Як визначити падаючий та відбитий промені. Відображення світла. Закони відображення світла. Плоский дзеркало. Явище повного відображення світла

Слід зазначити, що зображення, яке ми бачимо по той бік дзеркала, створене не самими променями, а їхнім уявним продовженням. Таке зображення називається уявним.Його оком видно, але на екрані його неможливо отримати, тому що воно створене не променями, а їхнім продовженням.

При відображенні також дотримується принципу найменшого часу поширення світла. Щоб потрапити після відображення в око спостерігача, світло має прийти саме той шлях, який вказує йому закон відображення. Саме поширюючись таким шляхом, світло на свій шлях витратить найменший час з усіх можливих варіантів.

Закон заломлення світла

Як нам уже відомо, світло може поширюватися не тільки у вакуумі, але і в інших прозорих середовищах. У цьому випадку світло випробуватиме заломлення.При переході з менш щільного середовища в більш щільне, промінь світла при заломленні притискається до перпендикуляра, проведеного до точки падіння, а при переході з більш щільного середовища в менш щільне, він навпаки: відхиляється від перпендикуляра.

При цьому є два закони заломлення:

Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, проведений до точки падіння, лежать в одній площині.

2. Ставлення синусів кутів падіння та заломлення дорівнює зворотному відношенню показників заломлення:

sin a = n2

sin g n1

Представляє інтерес проходження променя світла через тригранну призму. При цьому, у будь-якому випадку, спостерігається відхилення променя після проходження через призму від початкового напрямку:

У різних прозорих тіл показник заломлення різний. У газів він дуже мало відрізняється від одиниці. З підвищенням тиску він зростає, отже, показник заломлення газів залежить від температури. Згадаймо, що якщо дивитися на віддалені предмети крізь гаряче повітря, що піднімається від багаття, то бачимо, що все, що вдалині виглядає як марева, що коливається. У рідин показник заломлення залежить як від самої рідини, а й від концентрації розчинених у ній речовин. Нижче наводиться невелика таблиця показників заломлення деяких речовин.

Повне внутрішнє віддзеркалення світла.

Волоконна оптика

Слід зазначити, що світловий промінь, поширюючись у просторі, має властивість оборотності. Це означає, яким шляхом промінь поширюється від джерела у просторі, такою ж шляху він піде назад, якщо джерело і точку спостереження поміняти місцями.

Уявімо, що промінь світла поширюється з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне. Тоді, згідно із законом заломлення, він при заломленні має вийти, відхилившись від перпендикуляра. Розглянемо промені, що походять від точкового джерела світла, що знаходиться в оптично більш щільному середовищі, наприклад, у воді.

З цього малюнка видно, перший промінь падає поверхню розділу перпендикулярно. У цьому промінь від початкового напрями не відхиляється. Часто його енергії відбивається від межі розділу та повертається на джерело. Решта його енергії виходить назовні. Інші промені частково відбиваються, частково виходять назовні. При збільшенні кута падіння зростає відповідно і кут заломлення, що відповідає закону заломлення. Але коли кут падіння набуває такого значення, що, згідно із законом заломлення, кут виходу променя має становити 90 градусів, то промінь на поверхню взагалі не вийде: усі 100% енергії променя позначаться від межі розділу. Всі інші промені, що падають на поверхню розділу під кутом, більшим, ніж цей, будуть повністю відображені від поверхні розділу. Цей кут називається граничним кутом, А явище називається повним внутрішнім відбитком.Тобто поверхня розділу в даному випадку виступає як ідеальне дзеркало. Значення граничного кута для кордону з вакуумом або повітрям можна підрахувати за такою формулою:

Sin aпр = 1/nТут n- Показник заломлення більш щільного середовища.

Явище повного внутрішнього відображення широко використовується в різних оптичних приладів. Зокрема, використовується в приладі визначення концентрації розчинених речовин у воді (рефрактометр). Там вимірюється граничний кут повного внутрішнього відображення, яким визначається показник заломлення і потім по таблиці визначають концентрацію розчинених речовин.

Особливо яскраво проявляється явище повного внутрішнього відображення у волоконній оптиці. Нижче на малюнку зображено одне скловолокно в розрізі:

Візьмемо тонке скляне волокно і в один із торців запустимо промінь світла. Оскільки волокно дуже тонке, то будь-який промінь, що увійшов до торця волокна, падатиме на нього бічну поверхнюпід кутом, що значно перевищує граничний кут і буде повністю відображено. Таким чином, промінь, що увійшов, багаторазово відображатиметься від бічної поверхні і вийде з протилежного кінця практично без втрат. Зовні це виглядатиме так, ніби протилежний торець волокна яскраво світиться. До того ж, зовсім необов'язково, щоб скловолокно було прямолінійним. Воно може згинатися як завгодно, причому ніякі вигини не вплинуть поширенню світла по волокну.

У зв'язку з цим, вченим прийшла ідея: а що, якщо взяти не одне волокно, а їхній пучок. Але при цьому треба, щоб усі волокна в джгуті знаходилися в строгому взаємному порядку і на обох сторонах джгута торці всіх волокон знаходилися в одній площині. І якщо при цьому на один торець джгута за допомогою лінзи подати зображення, кожне волокно окремо передасть на протилежний торець джгута одну маленьку частинку зображення. Всі разом волокна на протилежному торці джгута відтворять те саме зображення, що було створено лінзою. Причому зображення буде в природному світлі. Таким чином, було створено прилад, названий пізніше фіброгастроскопом. Цим приладом можна оглянути внутрішню поверхню шлунка, не роблячи оперативного втручання. Фіброгастроскопи вводять через стравохід у шлунок і оглядають внутрішню поверхню шлунка. В принципі, даним приладом можна оглянути не лише шлунок, а й інші органи зсередини. Цей прилад використовується не тільки в медицині, але і в різних областяхтехніки для огляду недоступних областей. І при цьому сам джгут може мати всілякі вигини, які при цьому не впливають на якість зображення. Єдиний недолік цього приладу – це растрова структура зображення: тобто зображення складається з окремих точок. Для того, щоб зображення було більш чітким, потрібно мати ще більше скловолокон, причому вони повинні бути ще більш тонкими. І це значно збільшує вартість приладу. Але з подальшим розвиткомтехнічних можливостей цю ​​проблему незабаром буде вирішено.

Лінза

Для початку розглянемо лінзу. Лінза – це прозоре тіло, обмежене або двома сферичними поверхнями, або сферичною поверхнею та площиною.

Розглянемо лінзи у поперечному розрізі. Лінза викривляє світловий пучок, що пройшов через неї. Якщо пучок після півходіння через лінзу буде збиратися в точку, то така лінза називається збирає.Якщо ж падає паралельний світловий пучок після проходження через лінзу буде розходитися, то така лінза називається розсіює.

Нижче зображені лінзи, що збирають і розсіюють, та їх умовні позначення:

З цього малюнка видно, що всі промені, що паралельно падають на лінзу, сходяться в одній точці. Ця точка називається фокусом(F) лінзи. Відстань від фокусу до самої лінзи називається фокусною відстаннюлінзи. Воно у системі СІ вимірюється за метри. Але є ще одна одиниця, що характеризує лінзу. Ця величина називається оптичною силою і є величиною, зворотною фокусній відстані і називається діоптрією. (Дп). Позначається буквою D. D = 1/F.У збираючої лінзи значення оптичної сили має знак плюс. Якщо на лінзу пустити світло, відбите від будь-якого протяжного об'єкта, то кожен елемент об'єкта відобразиться в площині, що проходить через фокус у вигляді зображення. При цьому зображення буде перевернуто. Оскільки це зображення буде створене самими променями, воно називатиметься дійсним.

Це використовують у сучасних фотоапаратах. Справжнє зображеннястворюється на фотоплівці.

Розсіююча лінза діє протилежно збирає лінзі. Якщо на неї за нормаллю падає паралельний пучок світла, то після проходження через лінзу, пучок світла буде розходитися так, ніби всі промені виходять з деякої уявної точки, розташованої по інший бік лінзи. Ця точка називається уявним фокусом і фокусна відстань буде зі знаком мінус. Отже, оптична сила такої лінзи виражатиметься також у діоптріях, але її значення буде зі знаком мінус. При розгляді навколишніх предметів через лінзу, що розсіює, всі предмети, видимі через лінзу, будуть здаватися зменшеними в розмірах

Деякі закони фізики важко уявити без використання наочних посібників. Це не стосується звичного світла, що потрапляє на різні об'єкти. Так на межі, що розділяє два середовища, відбувається зміна напрямку світлових променів у тому випадку, якщо ця межа набагато перевищує При світлі виникає, коли частина його енергії повертається в першу середу. Якщо частина променів проникає в інше середовище, відбувається їх заломлення. У фізиці енергії, що потрапляє на межу двох різних середовищ, називається падаючим, а той, що від неї повертається в першу середу, - відбитим. Саме взаємне розташування цих променів визначає закони відображення та заломлення світла.

Терміни

Кут між падаючим променем і перпендикулярною лінією до межі розділу двох середовищ, відновленої до точки падіння потоку світлової енергії, називається Існує ще один важливий показник. Це кут відбиття. Він виникає між відбитим променем та перпендикулярною лінією, відновленою до точки його падіння. Світло може поширюватися прямолінійно виключно в однорідному середовищі. Різні середовища по-різному поглинають та відображають випромінювання світла. Коефіцієнтом відображення називають величину, що характеризує відбивну здатність речовини. Він показує, скільки принесеної світловим випромінюванням на поверхню середовища енергії становитиме та, яка віднесеться від неї відбитим випромінюванням. Цей коефіцієнт залежить від багатьох факторів, одними з найважливіших є кут падіння і склад випромінювання. Повне відображення світла відбувається тоді, коли він падає на предмети або речовини з поверхнею, що відбиває. Так, наприклад, це трапляється при попаданні променів на тонку плівку срібла та рідкої ртуті, нанесених на скло. Повне відображення світла практично зустрічається досить часто.

Закони

Закони відображення та заломлення світла були сформульовані Євклідом ще у ІІІ ст. до зв. е. Всі вони були встановлені експериментально і легко підтверджуються чисто геометричним принципом Гюйгенса. Відповідно до нього будь-яка точка середовища, до якої доходить обурення, є джерелом вторинних хвиль.

Перший світла: падаючий і відбиває промінь, а також перпендикулярна лінія до межі розділу середовищ, відновлена ​​в точці падіння світлового променя, розташовані в одній площині. На поверхню, що відбиває, падає плоска хвиля, хвильові поверхні якої є смужками.

Інший закон говорить про те, що кут відбиття світла дорівнює куту падіння. Це тому, що вони мають взаємно перпендикулярні сторони. Виходячи з принципів рівності трикутників, слідує, що кут падіння дорівнює куту відображення. Можна легко довести, що вони лежать в одній площині з перпендикулярною лінією, відновленою до межі розділу середовищ у крапці падіння променя. Ці найважливіші закони справедливі й у зворотного ходу світла. Внаслідок оборотності енергії промінь, що розповсюджується шляхом відбитого, буде відображатися шляхом падаючого.

Властивості відбивних тіл

Переважна більшість об'єктів тільки відображають світлове випромінювання, що падає на них. При цьому вони не є джерелом світла. Добре освітлені тіла відмінно видно з будь-яких сторін, оскільки випромінювання від їхньої поверхні відбивається і розсіюється в різних напрямках. Це називають дифузним (розсіяним) відображенням. Воно відбувається при попаданні світла на будь-які шорсткі поверхні. Для визначення шляху відбитого тіла променя в точці його падіння проводиться площину, що стосується поверхні. Потім по відношенню до неї будують кути падіння променів та відображення.

Дифузне відображення

Тільки завдяки існуванню розсіяного (дифузного) відображення світлової енергії ми розрізняємо предмети, які не здатні випромінювати світло. Будь-яке тіло буде абсолютно невидимим для нас, якщо розсіювання променів дорівнюватиме нулю.

Дифузне відображення світлової енергії не викликає у людини неприємних відчуттів у власних очах. Це походить від того, що не весь світ повертається в первісне середовище. Так від снігу відбивається близько 85% випромінювання, від білого паперу – 75%, а від велюру чорного кольору – всього 0,5%. При відображенні світла від різних шорстких поверхонь промені спрямовуються хаотично один до одного. Залежно від того, якою мірою поверхні відображають світлові промені, їх називають матовими або дзеркальними. Але ці поняття є відносними. Одні й самі поверхні можуть бути дзеркальними і матовими при різній довжині хвилі падаючого світла. Поверхня, яка рівномірно розсіює промені у різні боки, вважається абсолютно матовою. Хоча в природі таких об'єктів практично немає, до них дуже близькі неглазурована порцеляна, сніг, креслярський папір.

Дзеркальне відображення

Дзеркальне відображення променів світла відрізняється від інших видів тим, що при падінні пучків енергії на гладку поверхню під певним кутом вони відображаються в одному напрямку. Це знайоме всім, хто колись користувався дзеркалом під променями світла. У цьому випадку воно є поверхнею, що відбиває. До цього розряду належать інші тіла. До дзеркальних (відбивають) поверхонь можна віднести всі оптично гладкі об'єкти, якщо розміри неоднорідностей і нерівностей на них становлять менше 1 мкм (не перевищують величину довжини хвилі світла). Для всіх таких поверхонь дійсні закони відбиття світла.

Віддзеркалення світла від різних дзеркальних поверхонь

У техніці нерідко використовуються дзеркала з вигнутою поверхнею, що відбиває (сферичні дзеркала). Такі об'єкти є тіла, мають форму сферичного сегмента. Паралельність променів у разі відбиття світла таких поверхонь сильно порушується. При цьому існує два види таких дзеркал:

Увігнуті – відбивають світло від внутрішньої поверхні сегмента сфери, їх називають збираючими, оскільки паралельні промені світла після відбиття від них збираються в одній точці;

Випуклі - відбивають світло від зовнішньої поверхні, у своїй паралельні промені розсіюються убік, саме тому опуклі дзеркала називають розсіюючими.

Варіанти відображення світлових променів

Промінь, що падає практично паралельно поверхні, лише трохи стосується її, а далі відбивається під сильно тупим кутом. Потім він продовжує шлях дуже низькою траєкторії, максимально розташованої до поверхні. Промінь, що падає практично прямовисно, відбивається під гострим кутом. При цьому напрямок вже відбитого променя буде близько до шляху падаючого променя, що повністю відповідає фізичним законам.

Заломлення світла

Відображення тісно пов'язане з іншими явищами геометричної оптики, такими як заломлення та повне внутрішнє відображення. Найчастіше світло проходить через кордон між двома середовищами. Заломленням світла називають зміну напряму оптичного випромінювання. Воно відбувається при проходженні його з одного середовища до іншого. Заломлення світла має дві закономірності:

Промінь, що пройшов через межу між середовищами, розташований у площині, яка проходить через перпендикуляр до поверхні та падаючий промінь;

Кут падіння та заломлення пов'язані.

Заломлення завжди супроводжується відображенням світла. Сума енергій відбитого та заломленого пучків променів дорівнює енергії падаючого променя. Їх відносна інтенсивність залежить від падаючого пучка і кута падіння. На законах заломлення світла ґрунтується влаштування багатьох оптичних приладів.

Відображенням світла називають зміна напрямку світлових променів при падінні на межу розділу двох середовищ, внаслідок чого світло поширюється у першу середу.

Кут падіння - кут між напрямком падаючого променя та перпендикуляром до межі розділу двох середовищ, відновленим у точці падіння.

Кут відображення -кутβ між цим перпендикуляром та напрямком відбитого променя.

Закони відображення світла:

Промінь падаюча, перпендикуляр до межі розділу двох середовищ у точці падіння і промінь відбитий лежать в одній площині.

Кут відображення дорівнює куту падіння.

Заломлення світла називають зміну напрями світлових променів під час переходу світла з однієї прозорої середовища на іншу.

У гол заломлення - Кут між тим же перпендикуляром та напрямком заломленого променя.

Швидкість світла у вакуумі з = 3*10 8 м/с

Швидкість світла у середовищі V< c

Абсолютний показник заломлення середовищапоказує, у скільки разів швидкість світлаv у цьому середовищі менше, ніж швидкість світлаз у вакуумі.

Абсолютний показник заломлення для вакууму дорівнює 1

Швидкість світла у повітрі дуже мало відрізняється від значення с,тому

Абсолютний показник заломлення для повітря будемо вважати рівним 1

Відносний показник заломленняпоказує, у скільки разів змінюється швидкість світла під час переходу променя з першого середовища до другого.

Закони заломлення світла:

Промінь падаюча, перпендикуляр до межі розділу двох середовищ у точці падіння і заломлений промінь лежать в одній площині.

Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для цієї пари середовищ:

деV 1 іV 2 - Швидкості поширення світла в першому та другому середовищі.

З урахуванням показника заломлення закон заломлення світла можна записати у вигляді

деn 21 – відносний показник заломлення друге середовище щодо першого;

n 2 іn 1 – абсолютні показники заломлення друге та перше середовище відповідно

Повне внутрішнє відображення

Якщо світлові промені з більш щільного оптичного середовища 1 падають на межу розділу з оптично менш щільним середовищем 2 ( n 1  n 2 ),то кут падіння менше кута заломлення   . При збільшенні кута падіння можна підійти до його значення пр , коли заломлений промінь сковзає по межі розділу двох середовищ і не потрапить у друге середовище,

Кут заломлення , при цьому вся світлова енергія відбивається від межі розділу.

Граничним кутом повного внутрішнього відображення пр називається кут, при якому заломлений промінь ковзає вздовж поверхні двох середовищ,

При переході з середовища оптично менш щільного в середовище більш щільне повне внутрішнє відображення неможливе.

43 Інтерференція світла. Дифракція світла. Дифракційні грати.

Інтерференція світла

Інтерференцією хвиль називається явище збільшення або зменшення амплітуди результуючої хвилі при складанні хвиль з однаковою частотою коливань та постійною у часі різницею фаз.

У точках, де амплітуда коливань збільшується, спостерігається інтерференційний максимум

У точках, де амплітуда коливань

зменшується, спостерігається

інтерференційний мінімум

Хвилі та збуджуючі їх джерела називаються когерентними , якщо різниця фаз хвиль не залежить від часу, і хвилі мають однакову довжинухвилі. Результат накладання когерентних світлових хвиль, що спостерігається на екрані, фотопластинці тощо, називаєтьсяінтерференційною картинкою. Стійку інтерференційну картину дають лише когерентні хвилі.

Хвилі від природних джерел не бувають когерентними, тому для спостереження інтерференції світла штучно створюють різницю ходу світлових хвиль, розділяючи світло

від одного джерела на два пучки, які проходять різні шляхиr 1 іr 2 а потім ці пучки зводяться разом на екрані.

 - довжина хвилі,

r= r 2 – r 1 –геометрична різниця ходу двох

хвиль

Δφ – різницю фаз хвиль

Δφ=2π r / 

Геометричною різницею ходу називаєтьсярізниця відстаней, пройдених хвилями від різних джерел до точки, де спостерігається їх інтерференція

Умова інтерференційних максимумів (посилення світла)

Д ля різниці фаз

Δφ= 2πk- Різниця фаз кратна 2π

для різниці ходу

 r = k  або

 r = 2 k  k-будь-яке ціле число( k =0,1,2,3, …),

Різниця ходу дорівнює парному числу напівхвиль

Умова інтерференційних мінімумів (послаблення світла):

Для різниці фаз

Δ φ= π(2k+1)

для різниці ходу

 r = (2 k + 1) ,

деk - ціле число( k =0,1,2,3, …),

Різниця ходу дорівнює непарному числу напівхвиль

Дифракцією світла називається відхилення напряму поширення хвиль від прямолінійного біля межі перешкоди.

Найбільш наочно дифракція світла проявляється при проходженні світла через отвори із розмірами порядку довжини хвиль оптичного діапазону. Явище дифракції легко спостерігати на дифракційній решітці.

Найпростішою дифракційною решіткою є система N однакових паралельних щілин у плоскому непрозорому екрані шириниb кожна, розташованих на рівних непрозорих проміжкахa один від одного. Величинаd = b + a називаєтьсяпостійної (періодом) дифракційної решітки.

Проходження монохроматичного випромінювання через дифракційні ґрати

Монохроматичним називається випромінювання, склад якого визначається однією довжиною хвилі. Наприклад, хвиля з довжиною хвилі λ = 770 нм – монохроматичне червоне світло.

φ- кут дифракції

Промені, що пройшли дифракційні ґрати, когерентні, тому дають на екрані інтерференційну картину.

Для двох променів, що зазнають дифракції на краях двох сусідніх щілин, геометрична різниця ходу  r = dsin 

Положення головних максимумів освітленості в дифракційній картинці, яка отримується при нормальному падінні світлової хвилі на поверхню решітки, визначається співвідношенням:

d sin  = k 

де dsin -різницю ходу променів світлових хвиль від сусідніх щілин; -кут дифракції, тобто. кут між напрямком ходу падаючої на решітку світлової хвилі та напрямом ходу хвилі на виході її із щілини;k - Порядок максимуму (k = 0,1,2,3,…).

Положення основних мінімумів визначається співвідношенням

d sin  = (2k + 1) ,

k - Порядок мінімуму (k = 0,1,2,3,…).

Основні оптичні закони було встановлено дуже давно. Вже у перші періоди оптичних дослідженьекспериментально було відкрито чотири основні закони що стосуються оптичних явищ:

1. закон прямолінійного поширення світла;
2. закон незалежності пучків світла;
3. закон відбиття світла від дзеркальної поверхні;
4. закон заломлення світла межі двох прозорих речовин.

Закон відображення згадується у творах Евкліда.

Відкриття закону відображення пов'язують із застосуванням полірованих металевих поверхонь (дзеркал), які були відомі у давні часи.

Формулювання закону відображення світла

Падаючий промінь світла, заломлений промінь і перпендикуляр до межі розділу двох прозорих середовищ лежать у одній площині (рис.1). При цьому кут падіння () та кут відображення () рівні:

Явище повного відображення світла

В тому випадку якщо світлова хвиляпоширюється з речовини з більшим показником заломлення у середовищі з меншим показником заломлення, то кут заломлення () буде більшим, ніж кут падіння.

При збільшенні кута падіння збільшується кут заломлення. Це відбувається до тих пір, поки при деякому вугіллі падіння, який називають граничним (), кут заломлення не стане дорівнює 900. Якщо кут падіння більший за граничний кут (), то все падаюче світло відображається від межі розділу, явища заломлення не відбувається. Таке явище називають повним відбитком. Кут падіння, за якого відбувається повне відображення, визначено умовою:

де — граничний кут повного відображення, — відносний показник заломлення речовини, в якому поширюється заломлене світло, щодо середовища, в якому поширювалася хвиля світла, що падає:

де - Абсолютний показник заломлення другого середовища, - Абсолютний показник заломлення першої речовини; - фазова швидкість поширення світла у першому середовищі; - фазова швидкість поширення світла у другій речовині.

Межі застосування закону відображення

Якщо поверхня межі розділу речовин є не плоскою, її можна розбити на маленькі майданчики, які окремо можна вважати плоскими. Тоді хід променів можна шукати за законами заломлення та відображення. Однак, кривизна поверхні не повинна перевищувати певної межі, після якої настає дифракція.

Шорсткі поверхні приводять до розсіяного (дифузного) відображення світла. Абсолютно дзеркальна поверхня стає невидимою. Видно лише відбиті від неї промені.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Два плоскі дзеркала складають двогранний кут (рис.2). Падаючий промінь поширюється в площині, яка перпендикулярна до ребра двогранного кута. Він відбивається від першого, потім другого дзеркал. Яким буде кут (), на який відхиляється промінь у результаті двох відбитків?
Рішення	Розглянемо трикутник ABD. Бачимо, що: З розгляду трикутника ABC слід те, що: З отриманих формул (1.1) та (1.2) маємо:
Відповідь

ПРИКЛАД 2

Завдання	Яким має бути кут падіння, при якому відбитий промінь становить кут 900 щодо заломленого променя? Абсолютні показники заломлення речовин дорівнюють: і .
Рішення	Зробимо малюнок.