêng của tia sáng ở lối ra tăng lên. Có thể tăng nồng độ năng lượng ánh sáng cho đến khi khẩu độ số của hình nón chùm ở đầu ra đạt đến khẩu độ số của sợi quang (giá trị thông thường của nó là 0,4-1). Điều này giới hạn tỷ lệ giữa bán kính vào và ra của tiêu điểm, thực tế không vượt quá năm. Các tấm cắt từ sợi thiêu kết dày đặc cũng trở nên phổ biến. Chúng đóng vai trò như kính phía trước của ống hình ảnh và truyền hình ảnh ra bên ngoài. bề mặt, cho phép bạn chụp ảnh nó tiếp xúc. Trong trường hợp này, cái chính đến với bộ phim. một phần ánh sáng do phốt pho phát ra và độ chiếu sáng trên đó lớn hơn mười lần so với khi chụp bằng máy ảnh có ống kính.

Hướng dẫn ánh sáng và sợi quang khác các bộ phận được sử dụng trong kỹ thuật, y học, và trong nhiều ngành nghiên cứu khoa học khác. Sợi quang đơn lõi thẳng hoặc uốn trước cứng và bó sợi quang, dia. 15-50 micron được sử dụng trong các thiết bị y tế để chiếu sáng trong nhà. các khoang của mũi họng, dạ dày, phế quản, vv Trong các thiết bị đó, ánh sáng từ điện. Đèn được thu thập bởi một tụ điện ở đầu vào của sợi hoặc bó và được đưa qua nó vào khoang được chiếu sáng. Sử dụng garô bằng sợi thủy tinh thường (ống nội soi mềm) cho phép bạn nhìn thấy hình ảnh của các thành bên trong. sâu răng, chẩn đoán bệnh và sử dụng các dụng cụ linh hoạt để thực hiện các bác sĩ phẫu thuật đơn giản nhất. hoạt động mà không cần mở khoang. Các đường dẫn ánh sáng với sự xen kẽ nhất định được sử dụng trong quay phim tốc độ cao để ghi lại các dấu vết độc. ch-c, vì các bộ chuyển đổi quét trong ảnh điện báo và truyền hình sẽ đo. công nghệ, như bộ chuyển đổi mã và như các thiết bị mã hóa. Các sợi hoạt động (laser) hoạt động giống như một lượng tử đã được tạo ra. bộ khuếch đại và lượng tử. máy phát điện nhẹ được thiết kế cho máy tính tốc độ cao. máy móc và thực thi các chức năng logic. phần tử, ô nhớ, vv Đặc biệt là sợi quang học mỏng trong suốt với sự suy giảm ở một số. dB / km được sử dụng làm cáp cho liên lạc điện thoại và truyền hình cả trong một vật thể (tòa nhà, tàu, v.v.) và ở khoảng cách hàng chục km từ nó. Truyền thông cáp quang được phân biệt bởi khả năng chống nhiễu, trọng lượng đường truyền thấp, giúp tiết kiệm đồng đắt tiền và cung cấp khả năng cách ly về điện. dây chuyền.

Các bộ phận sợi được làm từ vật liệu siêu tinh khiết. Một tấm dẫn sáng và một sợi quang được rút ra từ sự nung chảy của các loại thủy tinh phù hợp. Một công cụ quang học mới được đề xuất. vật liệu - sợi pha lê phát triển từ tan chảy. Ánh sáng dẫn đường trong một sợi pha lê yavl. râu, và lớp xen kẽ - các chất phụ gia được đưa vào nấu chảy.

Đo khúc xạ. Giải thích cụ thể diễn biến của thí nghiệm xác định chiết suất của chất lỏng trong suốt bằng khúc xạ kế.
38. Đo khúc xạ(từ tiếng Latinh khúc xạ - khúc xạ và tiếng Hy Lạp metreo - tôi đo) là một phương pháp nghiên cứu các chất, dựa trên việc xác định chiết suất (chiết suất) và một số chức năng của nó. . Phép đo khúc xạ (phương pháp đo khúc xạ) được sử dụng để xác định các hợp chất hóa học, phân tích định lượng và cấu trúc, xác định các thông số vật lý và hóa học của các chất.
Chỉ số khúc xạ n, là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong phương tiện liền kề. Đối với chất lỏng và chất rắn n thường được xác định so với không khí, và đối với chất khí - so với chân không. Giá trị n phụ thuộc vào bước sóng l của ánh sáng và nhiệt độ, tương ứng được chỉ ra trong các chỉ số dưới và chỉ số trên. Ví dụ, chiết suất ở 20 ° С đối với vạch D của quang phổ natri (l = 589 nm) là n D 20. Các vạch của quang phổ hydro C (l = 656 nm) và F (l = 486 nm) cũng thường được sử dụng. Trong trường hợp chất khí, cũng cần tính đến sự phụ thuộc của n vào áp suất (cho biết nó hoặc giảm số liệu về áp suất thường).

Trong các hệ thống lý tưởng (được tạo thành mà không làm thay đổi thể tích và độ phân cực của các thành phần), sự phụ thuộc của chiết suất vào thành phần là gần tuyến tính nếu thành phần được biểu thị bằng phần thể tích (phần trăm)

n = n 1 V 1 + n 2 V 2,

ở đâu n, n 1, n 2- chiết suất của hỗn hợp và các thành phần,
V 1 và V 2- phần thể tích của các thành phần ( V 1+V 2 = 1).

Đối với phép đo khúc xạ của các dung dịch có nhiều nồng độ, bảng hoặc công thức thực nghiệm được sử dụng, trong đó quan trọng nhất (đối với dung dịch sacaroza, etanol, v.v.) được các hiệp định quốc tế chấp thuận và làm cơ sở cho việc xây dựng thang đo khúc xạ kế chuyên dụng để phân tích. của các sản phẩm công nghiệp và nông nghiệp.

Sự phụ thuộc của chiết suất của dung dịch nước của một số chất vào nồng độ:

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiết suất được xác định bởi hai yếu tố: sự thay đổi số lượng hạt chất lỏng trên một đơn vị thể tích và sự phụ thuộc của độ phân cực của các phân tử vào nhiệt độ. Yếu tố thứ hai chỉ trở nên có ý nghĩa khi nhiệt độ thay đổi rất lớn.
Hệ số nhiệt độ của chiết suất tỷ lệ với hệ số nhiệt độ của mật độ. Vì tất cả các chất lỏng nở ra khi nóng lên, chiết suất của chúng giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng, nhưng trong khoảng nhiệt độ nhỏ có thể coi là không đổi.
Đối với phần lớn chất lỏng, hệ số nhiệt độ nằm trong một phạm vi hẹp từ –0,0004 đến –0,0006 1 / độ. Các trường hợp ngoại lệ quan trọng là nước và dung dịch nước loãng (–0,0001), glycerin (–0,0002), glycol (–0,00026).
Cho phép ngoại suy tuyến tính chiết suất đối với các chênh lệch nhiệt độ nhỏ (10 - 20 ° C). Việc xác định chính xác chiết suất trong các khoảng nhiệt độ rộng được thực hiện bằng cách sử dụng các công thức thực nghiệm có dạng: n t = n 0 + at + bt 2 + ...
Áp suất ảnh hưởng đến chiết suất của chất lỏng ít hơn nhiều so với nhiệt độ. Khi áp suất thay đổi 1 atm. sự thay đổi của n là 1,48 × 10 -5 đối với nước, 3,95 × 10 -5 đối với rượu, 4,8 × 10 -5 đối với benzen. Tức là, sự thay đổi nhiệt độ 1 ° C ảnh hưởng đến chiết suất của chất lỏng giống như sự thay đổi áp suất 10 atm.

Thông thường n chất lỏng và chất rắn được xác định bằng phép đo khúc xạ với độ chính xác 0,0001 trên mỗi khúc xạ kế, trong đó các góc giới hạn của phản xạ toàn phần bên trong được đo. Phổ biến nhất là khúc xạ kế Abbe với đơn vị lăng trụ và bộ bù tán sắc, giúp xác định được NSở ánh sáng "trắng" trên thang đo hoặc chỉ số kỹ thuật số. Độ chính xác tuyệt đối tối đa của các phép đo tuyệt đối (10 -10) đạt được trên các thiết bị đo góc bằng cách sử dụng phương pháp làm lệch tia của lăng kính từ vật liệu đang nghiên cứu. Để đo lường n khí là những phương pháp gây nhiễu thuận tiện nhất. Giao thoa kế cũng được sử dụng để xác định chính xác (lên đến 10 -7) sự khác biệt n các giải pháp. Máy đo khúc xạ vi sai dựa trên độ lệch của chùm tia bởi một hệ thống hai hoặc ba lăng kính rỗng phục vụ cùng một mục đích.
Khúc xạ kế tự động để ghi liên tục n trong các dòng chất lỏng, chúng được sử dụng trong sản xuất để kiểm soát các quá trình công nghệ và kiểm soát tự động của chúng, cũng như trong các phòng thí nghiệm để kiểm soát quá trình chỉnh lưu và như các máy dò phổ dụng của máy sắc ký lỏng.

Khi sóng lan truyền trong một môi trường, bao gồm cả sóng điện từ, để tìm một mặt sóng mới bất kỳ lúc nào, hãy sử dụng Nguyên lý Huygens.

Mỗi điểm của mặt trước sóng là một nguồn của sóng thứ cấp.

Trong môi trường đẳng hướng đồng chất, mặt sóng của sóng thứ cấp có dạng mặt cầu bán kính v × Dt, trong đó v là vận tốc truyền sóng trong môi trường. Tiến hành bao gồm các mặt trước sóng của các sóng thứ cấp, chúng ta thu được một mặt sóng mới tại một thời điểm nhất định (Hình 7.1, a, b).

Luật phản ánh

Sử dụng nguyên lý Huygens, người ta có thể chứng minh quy luật phản xạ của sóng điện từ tại mặt phân cách giữa hai chất điện môi.

Góc tới bằng góc phản xạ. Tia tới và tia phản xạ cùng phương vuông góc với mặt phân cách giữa hai điện cực nằm trong cùng một mặt phẳng. L a = l b. (7,1)

Cho một sóng ánh sáng phẳng (tia 1 và tia 2, hình 7.2) rơi trên mặt phẳng ranh giới SD của mặt phân cách giữa hai phương tiện truyền thông. Góc a giữa tia ló và phương vuông góc với SD được gọi là góc tới. Nếu tại một thời điểm nhất định tại thời điểm phía trước của sóng tới OB đạt tới m. 0, thì theo nguyên lý Huygens, điểm này

Lúa gạo. 7.2

bắt đầu phát ra sóng thứ cấp. Trong thời gian Dt = VO 1 / v, tia tới 2 tới điểm O 1. Trong cùng một thời gian, mặt trước của sóng thứ cấp, sau phản xạ tại điểm O, truyền trong cùng một môi trường, đến các điểm của bán cầu có bán kính OA = v Dt = BO 1. Mặt trước của sóng mới được mô tả bởi mặt phẳng AO 1, và hướng truyền của tia OA. Góc b được gọi là góc phản xạ. Từ đẳng thức các tam giác OAO 1 và OBO 1 tuân theo quy luật phản xạ: góc tới bằng góc phản xạ.

Luật khúc xạ

Môi trường đồng nhất về mặt quang học 1 được đặc trưng bởi , (7.2)

Tỷ lệ n 2 / n 1 = n 21 (7,4)

được gọi là

(7.5)

Đối với chân không n = 1.

Do sự tán sắc (tần số ánh sáng n »10 14 Hz), ví dụ, đối với nước n = 1,33, chứ không phải n = 9 (e = 81), như sau từ điện động lực học đối với tần số thấp. Nếu tốc độ truyền của ánh sáng trong môi trường thứ nhất là v 1 và trong môi trường thứ hai - v 2,

Lúa gạo. 7.3

thì trong thời gian Dt sóng phẳng đi được quãng đường AO 1 trong môi trường đầu tiên AO 1 = v 1 Dt. Mặt trước của sóng thứ cấp, được kích thích trong môi trường thứ hai (theo nguyên lý Huygens), tới các điểm của bán cầu, bán kính của nó là ОВ = v 2 Dt. Mặt trước mới của sóng truyền trong môi trường thứ hai được mô tả bởi mặt phẳng BO 1 (Hình 7.3), và hướng truyền của nó được biểu diễn bởi các tia OB và O 1 C (vuông góc với mặt trước của sóng). Góc b giữa tia OB và pháp tuyến đến mặt phân cách giữa hai điện môi tại điểm O gọi là góc khúc xạ. Từ các tam giác OO 1 và OVO 1 suy ra rằng OO 1 = OO 1 sin a, OB = OO 1 sin b.

Thái độ và biểu hiện của họ luật khúc xạ(pháp luật Snell):

. (7.6)

Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng chiết suất tỉ đối của hai môi trường.

Tổng phản ánh nội bộ

Lúa gạo. 7.4

Theo định luật khúc xạ, tại mặt phân cách giữa hai môi trường, người ta có thể quan sát được tổng phản ánh nội bộ nếu n 1> n 2, nghĩa là, lb> Pa (Hình 7.4). Do đó, có góc tới giới hạn là Ða pr, khi Ðb = 90 0. Khi đó định luật khúc xạ (7.6) có dạng như sau:

sin a pr =, (sin 90 0 = 1) (7.7)

Với việc tăng thêm góc tới Pa> Pa, ánh sáng trực tiếp bị phản xạ hoàn toàn khỏi mặt phân cách giữa hai phương tiện.

Hiện tượng này được gọi là tổng phản ánh nội bộ và được sử dụng rộng rãi trong quang học, ví dụ, để thay đổi hướng của tia sáng (Hình 7. 5, a, b).

Được sử dụng trong kính thiên văn, ống nhòm, sợi quang và các dụng cụ quang học khác.

Trong các quá trình sóng cổ điển, chẳng hạn như hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong của sóng điện từ, các hiện tượng tương tự như hiệu ứng đường hầm trong cơ học lượng tử được quan sát, nó gắn liền với các tính chất sóng hạt của các hạt.

Thật vậy, khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác, người ta quan sát thấy hiện tượng khúc xạ ánh sáng, liên quan đến sự thay đổi tốc độ truyền của nó trong các phương tiện khác nhau. Tại mặt phân cách giữa hai phương tiện truyền thông, chùm sáng được chia thành hai: khúc xạ và phản xạ.

Một tia sáng rơi vuông góc vào mặt 1 của lăng kính thuỷ tinh cân hình chữ nhật và không có khúc xạ, rơi vào mặt 2 thì quan sát được phản xạ toàn phần bên trong, vì góc tới (Pa = 45 0) của tia trên mặt 2 lớn hơn so với góc giới hạn của phản xạ toàn phần bên trong (đối với kính n 2 = 1,5; Pa pr = 42 0).

Nếu cùng một lăng kính được đặt cách mặt 2 một khoảng H ~ l / 2 thì chùm sáng sẽ đi qua mặt 2 * và thoát ra khỏi lăng kính qua mặt 1 * song song với chùm tia tới trên mặt 1. Cường độ J của Quang thông truyền qua giảm theo hàm số mũ khi tăng khoảng h giữa các lăng kính theo quy luật:

,

trong đó w là xác suất nào đó của tia đi vào môi trường thứ hai; d - hệ số phụ thuộc vào chiết suất của chất; l là bước sóng của ánh sáng tới

Do đó, sự xâm nhập của ánh sáng vào vùng "cấm" là một phép tương tự quang học của hiệu ứng đường hầm lượng tử.

Hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong thực sự là hoàn toàn, vì trong trường hợp này, tất cả năng lượng của ánh sáng tới bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai phương tiện so với khi bị phản xạ, ví dụ, từ bề mặt của gương kim loại. Sử dụng hiện tượng này, một mặt người ta có thể theo dõi sự tương tự khác giữa khúc xạ và phản xạ ánh sáng, mặt khác là bức xạ Vavilov-Cherenkov.

GIỚI THIỆU SÓNG

7.2.1. Vai trò của vectơ và

Trong thực tế, trong môi trường thực, một số sóng có thể truyền đồng thời. Kết quả của việc bổ sung các sóng, một số hiện tượng thú vị được quan sát thấy: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ và khúc xạ của sóng Vân vân.

Các hiện tượng sóng này không chỉ là đặc trưng của sóng cơ mà còn là đặc trưng của điện, từ, ánh sáng,… Tính chất của sóng cũng được biểu hiện bởi tất cả các hạt cơ bản, điều này đã được chứng minh bằng cơ học lượng tử.

Một trong những hiện tượng sóng thú vị nhất quan sát được khi hai hay nhiều sóng truyền trong một môi trường được gọi là giao thoa. Môi trường đồng nhất về mặt quang học 1 được đặc trưng bởi chiết suất tuyệt đối , (7.8)

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không; v 1 - tốc độ ánh sáng trong môi trường đầu tiên.

Phương tiện 2 được đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ tuyệt đối

trong đó v 2 là tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai.

Tỷ lệ (7.10)

được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường thứ hai so với môi trường thứ nhất.Đối với các chất điện môi trong suốt, với m = 1, sử dụng lý thuyết của Maxwell, hoặc

trong đó e 1, e 2 - hằng số điện môi của môi trường thứ nhất và thứ hai.

Đối với chân không n = 1. Do sự tán sắc (tần số ánh sáng n »10 14 Hz), ví dụ, đối với nước n = 1,33, và không n = 9 (e = 81), như sau từ điện động lực học đối với tần số thấp. Ánh sáng là sóng điện từ. Do đó, trường điện từ được xác định bởi các vectơ và đặc trưng cho cường độ của điện trường và từ trường tương ứng. Tuy nhiên, trong nhiều quá trình tương tác của ánh sáng với vật chất, chẳng hạn như tác động của ánh sáng lên cơ quan thị giác, tế bào quang điện và các thiết bị khác, vai trò quyết định thuộc về vectơ, mà trong quang học gọi là vectơ ánh sáng.

Sự lan truyền của sóng điện từ trong các phương tiện truyền thông khác nhau tuân theo quy luật phản xạ và khúc xạ. Từ những định luật này, trong những điều kiện nhất định, một hiệu ứng thú vị xảy ra sau đó, mà trong vật lý học gọi là sự phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn hiệu ứng này là gì.

Phản xạ và khúc xạ

Trước khi tiến hành trực tiếp đến việc xem xét phản xạ toàn phần bên trong của ánh sáng, cần phải giải thích các quá trình phản xạ và khúc xạ.

Phản xạ được hiểu là sự thay đổi hướng chuyển động của chùm sáng trong cùng một môi trường khi nó gặp mặt phân cách bất kỳ. Ví dụ, nếu bạn hướng từ con trỏ laser vào gương, bạn có thể quan sát hiệu ứng được mô tả.

Sự khúc xạ, giống như sự phản xạ, là sự thay đổi hướng chuyển động của ánh sáng, nhưng không phải trong môi trường thứ nhất mà là trong môi trường thứ hai. Kết quả của hiện tượng này sẽ là sự biến dạng đường viền của các vật thể và sự sắp xếp không gian của chúng. Một ví dụ phổ biến về hiện tượng khúc xạ là khi bút chì hoặc bút bị vỡ nếu đặt chúng vào cốc nước.

Khúc xạ và phản xạ có quan hệ với nhau. Chúng hầu như luôn luôn có mặt cùng nhau: một phần năng lượng của tia bị phản xạ, và phần khác bị khúc xạ.

Cả hai hiện tượng đều là kết quả của việc áp dụng nguyên lý Fermat. Anh ta tuyên bố rằng ánh sáng di chuyển dọc theo quỹ đạo như vậy giữa hai điểm, điều này sẽ khiến anh ta mất ít thời gian nhất.

Vì phản xạ là một hiệu ứng xảy ra trong một môi trường và khúc xạ là trong hai môi trường, điều quan trọng đối với phương tiện sau là cả hai phương tiện này đều trong suốt đối với sóng điện từ.

Khái niệm chỉ số khúc xạ

Chiết suất là một đại lượng quan trọng để mô tả toán học của các hiện tượng đang xét. Chiết suất của một môi trường cụ thể được xác định như sau:

Trong đó c và v lần lượt là tốc độ ánh sáng trong chân không và vật chất. Đại lượng v luôn nhỏ hơn c nên số mũ n sẽ lớn hơn một. Hệ số không thứ nguyên n cho biết ánh sáng trong một chất (môi trường) sẽ trễ hơn ánh sáng trong chân không bao nhiêu. Sự khác biệt về các tốc độ này dẫn đến sự xuất hiện của hiện tượng khúc xạ.

Tốc độ ánh sáng trong vật chất tương quan với mật độ của vật chất sau. Môi trường càng đặc, ánh sáng càng khó di chuyển trong nó. Ví dụ, đối với không khí n = 1.00029, tức là, gần giống như đối với chân không, đối với nước, n = 1.333.

Phản xạ, khúc xạ và định luật của chúng

Các bề mặt rực rỡ của một viên kim cương là một ví dụ điển hình về kết quả của phản xạ toàn phần. Chiết suất của một viên kim cương là 2,43, vì vậy nhiều tia sáng chiếu vào một viên đá quý sẽ trải qua nhiều lần phản xạ toàn phần trước khi rời khỏi nó.

Bài toán xác định góc tới hạn θc đối với kim cương

Hãy xem xét một bài toán đơn giản, nơi chúng tôi chỉ ra cách sử dụng các công thức đã cho. Cần phải tính xem góc tới hạn của phản xạ toàn phần sẽ thay đổi bao nhiêu nếu một viên kim cương từ không khí được đặt trong nước.

Sau khi xem xét các giá trị chiết suất của phương tiện được chỉ định trong bảng, chúng tôi viết chúng ra:

• đối với không khí: n 1 = 1,00029;
• đối với nước: n 2 = 1,333;
• đối với kim cương: n 3 = 2,43.

Góc tới hạn của cặp kim cương-không khí là:

θ c1 = arcsin (n 1 / n 3) = arcsin (1,00029 / 2,43) ≈ 24,31 o.

Như bạn có thể thấy, góc tới hạn đối với cặp phương tiện này là khá nhỏ, tức là chỉ những tia có thể đi ra khỏi viên kim cương vào không khí, sẽ gần với bình thường hơn 24,31 o.

Đối với trường hợp của một viên kim cương trong nước, chúng ta nhận được:

θ c2 = arcsin (n 2 / n 3) = arcsin (1,333 / 2,43) ≈ 33,27 o.

Sự gia tăng trong góc tới hạn là:

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o.

Sự gia tăng một chút về góc tới hạn đối với sự phản xạ toàn phần của ánh sáng trong kim cương dẫn đến thực tế là nó tỏa sáng trong nước gần giống như trong không khí.

Hãy bắt đầu với một chút tưởng tượng. Hãy tưởng tượng vào một ngày hè nóng nực trước Công nguyên, một người nguyên thủy đi săn cá với sự trợ giúp của một nhà tù. Nhận thấy vị trí, mục tiêu và các cuộc tấn công của cô ấy vì một lý do nào đó không phải ở nơi mà con cá có thể nhìn thấy. Bỏ lỡ? Không, người đánh cá có con mồi trong tay! Vấn đề là tổ tiên của chúng ta đã hiểu một cách trực giác chủ đề mà chúng ta sẽ nghiên cứu bây giờ. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thấy cái thìa nhúng vào cốc nước bị cong khi nhìn qua lọ thủy tinh - vật có vẻ cong. Chúng ta sẽ xem xét tất cả các câu hỏi này trong bài học, chủ đề là: “Sự khúc xạ ánh sáng. Định luật khúc xạ ánh sáng. Phản ánh nội bộ đầy đủ. "

Trong các bài học trước, chúng ta đã nói về số phận của một tia sáng trong hai trường hợp: điều gì sẽ xảy ra nếu một tia sáng truyền trong một môi trường đồng nhất trong suốt? Câu trả lời đúng là nó sẽ lan truyền theo đường thẳng. Và điều gì sẽ xảy ra khi một tia sáng rơi vào mặt phân cách giữa hai phương tiện truyền thông? Trong bài trước chúng ta đã nói về chùm tia phản xạ, hôm nay chúng ta sẽ xem xét phần chùm sáng bị môi trường hấp thụ.

Số phận của tia xuyên từ môi trường quang học thứ nhất trong suốt vào môi trường quang học thứ hai sẽ ra sao?

Lúa gạo. 1. Sự khúc xạ ánh sáng

Nếu chùm tia rơi vào mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, thì một phần năng lượng ánh sáng quay trở lại môi trường thứ nhất, tạo ra chùm phản xạ, và phần kia truyền vào trong môi trường thứ hai và theo quy luật, sẽ thay đổi hướng của nó.

Sự thay đổi hướng truyền của ánh sáng trong trường hợp ánh sáng đi qua mặt phân cách giữa hai phương tiện được gọi là khúc xạ ánh sáng(hình 1).

Lúa gạo. 2. Góc tới, khúc xạ và phản xạ

Trên hình 2, ta thấy một tia tới, góc tới sẽ ký hiệu là α. Tia sẽ xác định phương của chùm tia khúc xạ sẽ được gọi là tia khúc xạ. Góc giữa vuông góc với mặt phân cách giữa phương tiện truyền thông, được dựng lại từ điểm tới và tia khúc xạ được gọi là góc khúc xạ, trong hình vẽ là góc γ. Để đầy đủ, chúng tôi cũng đưa ra hình ảnh của tia hiển thị và theo đó, góc phản xạ β. Mối liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ là gì, có thể dự đoán, biết được góc tới và từ môi trường truyền chùm tia vào thì góc khúc xạ sẽ như thế nào? Hóa ra là bạn có thể!

Chúng ta hãy thu được một định luật mô tả một cách định lượng mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ. Chúng ta sẽ sử dụng nguyên lý Huygens, nguyên lý này điều chỉnh sự truyền của sóng trong môi trường. Luật có hai phần.

Tia tới, tia khúc xạ và phương vuông góc với điểm tới nằm trong cùng một mặt phẳng.

Tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai phương tiện đã cho và bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong các phương tiện này.

Định luật này được gọi là Định luật Snell, theo tên một nhà khoa học Hà Lan, người đầu tiên xây dựng nó. Lý do của sự khúc xạ là sự khác biệt về tốc độ ánh sáng trong các phương tiện truyền thông khác nhau. Có thể xác minh tính đúng đắn của định luật khúc xạ bằng cách thực nghiệm hướng chùm ánh sáng ở các góc khác nhau tới mặt phân cách giữa hai phương tiện và đo góc tới và góc khúc xạ. Nếu chúng ta thay đổi các góc này, đo các sin và tìm tỷ số các sin của các góc này, chúng ta sẽ chắc chắn rằng định luật khúc xạ thực sự đúng.

Chứng minh định luật khúc xạ sử dụng nguyên lý Huygens là một xác nhận khác về bản chất sóng của ánh sáng.

Chiết suất tỉ đối n 21 cho biết tốc độ ánh sáng V 1 trong môi trường thứ nhất khác tốc độ ánh sáng V 2 trong môi trường thứ hai bao nhiêu lần.

Chiết suất tỉ đối là một minh chứng rõ ràng cho thực tế là lý do của sự thay đổi hướng của ánh sáng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác là tốc độ ánh sáng khác nhau trong hai môi trường. Thông thường, để mô tả các tính chất quang học của môi trường, khái niệm "mật độ quang học của môi trường" được sử dụng (Hình 3).

Lúa gạo. 3. Mật độ quang của môi trường (α> γ)

Nếu một tia truyền từ môi trường có tốc độ ánh sáng lớn hơn sang môi trường có tốc độ ánh sáng thấp hơn, thì theo hình 3 và định luật khúc xạ ánh sáng, tia này sẽ bị ép ngược lại với phương vuông góc, nghĩa là , góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Trong trường hợp này, chùm tia được cho là đã truyền từ môi trường quang học ít đặc hơn sang môi trường quang học dày đặc hơn. Ví dụ: từ không khí sang nước; từ nước sang thủy tinh.

Tình huống ngược lại cũng có thể xảy ra: tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai (Hình 4).

Lúa gạo. 4. Mật độ quang của môi trường (α< γ)

Khi đó góc khúc xạ sẽ lớn hơn góc tới, và sự chuyển đổi như vậy sẽ được thực hiện từ môi trường có mật độ quang học hơn sang môi trường có mật độ quang học kém hơn (từ thủy tinh sang nước).

Mật độ quang học của hai phương tiện có thể khác nhau khá nhiều, do đó, tình huống hiển thị trong ảnh có thể xảy ra (Hình 5):

Lúa gạo. 5. Sự khác biệt về mật độ quang học của phương tiện

Chú ý cách dịch chuyển của đầu so với cơ thể ở trong chất lỏng, trong môi trường có mật độ quang học cao hơn.

Tuy nhiên, chiết suất tỉ đối không phải lúc nào cũng là một đặc tính thuận tiện cho công việc, vì nó phụ thuộc vào tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất và thứ hai, nhưng có thể có rất nhiều sự kết hợp và kết hợp giữa hai môi trường (nước - không khí, thủy tinh). - kim cương, glycerin - rượu, thủy tinh - nước, v.v.). Các bảng sẽ rất cồng kềnh, bất tiện khi làm việc, và sau đó một môi trường tuyệt đối được đưa ra, so sánh với tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác. Chân không được chọn là tuyệt đối, và tốc độ ánh sáng được so sánh với tốc độ ánh sáng trong chân không.

Chiết suất tuyệt đối của môi trường n là đại lượng đặc trưng cho mật độ quang của môi trường và bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng. VỚI trong chân không với tốc độ ánh sáng trong một môi trường nhất định.

Chiết suất tuyệt đối thuận tiện hơn cho công việc, vì chúng ta luôn biết tốc độ ánh sáng trong chân không, nó bằng 3 · 10 8 m / s và là một hằng số vật lý phổ quát.

Chiết suất tuyệt đối phụ thuộc vào các thông số bên ngoài: nhiệt độ, mật độ, và cả bước sóng ánh sáng, do đó các bảng thường chỉ ra chiết suất trung bình cho một dải bước sóng nhất định. Nếu chúng ta so sánh chiết suất của không khí, nước và thủy tinh (Hình 6), chúng ta thấy rằng chiết suất của không khí gần bằng nhau, vì vậy chúng ta sẽ lấy nó làm đơn vị khi giải toán.

Lúa gạo. 6. Bảng chiết suất tuyệt đối cho các môi trường khác nhau

Không khó để có được mối quan hệ giữa chiết suất tuyệt đối và tương đối của phương tiện truyền thông.

Chiết suất tỉ đối, nghĩa là đối với tia đi từ môi trường một đến môi trường hai, bằng tỉ số giữa chiết suất tuyệt đối trong môi trường thứ hai với chiết suất tuyệt đối trong môi trường thứ nhất.

Ví dụ: = ≈ 1,16

Nếu chiết suất tuyệt đối của hai môi trường thực tế là như nhau, điều này có nghĩa là chiết suất tương đối khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác sẽ bằng thống nhất, nghĩa là chùm ánh sáng sẽ không thực sự bị khúc xạ. Ví dụ, khi truyền từ tinh dầu hồi sang đá quý beryl, ánh sáng thực tế không bị lệch, nghĩa là, nó sẽ hoạt động như thể dầu hồi đi qua, vì chiết suất của chúng tương ứng là 1,56 và 1,57, vậy một viên đá quý có thể như thế nào. để ẩn nó trong một chất lỏng, nó chỉ đơn giản là sẽ không thể nhìn thấy được.

Nếu chúng ta đổ nước vào một cốc thủy tinh trong suốt và nhìn xuyên qua bức tường thủy tinh vào ánh sáng, thì chúng ta sẽ thấy bề mặt ánh bạc do hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong, điều này sẽ được thảo luận. Một hiệu ứng thú vị có thể được quan sát thấy khi một chùm ánh sáng truyền từ môi trường quang học dày đặc hơn sang môi trường quang học ít đặc hơn. Để xác định rõ ràng, chúng ta sẽ giả định rằng ánh sáng truyền từ nước sang không khí. Giả sử ở sâu trong bể chứa có một nguồn sáng điểm S, phát ra các tia theo mọi phương. Ví dụ, một thợ lặn chiếu sáng bằng đèn pin.

Tia SO 1 rơi xuống mặt nước một góc nhỏ nhất, tia này bị khúc xạ một phần - tia О 1 А 1 và phản xạ một phần trở lại mặt nước - tia О 1 В 1. Như vậy, một phần năng lượng của chùm tia tới được chuyển cho chùm khúc xạ, và phần năng lượng còn lại được chuyển cho chùm tia phản xạ.

Lúa gạo. 7. Tổng phản xạ nội bộ

Chùm sáng SO 2 có góc tới lớn hơn cũng được chia thành hai chùm: khúc xạ và chùm phản xạ, nhưng năng lượng của chùm ban đầu phân bố giữa chúng theo một cách khác: chùm khúc xạ O 2 A 2 sẽ mờ hơn. chùm tia O 1 A 1, nghĩa là nó sẽ nhận một phần năng lượng nhỏ hơn, và chùm phản xạ O 2 B 2, theo đó, sẽ sáng hơn tia O 1 B 1, nghĩa là nó sẽ nhận một phần lớn hơn chia sẻ năng lượng. Khi góc tới tăng lên, có thể tìm thấy cùng một dạng - một tỷ trọng ngày càng tăng của năng lượng của chùm tia tới đối với chùm phản xạ và một tỷ lệ ngày càng nhỏ đối với chùm khúc xạ. Tia khúc xạ trở nên mờ hơn và đến một lúc nào đó thì biến mất hoàn toàn, sự biến mất này xảy ra khi có góc tới tương ứng với góc khúc xạ là 90 0. Trong tình huống này, tia khúc xạ OA sẽ phải đi song song với mặt nước, nhưng không có gì để đi - tất cả năng lượng của tia tới SO chuyển hoàn toàn cho tia phản xạ OB. Đương nhiên, khi góc tới tăng hơn nữa, tia khúc xạ sẽ không có. Hiện tượng được mô tả là hiện tượng phản xạ bên trong toàn bộ, tức là môi trường quang học dày đặc hơn ở các góc được xem xét không tự phát ra các tia từ chính nó, tất cả chúng đều bị phản xạ bên trong nó. Góc mà hiện tượng này xảy ra được gọi là góc giới hạn của phản xạ toàn phần bên trong.

Giá trị của góc giới hạn dễ dàng tìm thấy từ định luật khúc xạ:

= => = arcsin, đối với nước ≈ 49 0

Ứng dụng thú vị và phổ biến nhất của hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong là cái gọi là ống dẫn sóng, hay sợi quang. Đây chính xác là phương thức báo hiệu được các công ty viễn thông hiện đại sử dụng trên Internet.

Chúng tôi có định luật khúc xạ ánh sáng, đưa ra một khái niệm mới - chiết suất tương đối và tuyệt đối, đồng thời cũng tìm ra hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong và các ứng dụng của nó, chẳng hạn như sợi quang. Bạn có thể củng cố kiến ​​thức của mình bằng cách xem các bài kiểm tra và mô phỏng liên quan trong phần bài học.

Hãy lấy một chứng minh về định luật khúc xạ ánh sáng bằng cách sử dụng nguyên lý Huygens. Điều quan trọng là phải hiểu rằng lý do khúc xạ là sự khác biệt về tốc độ ánh sáng trong hai môi trường khác nhau. Hãy xác định tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất V 1 và trong môi trường thứ hai - V 2 (Hình 8).

Lúa gạo. 8. Chứng minh định luật khúc xạ ánh sáng

Ví dụ, cho một sóng ánh sáng máy bay rơi trên một mặt phẳng giữa hai môi trường, từ không khí vào nước. Mặt sóng của AC vuông góc với tia và mặt phân cách giữa phương tiện MN truyền tới tia đầu tiên và tia sẽ tới cùng mặt đó sau một khoảng thời gian ∆t, giá trị này sẽ bằng đường SW chia cho tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ nhất.

Do đó, tại thời điểm sóng thứ cấp tại điểm B mới bắt đầu bị kích thích thì sóng từ điểm A đã có dạng bán cầu bán kính AD, tốc độ ánh sáng trong môi trường thứ hai bằng ∆t: AD = ∆t, nghĩa là, nguyên tắc Huygens trong hành động trực quan ... Bề mặt sóng của sóng khúc xạ có thể thu được bằng cách vẽ một bề mặt tiếp tuyến với tất cả các sóng thứ cấp trong môi trường thứ hai, các tâm của chúng nằm ở mặt phân cách giữa phương tiện truyền thông, trong trường hợp này nó là mặt phẳng BD, là đường bao của các sóng thứ cấp. Góc tới α của chùm tia bằng góc CAB trong tam giác ABC, cạnh của một trong hai góc này vuông góc với cạnh kia. Do đó, SV sẽ bằng tốc độ ánh sáng trong môi trường đầu tiên tại ∆t

CB = ∆t = AB sin α

Ngược lại, góc khúc xạ sẽ bằng góc ABD trong tam giác ABD, do đó:

AD = ∆t = AB sin γ

Chia các biểu thức theo số hạng, chúng ta nhận được:

n là hằng số không phụ thuộc vào góc tới.

Ta đã nhận được định luật khúc xạ ánh sáng, sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một giá trị không đổi đối với hai môi trường này và bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong hai môi trường.

Một bình hình khối có vách mờ nằm ​​sao cho mắt người quan sát không nhìn thấy đáy mà hoàn toàn nhìn thấy thành bình CD. Phải đổ nước vào bình bằng bao nhiêu để người quan sát có thể nhìn thấy vật F nằm cách góc D một khoảng b = 10 cm? Gân của bình là α = 40 cm (Hình 9).

Điều gì là rất quan trọng trong việc giải quyết vấn đề này? Đoán rằng mắt bình không nhìn thấy đáy bình mà nhìn thấy điểm cực viễn của thành bên, bình là hình lập phương thì góc tới của tia ló trên mặt nước khi ta đổ , sẽ bằng 45 0.

Lúa gạo. 9. Nhiệm vụ của kỳ thi

Tia rơi tới điểm F tức là ta có thể nhìn rõ vật và đường chấm màu đen chỉ đường đi của tia nếu không có nước, tức là tới điểm D. Từ tam giác NFK kẻ tiếp tuyến của góc. β, tiếp tuyến của góc khúc xạ, là tỷ số của chân đối diện với chân kề hoặc dựa vào hình vẽ, h trừ b chia cho h.

tg β = =, h là chiều cao của chất lỏng mà ta đã rót;

Hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong cường độ cao nhất được sử dụng trong hệ thống cáp quang.

Lúa gạo. 10. Sợi quang học

Nếu hướng một chùm sáng tới đầu cuối của một ống thuỷ tinh đặc thì sau nhiều lần phản xạ toàn phần bên trong, chùm sáng sẽ thoát ra khỏi mặt đối diện của ống. Thì ra ống thuỷ tinh là vật dẫn sóng ánh sáng hay ống dẫn sóng. Điều này sẽ xảy ra bất kể ống thẳng hay cong (Hình 10). Các sợi đầu tiên, đây là tên thứ hai của ống dẫn sóng, được sử dụng để chiếu sáng những nơi khó tiếp cận (trong nghiên cứu y học, khi ánh sáng được chiếu vào một đầu của sợi và đầu kia chiếu sáng nơi mong muốn). Ứng dụng chính là y học, phát hiện lỗ hổng của động cơ, tuy nhiên, các ống dẫn sóng như vậy được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống truyền tải thông tin. Tần số sóng mang khi tín hiệu được truyền bằng sóng ánh sáng cao hơn một triệu lần tần số của tín hiệu vô tuyến, có nghĩa là lượng thông tin mà chúng ta có thể truyền bằng sóng ánh sáng lớn hơn hàng triệu lần. truyền bằng sóng vô tuyến. Đây là một cơ hội tuyệt vời để truyền tải lượng thông tin khổng lồ một cách đơn giản và không tốn kém. Thông thường, thông tin trên cáp quang được truyền bằng bức xạ laser. Sợi quang không thể thiếu để truyền tín hiệu máy tính nhanh chóng và chất lượng cao có chứa một lượng lớn thông tin được truyền. Và tất cả những điều này đều dựa trên một hiện tượng đơn giản và phổ biến như hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

Thư mục

1. Tikhomirova S.A., Yavorskiy B.M. Vật lý (mức cơ bản) - M .: Mnemosina, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Vật lý lớp 10. - M .: Mnemosina, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Vật lý - 9, Matxcova, Giáo dục, 1990.

1. Edu.glavsprav.ru ().
2. Nvtc.ee ().
3. Raal100.narod.ru ().
4. Optika.ucoz.ru ().

Bài tập về nhà

1. Đưa ra định nghĩa về hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
2. Nguyên nhân gây ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì?
3. Một số ứng dụng phổ biến nhất cho phản xạ toàn phần bên trong là gì?