Eksperimentiraj

Svako od vas je vjerovatno obratio pažnju na činjenicu da u čaši vode čini se da kašika koja viri na granici vode i vazduha ima neku vrstu slomljenog izgleda. Potpuno istu sliku promatramo na obali jezera ili rijeke iz čijeg je rezervoara vidljiva rastuća trava. Kad ga pogledamo, imamo dojam da na granici vode i zraka ova vlat trave, kako je rečeno, odstupa u stranu. Naravno, svjesni smo da su ovi predmeti ostali isti kakvi su bili prije nego što su ušli u vodu. Ali ono što posmatramo i iz čega proizlazi takav vizuelni efekat, to je prelamanje svetlosti tokom njenog širenja.

Iz obrađenog materijala, koji ste već proučavali na prethodnim lekcijama, trebate se sjetiti da, kako bismo odredili u kojem smjeru će zraka svjetlosti odstupiti kad pređe granicu koja razdvaja dva medija, moramo znati u kojem od njih brzina svjetlosti je manja, a pri kojoj veća.

Radi veće jasnoće, provest ćemo mali eksperiment s vama. Na primjer, uzmimo optički disk i stavimo staklenu ploču u njegov centar. Sada pokušajmo da usmerimo zrak svetlosti na ovu ploču. I šta vidimo kod vas? I videli smo da se na mestu gde prolazi granica vazduha sa staklom svetlost reflektuje. No, osim činjenice da se svjetlost reflektirala, još uvijek vidimo kako je prodrla u staklo i istovremeno promijenila i smjer svog širenja.

Sada pogledajte kako je prikazano na slici:

Pokušajmo sada definirati ovaj fenomen.

Refrakcija svjetlosti je pojava koja mijenja smjer kretanja svjetlosnog snopa u trenutku prijelaza iz jednog medija u drugi.

Vratimo se ponovo na naš crtež. Na njemu vidimo da AO označava upadni zrak, OB je odbijeni zrak, a OE je prelomljeni zrak. Šta bi se dogodilo ako uzmemo i usmjerimo snop u smjeru EO? Ali ono što se dogodilo je da bi prema zakonu "reverzibilnosti svetlosnih zraka", ovaj zrak izašao iz stakla u pravcu OA.

Iz ovoga proizilazi da oni mediji koji su sposobni da prenose svjetlost po pravilu imaju različitu optičku gustoću i različitu brzinu svjetlosti. I tako da shvatite da brzina svjetlosti ovisi o gustoći. Odnosno, što je veća optička gustoća medija, manja će biti brzina svjetlosti u njemu, a istovremeno će snažnije lomiti svjetlost koja dolazi izvana.

Kako dolazi do loma svjetlosti?

Prvi put do takvog fenomena kao što je prelamanje svetlosti, u 17. veku. Otac Menyan je dao objašnjenje. Prema njegovim riječima, slijedi da kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, njen snop mijenja smjer, što se može uporediti s kretanjem "vojničkog fronta", koje mijenja svoj smjer tokom marširajuće šetnje. Zamislimo livadu po kojoj ide kolona vojnika, a onda ovu livadu zaklanjaju oranice, gdje granica ide pod uglom u odnosu na front.

Vojnici koji su stigli do oranica počinju usporavati kretanje, a oni vojnici koji još nisu stigli do ove granice nastavljaju put istom brzinom. A onda se događa da vojnici koji su prešli granicu i marširaju na oranicama počinju zaostajati za braćom po oružju, koji još uvijek hodaju livadom, pa se tako postupno kolona trupa počinje širiti. Radi jasnoće ovog procesa, možete pogledati donju sliku.

Potpuno isti proces promatramo zrakom svjetlosti. Da bismo saznali u kom smjeru će zraka svjetlosti skrenuti, u trenutku prelaska granica dva medija, potrebno je imati ideju u kojem će od njih brzina svjetlosti biti veća, a u kojoj , naprotiv, manje.

A budući da već imamo ideju da su svjetlost elektromagnetski valovi, sve što znamo o brzini širenja elektromagnetskih valova vrijedi i za brzinu svjetlosti.

Treba napomenuti da je u vakuumu brzina svjetlosti najveća:

U materiji, brzina svjetlosti, za razliku od vakuuma, uvijek je manja: v

Optička gustina medija

Optička gustoća medija određena je načinom na koji se svjetlosni snop širi kroz medij. Optički gušći će biti medij koji ima manju brzinu svjetlosti.

Medij sa manjom brzinom svjetlosti naziva se "optički gušćim";
Medij u kojem je brzina svjetlosti veća naziva se "optički manje gust".

Ako uzmemo zrak, staklo i vodu za usporedbu optičke gustoće, tada pri usporedbi zraka i stakla staklo ima optički gušći medij. Takođe, u poređenju sa staklom i vodom, staklo je optički gušće.

Ugao prelamanja

Iz ovog iskustva vidimo da svjetlosni snop kada udari u medij koji je gušći odstupa od smjera koji je imao na početku i mijenja smjer prema okomici, gdje se nalazi sučelje između dva medija. A nakon udarca u medij koji je optički manje gust, u ovom slučaju svjetlosni snop se odbija u suprotnom smjeru.

"Α" je upadni kut, "β" je kut loma.

Refrakcija svetlosti u trouglastoj prizmi

Koristeći zakon loma svjetlosti, moguće je izračunati putanju zraka za trokutastu staklenu prizmu.

Na slici 87 možete detaljnije pratiti putanju zraka u ovoj prizmi:

Refrakcija svjetlosti u oku

Jeste li ikada primijetili da kada ulijete vodu u kupaonicu, imate dojam da tamo ima manje vode nego što je zapravo. U odnosu na rijeku, ribnjak i jezero razvija se ista slika, ali razlog svega je upravo takav fenomen kao lom svjetlosti.

Ali, kao što razumijete, naše oči također aktivno učestvuju u svim tim procesima. Na primjer, da bismo mogli vidjeti određenu točku "S" na dnu rezervoara, prije svega, potrebno je da zrake svjetlosti prođu kroz ovu točku i udare u oko osobe koja je gleda.

A tada će svjetlosni snop, nakon što je prošao period loma na granici voda-zrak, već biti oku percipiran kao svjetlost koja dolazi iz prividne slike "S1", ali se nalazi više od točke "S" na dnu rezervoar.

Prividna dubina rezervoara "h" je približno ¾ njegove prave dubine H. Ovaj fenomen je prvi opisao Euklid.

Zadaća

1. Navedite primjere prelamanja svjetlosti sa kojima ste se susreli u svakodnevnom životu.

2. Pronađite informacije o Euklidovom iskustvu i pokušajte to iskustvo ponoviti.

Procesi povezani sa svjetlošću važna su komponenta fizike i svuda nas okružuju u svakodnevnom životu. Najvažniji u ovoj situaciji su zakoni refleksije i loma svjetlosti, na kojima počiva moderna optika. Refrakcija svjetlosti važan je dio moderne znanosti.

Efekat distorzije

Ovaj članak će vam reći šta je fenomen prelamanja svetlosti, kao i kako izgleda zakon refrakcije i šta iz njega sledi.

Osnove fizičkog fenomena

Kada zraka udari u površinu koju razdvajaju dvije prozirne tvari različite optičke gustoće (na primjer, različita stakla ili u vodi), dio zraka će se reflektirati, a dio će prodrijeti u drugu strukturu (npr. razmažite u vodi ili staklu). Prilikom prelaska iz jednog medija u drugi, zrak se odlikuje promjenom smjera. Ovo je fenomen prelamanja svjetlosti.
Odbijanje i lom svjetlosti posebno se dobro vidi u vodi.

Efekat izobličenja u vodi

Gledajući stvari u vodi, izgledaju iskrivljene. To je posebno uočljivo na granici između zraka i vode. Vizualno se čini da su podvodni objekti blago odmaknuti. Opisani fizički fenomen je upravo razlog što svi objekti u vodi izgledaju iskrivljeni. Kada zrake udare u staklo, ovaj učinak je manje primjetan.
Refrakcija svjetlosti je fizički fenomen koji se odlikuje promjenom smjera kretanja sunčevog zraka u trenutku kretanja iz jednog medija (strukture) u drugu.
Da biste bolje razumjeli ovaj proces, razmotrite primjer snopa koji pada iz zraka u vodu (slično za staklo). Povlačenjem okomice duž sučelja može se mjeriti kut loma i povrat svjetlosnog snopa. Ovaj indeks (kut loma) će se promijeniti kada protok prodre u vodu (unutar stakla).
Bilješka! Ovaj parametar shvaća se kao kut koji tvori okomicu povučenu na razdvajanje dviju tvari kada snop prodire iz prve strukture u drugu.

Greda prolazi

Isti pokazatelj je tipičan za druga okruženja. Utvrđeno je da ovaj pokazatelj ovisi o gustoći tvari. Ako greda padne s manje guste strukture na gušću strukturu, tada će kut stvorenog izobličenja biti veći. A ako naprotiv - onda manje.
Istovremeno, promjena nagiba pada također će utjecati na ovaj pokazatelj. Ali odnos između njih ne ostaje konstantan. Istovremeno, omjer njihovih sinusa će ostati konstantan, što se prikazuje sljedećom formulom: sinα / sinγ = n, gdje je:

• n je konstantna vrijednost koja je opisana za svaku specifičnu supstancu (vazduh, staklo, voda, itd.). Dakle, kolika će biti ova vrijednost može se odrediti posebnim tabelama;
• α je upadni ugao;
• γ je ugao prelamanja.

Da bi se odredio ovaj fizički fenomen, stvoren je zakon refrakcije.

Fizički zakon

Zakon prelamanja svjetlosnih tokova omogućava određivanje karakteristika prozirnih tvari. Sam zakon se sastoji od dvije odredbe:

• Prvi dio. Zraka (upadna, izmijenjena) i okomica, koja je obnovljena na mjestu pada na granici, na primjer, zrak i voda (staklo, itd.), Bit će smještene u istoj ravnini;
• drugi dio. Pokazatelj omjera sinusa upadnog ugla i sinusa istog ugla, formiran pri prelasku granice, bit će konstantna vrijednost.

Opis zakona

U ovom slučaju, u trenutku kada snop napusti drugu strukturu u prvoj (na primjer, kada svjetlosni tok prođe iz zraka, kroz staklo i natrag u zrak), također će se pojaviti efekt izobličenja.

Važan parametar za različite objekte

Glavni pokazatelj u ovoj situaciji je omjer sinusa kuta upada i sličnog parametra, ali za izobličenje. Kao što slijedi iz gore opisanog zakona, ovaj pokazatelj je konstantna vrijednost.
U isto vrijeme, kada se promijeni vrijednost nagiba pada, ista situacija bit će tipična za sličan pokazatelj. Ovaj parametar je od velike važnosti, jer je sastavna karakteristika prozirnih supstanci.

Pokazatelji za različite objekte

Zahvaljujući ovom parametru, možete prilično učinkovito razlikovati vrste stakla, kao i raznovrsno drago kamenje. Također je važno za određivanje brzine kojom svjetlost putuje u različitim okruženjima.

Bilješka! Najveća brzina svjetlosnog toka je u vakuumu.

Pri prelasku s jedne tvari na drugu njezina će se brzina smanjivati. Na primjer, dijamant, koji ima najveći indeks loma, imat će brzinu širenja fotona 2,42 puta veću od brzine zraka. U vodi će se širiti 1,33 puta sporije. Za različite vrste naočala ovaj se parametar kreće od 1,4 do 2,2.

Bilješka! Neke naočale imaju indeks prelamanja od 2,2, što je vrlo blizu dijamantu (2,4). Stoga nije uvijek moguće razlikovati čašu od pravog dijamanta.

Optička gustoća tvari

Svjetlost može prodirati kroz različite tvari, koje karakteriziraju različiti pokazatelji optičke gustoće. Kao što smo ranije rekli, koristeći ovaj zakon, možete odrediti karakteristiku gustoće medija (strukture). Što je gušća, svjetlost manje brzine će se širiti u njoj. Na primjer, staklo ili voda će biti optički gušći od zraka.
Pored činjenice da je ovaj parametar konstantna vrijednost, on također odražava omjer brzine svjetlosti u dvije supstance. Fizičko značenje može se prikazati kao sljedeća formula:

Ovaj indikator govori kako se mijenja brzina širenja fotona tokom prijelaza iz jedne supstance u drugu.

Još jedan važan pokazatelj

Kada se svjetlosni tok kreće kroz prozirne objekte, moguća je njegova polarizacija. Uočava se kada svjetlosni tok prolazi iz izotropnih dielektričnih medija. Polarizacija nastaje kada fotoni prolaze kroz staklo.

Efekat polarizacije

Djelomična polarizacija se opaža kada se ugao upada svjetlosnog toka na granici između dva dielektrika razlikuje od nule. Stepen polarizacije zavisi od upadnih uglova (Brewsterov zakon).

Potpuni unutrašnji odraz

Završavajući naš kratki izlet, još uvijek je potrebno razmotriti takav učinak kao punopravnu unutrašnju refleksiju.

Potpuni fenomen prikaza

Da bi se ovaj efekat pojavio, potrebno je povećati ugao upada svjetlosnog toka u trenutku njegovog prijelaza iz gušćeg u manje gustu sredinu na granici između tvari. U situaciji u kojoj će ovaj parametar prelaziti određenu graničnu vrijednost, tada će se fotoni koji se nalaze na granici ovog presjeka potpuno odraziti. Zapravo, ovo će biti naš željeni fenomen. Bez toga nije bilo moguće napraviti optiku od vlakana.

Zaključak

Praktična primjena značajki ponašanja svjetlosnog toka dala je mnogo, stvarajući razne tehničke uređaje za poboljšanje našeg života. Istovremeno, svjetlost nije otkrila sve svoje mogućnosti pred čovječanstvom, a njen praktični potencijal još nije u potpunosti ostvaren.

Kako napraviti lampu od papira vlastitim rukama
Kako provjeriti performanse LED trake

Zakoni prelamanja svjetlosti.

Fizičko značenje indeksa loma. Svjetlost se lomi zbog promjene brzine njenog širenja pri prelasku iz jednog medija u drugi. Indeks loma drugog medija u odnosu na prvi je numerički jednak omjeru brzine svjetlosti u prvom mediju i brzine svjetlosti u drugom mediju:

Dakle, indeks loma pokazuje koliko je puta brzina svjetlosti u mediju iz kojeg zraka izlazi veća (manja) od brzine svjetlosti u mediju u koji ulazi.

Budući da je brzina širenja elektromagnetnih talasa u vakuumu konstantna, preporučljivo je odrediti indekse prelamanja različitih medija u odnosu na vakuum. Odnos brzine sa naziva se širenje svjetlosti u vakuumu do brzine njenog širenja u određenom okruženju apsolutni indeks prelamanja date supstance () i glavna je karakteristika njenih optičkih svojstava,

,

one. indeks prelamanja drugog medija u odnosu na prvi jednak je omjeru apsolutnih indeksa ovih medija.

Obično se optička svojstva tvari karakterizira indeksom prelamanja n u odnosu na zrak, koji se malo razlikuje od apsolutnog indeksa loma. U ovom slučaju, medij veće apsolutne vrijednosti naziva se optički gušći.

Ograničavajući kut loma. Ako svjetlost prelazi iz medija s nižim indeksom loma u medij s većim indeksom loma ( n 1< n 2 ), tada je kut loma manji od upadnog kuta

r< i (sl. 3).

Rice. 3. Refrakcija svjetlosti tokom tranzicije

iz optički manje gustog medija u medij

optički gušće.

S povećanjem upadnog kuta do i m = 90 ° (zraka 3, slika 2) svjetlost u drugom mediju će se širiti samo unutar kuta r pr pozvao granični ugao prelamanja... U područje drugog medija unutar kuta komplementarnog ograničavajućem kutu loma (90 ° - i pr ), svjetlost ne prodire (ovo područje je zasjenjeno na slici 3).

Ograničavajući kut loma r pr

Ali sin i m = 1, dakle.

Fenomen potpune unutrašnje refleksije. Kada svjetlost dolazi iz medija s visokim indeksom loma n 1> n 2 (Sl. 4), tada je ugao prelamanja veći od upadnog ugla. Svjetlost se lomi (prolazi u drugu sredinu) samo unutar upadnog ugla i pr koji odgovara uglu prelamanja r m = 90 °.

Rice. 4. Refrakcija svjetlosti pri prijelazu iz optički gušćeg medija u medij

optički manje gusto.

Svetlost koja pada pod velikim uglom potpuno se odbija od granice medija (slika 4, zraka 3). Ova pojava se naziva totalna unutrašnja refleksija, a upadni ugao je i pr - granični ugao potpune unutrašnje refleksije.

Ograničavajući kut potpune unutrašnje refleksije i pr određuje se prema uslovu:

, tada je sin r m = 1, dakle,.

Ako svjetlost prelazi iz bilo kojeg medija u vakuum ili zrak, onda

Zbog reverzibilnosti putanje zraka za dva data medija, granični ugao prelamanja zraka pri prelasku iz prvog u drugi medij jednak je graničnom kutu ukupne unutrašnje refleksije pri prelasku zraka iz drugog medija. do prvog.

Ograničavajući kut potpune unutrašnje refleksije za staklo je manji od 42 °. Stoga se zrake koje ulaze u staklo i padaju na njegovu površinu pod kutom od 45 ° potpuno reflektiraju. Ovo svojstvo stakla koristi se u okretnim (slika 5a) i reverzibilnim (slika 4b) prizmama, koje se često koriste u optičkim uređajima.

Rice. 5: a - rotaciona prizma; b - obrnuta prizma.

Optika od vlakana. Totalna unutrašnja refleksija se koristi kada se uređuje fleksibilno svjetlosni vodiči... Svetlost, koja pada unutar prozirnog vlakna okruženog supstancom sa nižim indeksom prelamanja, više puta se odbija i širi duž ovog vlakna (slika 6).

Slika 6. Prolaz svjetlosti unutar prozirnog vlakna okruženog materijom

sa nižim indeksom loma.

Za prijenos visokih svjetlosnih tokova i održavanje fleksibilnosti sistema za vođenje svjetlosti, pojedinačna vlakna su povezana - svjetlosni vodiči... Grana optike, koja razmatra prijenos svjetlosti i slike kroz svjetlosne vodiče, naziva se optička vlakna. Dijelovi i uređaji od optičkih vlakana nazivaju se isti pojam. U medicini se svjetlovodi koriste za osvjetljavanje unutrašnjih šupljina hladnom svjetlošću i prenošenje slika.

Praktični dio

Uređaji za određivanje indeksa prelamanja tvari nazivaju se refraktometri(slika 7).

Slika 7. Optički raspored refraktometra.

1 - ogledalo, 2 - mjerna glava, 3 - sistem prizmi za eliminaciju disperzije, 4 - objektiv, 5 - rotirajuća prizma (okretanje zraka za 90 0), 6 - skala (u nekim refraktometrima

postoje dvije skale: ljestvica indeksa loma i skala koncentracije otopina),

7 - okular.

Glavni dio refraktometra je mjerna glava koja se sastoji od dvije prizme: one koja osvjetljava, koja se nalazi u preklopnom dijelu glave, i mjerne.

Na izlazu iz svjetleće prizme, njena mat površina stvara raspršeni snop svjetlosti, koji prolazi kroz ispitivanu tekućinu (2-3 kapi) između prizma. Zrake padaju na površinu mjerne prizme pod različitim kutovima, uključujući i pod kutom od 90 0. U mjernoj prizmi zraci se skupljaju u području ograničavajućeg kuta loma, što objašnjava stvaranje granice svjetlosti - sjene na ekranu uređaja.

Slika 8. Putanja zraka u mjernoj glavi:

1 - svetleća prizma, 2 - ispitivana tečnost,

3 - mjerna prizma, 4 - ekran.

ODREĐIVANJE PROCENTA ŠEĆERA U RJEŠENJU

Prirodno i polarizirano svjetlo. Vidljivo svjetlo- ovo je elektromagnetnih talasa sa frekvencijom oscilovanja u opsegu od 4 ∙ 10 14 do 7,5 ∙ 10 14 Hz. Elektromagnetski talasi su poprečno: vektori E i H jakosti električnog i magnetskog polja međusobno su okomiti i leže u ravnini okomitoj na vektor brzine širenja valova.

Zbog činjenice da su i kemijski i biološki učinci svjetlosti uglavnom povezani s električnom komponentom elektromagnetskog vala, vektor E intenzitet ovog polja se naziva svjetlosni vektor, a ravnina oscilacija ovog vektora je ravan oscilovanja svetlosnog talasa.

U bilo kojem izvoru svjetlosti valove emitira mnogo atoma i molekula, svjetlosni vektori tih valova nalaze se u različitim ravninama, a oscilacije se javljaju u različitim fazama. Slijedom toga, ravnina osciliranja svjetlosnog vektora rezultirajućeg vala kontinuirano mijenja svoj položaj u prostoru (slika 1). Ovo svjetlo se zove prirodno, ili nepolarizovan.

Rice. 1. Šematski prikaz zraka i prirodnog svjetla.

Ako odaberemo dvije međusobno okomite ravnine koje prolaze kroz zrak prirodne svjetlosti i projiciramo vektore E na ravninu, tada će u prosjeku te projekcije biti iste. Stoga je zgodno zraku prirodne svjetlosti prikazati kao ravnu liniju na kojoj se isti broj tih i drugih projekcija nalazi u obliku crtica i točaka:

Kada svjetlost prolazi kroz kristale, moguće je dobiti svjetlost čija ravnina valnih oscilacija zauzima stalan položaj u prostoru. Ovo svjetlo se naziva stan- ili linearno polarizovan... Zbog uređenog rasporeda atoma i molekula u prostornoj rešetki, kristal propušta samo vibracije svjetlosnog vektora koje se javljaju u određenoj ravni karakterističnoj za datu rešetku.

Prikladno je prikazati ravan polarizirani svjetlosni val na sljedeći način:

Polarizacija svjetlosti također može biti djelomična. U ovom slučaju, amplituda oscilacija svjetlosnog vektora u bilo kojoj ravnini značajno premašuje amplitude oscilacija u preostalim ravninama.

Djelomično polarizirana svjetlost može se konvencionalno prikazati na sljedeći način: itd. Odnos broja crtica i tačaka u ovom slučaju određuje stepen polarizacije svetlosti.

U svim metodama pretvaranja prirodnog svjetla u polarizirano svjetlo, komponente s dobro definiranom orijentacijom ravnine polarizacije potpuno su ili djelomično odabrane od prirodnog svjetla.

Metode dobijanja polarizirane svjetlosti: a) refleksija i lom svjetlosti na granici dva dielektrika; b) prenos svjetlosti kroz optički anizotropne jednoosne kristale; c) prijenos svjetlosti kroz medije čija je optička anizotropija umjetno stvorena djelovanjem električnog ili magnetskog polja, kao i zbog deformacije. Ove se metode temelje na fenomenu anizotropija.

Anizotropija- ovo je ovisnost brojnih svojstava (mehaničkih, toplinskih, električnih, optičkih) o smjeru. Zovu se tijela čija su svojstva ista u svim smjerovima izotropno.

Polarizacija se opaža i raspršenjem svjetlosti. Stepen polarizacije je veći što je manja veličina čestica na kojima dolazi do rasipanja.

Uređaji dizajnirani za proizvodnju polarizirane svjetlosti nazivaju se polarizatori.

Polarizacija svjetlosti tokom refleksije i prelamanja na granici dva dielektrika. Kada se prirodna svjetlost reflektira i lomi na granici između dva izotropna dielektrika, ona je linearno polarizirana. Pod proizvoljnim upadnim kutom, polarizacija reflektirane svjetlosti je djelomična. U reflektovanom snopu preovlađuju oscilacije okomite na upadnu ravan, dok su u prelomljenom snopu paralelne (slika 2).

Rice. 2. Djelomična polarizacija prirodne svjetlosti refleksijom i lomom

Ako upadni ugao zadovoljava uslov tg i B = n 21, tada je reflektovana svetlost potpuno polarizovana (Brewsterov zakon), a prelomljeni snop nije potpuno polarizovan, već maksimalno (slika 3). U ovom slučaju, reflektirane i prelomljene zrake međusobno su okomite.

Je relativni indeks loma dva medija, i B je Brewsterov ugao.

Rice. 3. Potpuna polarizacija reflektovanog zraka tokom refleksije i prelamanja

na granici između dva izotropna dielektrika.

Dvostruka refrakcija. Postoji niz kristala (kalcit, kvarc itd.), U kojima se zraka svjetlosti, prelamajući, dijeli na dvije zrake različitih svojstava. Kalcit (islandski spar) je kristal sa šesterokutnom rešetkom. Osovina simetrije šesterokutne prizme koja tvori njezinu ćeliju naziva se optička os. Optička os nije linija, već pravac u kristalu. Svaka ravna linija paralelna sa ovim smjerom je također optička os.

Ako je ploča izrezana iz kristala kalcita tako da su njeni rubovi okomiti na optičku os, a snop svjetlosti usmjeren duž optičke osi, u njoj neće doći do promjena. Ako je snop usmjeren pod kutom prema optičkoj osi, tada će se podijeliti na dva snopa (slika 4), od kojih se jedan naziva običnim, a drugi izvanrednim.

Rice. 4. Dvostruka refrakcija kada svjetlost prolazi kroz ploču od kalcita.

MN je optička osa.

Običan zrak leži u ravnini incidencije i ima indeks loma koji je uobičajen za datu tvar. Izvanredna zraka leži u ravni koja prolazi kroz upadnu zraku i optičku os kristala, povučenu u tački upada zraka. Ovaj avion se zove glavna ravan kristala... Indeksi loma za obične i vanredne zrake su različiti.

I obični i izvanredni zraci su polarizirani. Ravan oscilovanja običnih zraka je okomita na glavnu ravninu. Oscilacije izvanrednih zraka javljaju se u glavnoj ravni kristala.

Fenomen dvostrukog prelamanja nastaje zbog anizotropije kristala. Duž optičke ose, brzina svetlosnog talasa za obične i vanredne zrake je ista. U drugim smjerovima, brzina izvanrednog vala u kalcitu je veća od brzine običnog. Najveća razlika između brzina oba vala događa se u smjeru okomitom na optičku os.

Prema Huygensovom principu, u slučaju dvolomnosti, na svakoj točki površine vala koji dosegne granicu kristala pojavljuju se dva elementarna vala istovremeno (ne jedan, kao u običnim medijima!), Koji se šire u kristalu.

Brzina širenja jednog vala u svim smjerovima je ista, tj. val ima sferni oblik i naziva se običan... Brzina širenja drugog vala u smjeru optičke ose kristala jednaka je brzini običnog vala, a razlikuje se od njega u smjeru okomitom na optičku os. Val ima elipsoidni oblik i zove se izvanredno(slika 5).

Rice. 5. Širenje običnih (o) i izvanrednih (e) talasa u kristalu

sa dvolomima.

Nikolina prizma. Za dobivanje polarizirane svjetlosti koristi se Nicolasova polarizirajuća prizma. Prizma određenog oblika i veličine se izdubljuje iz kalcita, zatim se pili na dijagonalnu ravninu i lijepi kanadskim balzamom. Kada svjetlosni snop padne na gornju stranu duž osi prizme (slika 6), izvanredna zraka pada na ravninu lijepljenja pod manjim kutom i prolazi, gotovo bez promjene smjera. Obična zraka pada pod uglom većim od ugla potpune refleksije za kanadski balzam, odbija se od ravni lepljenja i apsorbuje je pocrnjelo lice prizme. Nicolas prizma proizvodi potpuno polariziranu svjetlost, čija ravan oscilovanja leži u glavnoj ravni prizme.

Rice. 6. Nikolajeva prizma. Shema prolaska običnog

i izvanredne zrake.

Dikroizam. Postoje kristali koji na različite načine upijaju obične i izvanredne zrake. Dakle, ako se snop prirodne svjetlosti usmjeri na kristal turmalina okomito na smjer optičke ose, tada će s debljinom ploče od samo nekoliko milimetara obični zrak biti potpuno apsorbiran, a iz njega će izaći samo izvanredan zrak. kristala (slika 7).

Rice. 7. Prolaz svetlosti kroz kristal turmalina.

Zove se različita priroda upijanja običnih i izvanrednih zraka anizotropija apsorpcije, ili dikroizam. Stoga se kristali turmalina mogu koristiti i kao polarizatori.

Polaroid. Trenutno se polarizatori široko koriste polaroidi. Da bi se napravio polaroid, između dvije ploče od stakla ili pleksiglasa zalijepi se prozirni film koji sadrži kristale dikroične tvari koja polarizuje svjetlost (na primjer, jodokinon sulfat). Tokom proizvodnje filma, kristali su orijentisani tako da su njihove optičke ose paralelne. Cijeli ovaj sistem je fiksiran u okviru.

Jeftinost polaroida i mogućnost izrade ploča velike površine osigurali su njihovu široku primjenu u praksi.

Analiza polarizirane svjetlosti. Za proučavanje prirode i stepena polarizacije svjetlosti, uređaji tzv analizatori. Kao analizatori koriste se isti uređaji koji služe za dobijanje linearno polarizovane svetlosti - polarizatori, ali prilagođeni za rotaciju oko uzdužne ose. Analizator propušta samo vibracije koje se podudaraju s njegovom glavnom ravninom. Inače, samo komponenta vibracija koja se poklapa s ovom ravninom prolazi kroz analizator.

Ako je svjetlosni val koji ulazi u analizator linearno polariziran, tada je intenzitet vala koji napušta analizator istinit Malusov zakon:

,

gdje je I 0 intenzitet dolazne svjetlosti, φ je kut između ravnina dolazne svjetlosti i svjetlosti koju prenosi analizator.

Prolaz svjetlosti kroz sistem polarizatora-analizatora shematski je prikazan na Sl. osam.

Rice. 8. Šema prolaska svetlosti kroz sistem polarizator-analizator (P - polarizator,

A - analizator, E - ekran):

a) glavne ravni polarizatora i analizatora se poklapaju;

b) glavne ravnine polarizatora i analizatora nalaze se pod određenim kutom;

c) glavne ravnine polarizatora i analizatora međusobno su okomite.

Ako se glavne ravnine polarizatora i analizatora podudaraju, tada svjetlost u potpunosti prolazi kroz analizator i osvjetljava ekran (slika 7a). Ako se nalaze pod određenim uglom, svjetlost prolazi kroz analizator, ali se slabi (slika 7b) što je više taj ugao bliži 90 0. Ako su ove ravnine međusobno okomite, analizator potpuno gasi svjetlo (slika 7c)

Rotacija ravni oscilacije polarizirane svjetlosti. Polarimetrija. Neki kristali, kao i rastvori organskih supstanci, imaju svojstvo da rotiraju ravninu oscilovanja polarizovane svetlosti koja prolazi kroz njih. Ove tvari se nazivaju optički a aktivna... To uključuje šećere, kiseline, alkaloide itd.

Za većinu optički aktivnih supstanci utvrđeno je postojanje dvije modifikacije, koje rotiraju ravan polarizacije, u smjeru kazaljke na satu, odnosno suprotno od kazaljke na satu (za posmatrača koji gleda prema snopu). Zove se prva izmjena okretni ili pozitivno, sekunda - kružni, ili negativan.

Prirodna optička aktivnost tvari u nekristalnom stanju je posljedica asimetrije molekula. U kristalnim tvarima optička aktivnost može biti posljedica posebnosti rasporeda molekula u rešetki.

U čvrstim tijelima, kut rotacije ravnine polarizacije φ je direktno proporcionalan duljini d putanje svjetlosnog snopa u tijelu:

gdje je α - kapacitet rotacije (specifična rotacija), ovisno o vrsti tvari, temperaturi i talasnoj dužini. Za modifikacije lijevom i desnom rukom, sposobnosti rotacije su iste veličine.

Za rješenja, kut rotacije ravnine polarizacije

,

gdje je α specifična rotacija, c je koncentracija optički aktivne tvari u otopini. Vrijednost α ovisi o prirodi optički aktivne tvari i otapala, temperaturi i valnoj duljini svjetlosti. Specifična rotacija- ovo je kut rotacije povećan 100 puta za otopinu debljine 1 dm pri koncentraciji od 1 grama na 100 cm 3 otopine pri temperaturi od 20 ° C i na valnoj dužini svjetlosti λ = 589 nm . Zove se vrlo osjetljiva metoda za određivanje koncentracije c, zasnovana na ovom omjeru polarimetrija (saharimetrija).

Zove se ovisnost rotacije ravnine polarizacije o valnoj duljini svjetlosti rotacijska disperzija. U prvom približavanju, Bio zakon:

gdje je A koeficijent ovisno o prirodi tvari i temperaturi.

U kliničkom okruženju, metoda polarimetrija koristi se za određivanje koncentracije šećera u urinu. Uređaj koji se koristi za to se naziva saharimetar(slika 9).

Rice. 9. Optička šema saharimetra:

I - izvor prirodne svjetlosti;

C - svjetlosni filter (monokromator), koji osigurava koordinaciju rada uređaja

Biovim zakonom;

L - sabirno sočivo, koje daje paralelni snop svetlosti na izlazu;

P - polarizator;

K - epruveta sa test rastvorom;

A - analizator montiran na rotirajući disk D sa podjelama.

Prilikom provođenja studije prvo se analizator postavlja na maksimalno zatamnjenje vidnog polja bez testnog rješenja. Zatim se u uređaj stavi cijev s otopinom i rotiranjem analizatora vidno polje ponovno zamrači. Najmanji od dva kuta za koje je potrebno zakretanje analizatora je kut rotacije analita. Kut se koristi za izračunavanje koncentracije šećera u otopini.

Radi pojednostavljenja proračuna, cijev s otopinom je napravljena takve dužine da je kut rotacije analizatora (u stupnjevima) numerički jednak koncentraciji sa rastvor (u gramima na 100 cm 3). Cijev za glukozu je duga 19 cm.

Polarizujuća mikroskopija. Metoda se zasniva na anizotropija neke komponente stanica i tkiva koje se pojavljuju kada se gledaju u polariziranoj svjetlosti. Strukture koje se sastoje od paralelno raspoređenih molekula ili diskova raspoređenih u hrpu, kada se unesu u medij s indeksom loma koji se razlikuje od indeksa loma čestica strukture, pokazuju sposobnost birefringence. To znači da će struktura prenositi polarizirano svjetlo samo kada je ravnina polarizacije paralelna s dugim osama čestica. To vrijedi čak i kada čestice nemaju vlastitu dvolomnu zraku. Optički anizotropija uočeno u mišićima, vezivnom tkivu (kolagen) i nervnim vlaknima.

Sam naziv skeletnog mišića" prugasti " povezano s razlikom u optičkim svojstvima pojedinih dijelova mišićnog vlakna. Sastoji se od izmjenjivanja tamnijih i svjetlijih dijelova tkiva. Ovo daje vlaknima unakrsnu traku. Ispitivanjem mišićnih vlakana u polariziranoj svjetlosti otkriva se da su tamnija područja anizotropni i imaju svojstva dvolomnost dok su tamnija područja izotropno. Kolagen vlakna su anizotropna, njihova optička osa se nalazi duž ose vlakna. Micele u pulpi neurofibril su također anizotropne, ali njihove optičke osi nalaze se u radijalnim smjerovima. Za histološko ispitivanje ovih struktura koristi se polarizacijski mikroskop.

Najvažnija komponenta polarizacijskog mikroskopa je polarizer koji se nalazi između izvora svjetlosti i kondenzatora. Osim toga, mikroskop ima rotirajući postolje ili držač uzorka, analizator smješten između objektiva i okulara, koji se može ugraditi tako da mu osa bude okomita na osu polarizatora i kompenzator.

Kada se polarizator i analizator ukrštaju, a objekt je odsutan ili postoji izotropno, polje izgleda jednako tamno. Ako postoji objekt s dvolomima, a nalazi se tako da mu je os pod kutom u odnosu na ravninu polarizacije različitu od 0 0 ili 90 0, podijelit će polariziranu svjetlost na dvije komponente - paralelne i okomite na ravninu analizator. Posljedično, dio svjetlosti će proći kroz analizator, što će rezultirati svijetlom slikom objekta na tamnoj pozadini. Kada se objekt rotira, svjetlina njegove slike će se promijeniti, dostižući maksimum pod uglom od 45 0 u odnosu na polarizator ili analizator.

Polarizujuća mikroskopija se koristi za proučavanje orijentacije molekula u biološkim strukturama (na primjer, mišićne ćelije), kao i tokom posmatranja struktura koje su nevidljive kada se koriste druge metode (na primjer, mitotičko vreteno tokom diobe ćelije), identifikacija spiralna struktura.

Polarizovano svetlo se koristi u simuliranim uslovima za procenu mehaničkih naprezanja u koštanom tkivu. Ova metoda se zasniva na fenomenu fotoelastičnosti, koji se sastoji u pojavi optičke anizotropije u prvobitno izotropnim čvrstim materijama pod dejstvom mehaničkih opterećenja.

ODREĐIVANJE DUŽINE SVJETLOSNOG TALASA KORIŠĆENJEM DIFRAKCIONE MREŽE

Smetnje svetlosti. Svjetlosne smetnje su pojava koja se javlja kada se svjetlosni valovi nadiru i praćeni su njihovim pojačanjem ili slabljenjem. Stabilni interferencijski uzorak javlja se kada se koherentni valovi preklapaju. Koherentni valovi su valovi jednakih frekvencija i istih faza ili s konstantnim faznim pomakom. Pojačavanje svetlosnih talasa tokom interferencije (maksimalni uslov) se dešava kada Δ odgovara paran broj polutalasnih dužina:

gdje k - red maksimuma, k = 0, ± 1, ± 2, ±,… ± n;

λ - dužina svjetlosnog vala.

Slabljenje svjetlosnih valova tijekom smetnji (minimalni uvjet) opaža se ako se neparan broj polutalasnih dužina uklapa u razliku optičke putanje Δ:

gdje k Da li je red minimuma.

Optička razlika putanje dva snopa je razlika između udaljenosti od izvora do tačke posmatranja uzorka interferencije.

Interferencija u tankim filmovima. Smetnje u tankim filmovima mogu se primijetiti u mjehurićima sapuna, u mrlji kerozina na površini vode kada je osvijetljena sunčevom svjetlošću.

Neka zrak 1 padne na površinu tankog filma (vidi sliku 2). Zraka, prelomljena na granici vazduh-film, prolazi kroz film, reflektuje se od njega unutrašnja površina, približava se vanjskoj površini filma, lomi se na granici film-vazduh i izlazi zrak. Na izlaznoj tački snopa usmjeravamo snop 2, koji prolazi paralelno sa snopom 1. Snop 2 se reflektira od površine filma, postavljen na snop, i oba snopa interferiraju.

Kada se film osvetli polihromatskim svetlom, dobijamo duginu sliku. To je zbog činjenice da film nije ujednačene debljine. Posljedično, postoje razlike u putanji različite veličine koje odgovaraju različitim valnim duljinama (obojeni filmovi od sapuna, šarene boje krila nekih nasomana i ptica, filmovi ulja ili ulja na površini vode itd.).

Svjetlosne smetnje se koriste u uređajima - interferometarima. Interferometri su optički uređaji pomoću kojih možete prostorno odvojiti dva snopa i stvoriti određenu razliku puta. Interferometri se koriste za određivanje valnih duljina s visokim stupnjem točnosti za kratke udaljenosti, indekse loma tvari i određivanje kvalitete optičkih površina.

U sanitarno-higijenske svrhe, interferometar se koristi za određivanje sadržaja štetnih plinova.

Kombinacija interferometra i mikroskopa (interferentni mikroskop) koristi se u biologiji za mjerenje indeksa prelamanja, koncentracije suhe tvari i debljine prozirnih mikro-objekata.

Huygens-Fresnel princip. Prema Huygensu, svaka točka medija, do koje primarni val dopire u danom trenutku, izvor je sekundarnih valova. Fresnel je precizirao ovu Hajgensovu poziciju, dodajući da su sekundarni talasi koherentni, tj. kada se preklapaju, dat će stabilan obrazac smetnji.

Difrakcija svjetlosti. Difrakcija svjetlosti odnosi se na fenomen odstupanja svjetlosti od pravolinijskog širenja.

Difrakcija paralelnih zraka iz jednog proreza. Pustite metu široko v paralelni snop monokromatske svjetlosti pada (vidi sliku 3):

Objektiv je postavljen na putu zraka L , u čijoj se fokalnoj ravni nalazi ekran NS ... Većina zraka se ne raspršuje, tj. ne mijenjaju smjer i fokusirani su objektivom L u sredini ekrana, formirajući centralni ili nulti maksimum. Grede se razilaze pod jednakim kutovima difrakcije φ , formiraće maksimume 1,2,3, ..., n - naredbe.

Dakle, difrakcijski uzorak dobiven iz jednog proreza u paralelnim snopovima pod osvjetljenjem monokromatskom svjetlošću je svijetla traka s maksimalnim osvjetljenjem u sredini ekrana, zatim slijedi tamna traka (minimum 1. reda), zatim dolazi svijetla traka ( maksimalno 1. reda), tamne pruge (minimalno 2. reda), maksimalno 2. reda, itd. Difrakcijski uzorak je simetričan u odnosu na centralni maksimum. Kada je otvor osvijetljen bijelim svjetlom, na ekranu se formira sistem obojenih pruga, samo će centralni maksimum zadržati boju upadnog svjetla.

Uslovi max i min difrakcija. Ako je razlika optičkog puta Δ odgovara neparan broj jednakih segmenata, tada se primjećuje povećanje intenziteta svjetlosti ( max difrakcija):

gdje k - redoslijed maksimuma; k = ± 1, ± 2, ±…, ± n;

λ Je talasna dužina.

Ako je razlika optičkog puta Δ paran broj jednakih segmenata se uklapa, tada se uočava slabljenje intenziteta svjetlosti ( min difrakcija):

gdje k Je li redoslijed minimuma.

Difrakcijska rešetka. Difrakcijska rešetka sastoji se od naizmjeničnih traka neprozirnih za prijenos svjetlosti sa prugama (prorezima) jednake širine koje su prozirne za svjetlost.

Glavna karakteristika difrakcijske rešetke je njezin period d ... period difrakcijske rešetke je ukupna širina prozirnih i neprozirnih traka:

Difrakcijska rešetka se koristi u optičkim instrumentima za povećanje rezolucije instrumenta. Rezolucija difrakcione rešetke zavisi od reda spektra k i na broj udaraca N :

gdje R - rezolucija.

Izvođenje formule za difrakcijsku rešetku. Usmjerimo dvije paralelne grede na difrakcijsku rešetku: 1 i 2 tako da je udaljenost između njih jednaka razdoblju rešetke d .

Na tačkama A i V zrake 1 i 2 lome se, odstupajući od pravolinijskog smjera pod kutom φ Je kut difrakcije.

Grede i fokusiran objektivom L na ekranu koji se nalazi u žižnoj ravni objektiva (slika 5). Svaki utor rešetke može se smatrati izvorom sekundarnih valova (Huygens - Fresnelov princip). Na ekranu u tački D uočavamo maksimum interferencije.

Od tačke A po gredi ispustimo okomicu i dobijemo tačku C. Razmotrimo trougao ABC : pravougaoni trougao, LBAC = lφ kao uglovi sa međusobno okomitim stranicama. Od Δ ABC:

gdje AB = d (po konstrukciji),

CB = Δ Je li razlika optičkog puta.

Budući da u točki D promatramo maksimalne smetnje, tada

gdje k - maksimalni red,

λ - dužina svjetlosnog vala.

Zamjenjivanje vrijednosti AB = d, u formulu za sinφ :

Odavde dobijamo:

Općenito, formula za difrakcijsku rešetku je:

Znakovi ± ukazuju na to da je interferencijski uzorak na ekranu simetričan u odnosu na središnji maksimum.

Fizičke osnove holografije. Holografija je metoda snimanja i rekonstrukcije valnog polja koja se temelji na fenomenima difrakcije i interferencije valova. Ako se na konvencionalnoj fotografiji bilježi samo intenzitet valova odbijenih od objekta, tada se faze valova dodatno bilježe na hologramu, što daje dodatne informacije o objektu i omogućuje vam dobivanje volumetrijske slike objekta.

Razmotrimo kako se smjer zraka mijenja pri prelasku iz zraka u vodu. Brzina svjetlosti u vodi je manja nego u zraku. Medij u kojem je brzina širenja svjetlosti manja je optički gušći medij.

Dakle, optičku gustinu medija karakteriše različita brzina širenja svetlosti.

To znači da je brzina širenja svjetlosti veća u optički manje gustom mediju. Na primjer, u vakuumu brzina svjetlosti je 300.000 km / s, a u staklu 200.000 km / s. Kada snop svjetlosti udari o površinu koja odvaja dva prozirna medija različite optičke gustoće, na primjer, zrak i vodu, tada se dio svjetlosti reflektira s te površine, a drugi dio prodire u drugi medij. Prilikom prelaska s jednog medija na drugi, snop svjetlosti mijenja smjer na rubu medija (slika 144). Ovaj fenomen se zove refrakcija svetlosti.

Rice. 144. Refrakcija svjetlosti pri prijelazu zraka iz zraka u vodu

Pogledajmo bliže lom svjetlosti. Slika 145 prikazuje: upadni zrak dd, prelomljeni snop OV i okomito na sučelje između dva medija, povučeno do tačke upada O. Ugao AOS - upadni ugao (α), ugao DOB ​​- ugao prelamanja (γ).

Rice. 145. Shema prelamanja zrake svjetlosti pri prijelazu iz zraka u vodu

Zraka svjetlosti, pri prijelazu iz zraka u vodu, mijenja svoj smjer, približavajući se okomitom CD -u.

Voda je optički gušća od zraka. Ako se vodu zamijeni nekim drugim providnim medijem, optički gušćim od zraka, tada će se i prelomljena zraka približiti okomici. Stoga možemo reći da ako svjetlost ide iz optički manje gustog medija u gušće, tada je kut loma uvijek manji od upadnog kuta (vidi sliku 145):

Snop svjetlosti usmjeren okomito na sučelje između dva medija prelazi iz jednog medija u drugi bez prelamanja.

Kada se upadni kut promijeni, mijenja se i kut loma. Što je veći upadni ugao, veći je i ugao prelamanja (slika 146). U ovom slučaju, odnos između uglova nije sačuvan. Sastavimo li omjer sinusa kutova upada i loma, on ostaje konstantan.

Rice. 146. Zavisnost ugla prelamanja od upadnog ugla

Za bilo koji par tvari različite optičke gustoće možete napisati:

gdje je n konstanta neovisna o upadnom kutu. To se zove indeks prelamanja za dva okruženja. Što je indeks loma veći, zrak se više lomi pri prelasku s jednog medija na drugi.

Prema tome, lom svjetlosti se odvija prema sljedećem zakonu: zrake padajuće, prelomljene i okomito povučene na granicu između dva medija na mjestu upadanja zrake leže u istoj ravnini.

Odnos sinusa upadnog ugla prema sinusu ugla prelamanja konstantna je vrijednost za dva medija:

Refrakcija svjetlosti se događa u Zemljinoj atmosferi, tako da vidimo zvijezde i Sunce iznad njihove prave lokacije na nebu.

Pitanja

1. Kako se smjer zraka svjetlosti mijenja (vidi sliku 144) nakon što se voda ulije u posudu?
2. Koji su zaključci izvedeni iz eksperimenata o lomu svjetlosti (vidi slike 144, 145)?
3. Koji su položaji ispunjeni kada se svjetlo prelama?

Vježba #47

Teme USE kodifikatora: zakon prelamanja svjetlosti, totalna unutrašnja refleksija.

Na sučelju dva prozirna medija, uz refleksiju svjetlosti, uočava se refrakcija- svjetlost, prelazeći u drugi medij, mijenja smjer svog širenja.

Prelamanje svjetlosnog snopa nastaje kada se koso pada na sučelje (iako ne uvijek - čitajte o potpunoj unutrašnjoj refleksiji). Ako zraka padne okomito na površinu, tada neće doći do loma - u drugom mediju zraka će zadržati svoj smjer i ići će okomito na površinu.

Zakon o refrakciji (poseban slučaj).

Počet ćemo s posebnim slučajem kada je jedan od medija zrak. Upravo je takva situacija prisutna u ogromnoj većini zadataka. Razgovaraćemo o odgovarajućem posebnom slučaju zakona loma, a tek onda ćemo dati njegovu najopštiju formulaciju.

Pretpostavimo da zraka svjetlosti koja putuje u zraku koso pada na površinu stakla, vode ili nekog drugog prozirnog medija. Pri prelasku u medij snop se lomi, a njegov daljnji tok prikazan je na Sl. 1 .

U tački pada nacrtana je okomica (ili, kako kažu, normalno) na površinu medija. Zrak se, kao i ranije, naziva incidentni snop, a ugao između upadne zrake i normale je upadni ugao. Ray je prelomljeni snop; naziva se kut između lomljene zrake i normale na površinu ugao prelamanja.

Svaki prozirni medij karakterizira količina tzv indeks prelamanja ovom okruženju. Indeksi loma različitih medija mogu se pronaći u tablicama. Na primjer, za staklo, ali za vodu. Općenito, u bilo kojem okruženju; indeks prelamanja jednak je jedinici samo u vakuumu. Za zrak se, dakle, za zrak može pretpostaviti s dovoljnom točnošću u problemima (u optici se zrak ne razlikuje mnogo od vakuuma).

Zakon prelamanja (prijelaz zrak-medij) .

1) Upadni zrak, prelomljeni zrak i normala na površinu nacrtana u tački upada leže u istoj ravni.
2) Odnos sinusa upadnog ugla prema sinusu ugla prelamanja jednak je indeksu prelamanja medija:

. (1)

Pošto iz relacije (1) proizilazi da je, odnosno, ugao prelamanja manji od upadnog ugla. Zapamtite: prelazeći iz zraka u medij, zrak se nakon prelamanja približava normali.

Indeks loma je direktno povezan sa brzinom širenja svjetlosti u datom mediju. Ova brzina je uvijek manja od brzine svjetlosti u vakuumu :. Ispostavilo se da

. (2)

Zašto se to događa, razumjet ćemo kada proučavamo optiku valova. Do tada, kombinujmo formule. (1) i (2):

. (3)

Budući da je indeks prelamanja zraka vrlo blizu jedinici, možemo pretpostaviti da je brzina svjetlosti u zraku približno jednaka brzini svjetlosti u vakuumu. Uzimajući to u obzir i gledajući formulu. (3), zaključujemo: omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja jednak je omjeru brzine svjetlosti u zraku i brzine svjetlosti u mediju.

Reverzibilnost svjetlosnih zraka.

Razmotrimo sada obrnutu putanju zraka: njegov lom pri prelasku iz medija u zrak. Ovdje će nam pomoći sljedeći korisni princip.

Princip reverzibilnosti svjetlosnih zraka. Putanja zraka je nezavisna od toga da li zraka putuje naprijed ili nazad. Krećući se u suprotnom smjeru, snop će slijediti potpuno istu putanju kao i u smjeru naprijed.

Prema principu reverzibilnosti, snop će pri prelasku iz medija u zrak ići istom putanjom kao i pri odgovarajućem prijelazu iz zraka u medij (slika 2). Jedina razlika je Sl. 2 sa sl. 1 je da je smjer zraka obrnut.

Kako se geometrijska slika nije promijenila, formula (1) će ostati ista: omjer sinusa ugla i sinusa ugla je i dalje jednak indeksu prelamanja medija. Istina, sada su uglovi imali obrnute uloge: ugao je postao upadni ugao, a ugao je postao ugao prelamanja.

U svakom slučaju, bez obzira na to kako snop ide - iz zraka u medij ili iz medija u zrak - funkcionira sljedeće jednostavno pravilo. Uzimamo dva ugla - upadni ugao i ugao prelamanja; odnos sinusa većeg ugla prema sinusu manjeg ugla jednak je indeksu prelamanja medijuma.

Sada smo potpuno spremni za raspravu o zakonu refrakcije u najopćenitijem slučaju.

Zakon o refrakciji (opšti slučaj).

Neka svjetlost prođe iz medija 1 sa indeksom prelamanja u medij 2 sa indeksom prelamanja. Zove se medij s visokim indeksom prelamanja optički gušći; u skladu s tim naziva se medij s nižim indeksom loma optički manje gusta.

Prelaskom iz optički manje guste sredine u optički gušću, svjetlosni snop nakon prelamanja ide bliže normali (slika 3). U ovom slučaju, upadni kut je veći od ugla loma :.

Rice. 3.

Naprotiv, prelazeći iz optički gušće sredine u optički manje gustu, zrak dalje odstupa od normale (slika 4). Ovdje je upadni kut manji od ugla loma:

Rice. 4.

Ispada da su oba ova slučaja pokrivena jednom formulom - opštim zakonom refrakcije, koji važi za bilo koja dva transparentna medija.

Zakon refrakcije.
1) Upadni zrak, prelomljeni zrak i normala na granicu između medija, povučeni u tački upada, leže u istoj ravni.
2) Odnos sinusa ugaonog ugla i sinusa ugla prelamanja jednak je odnosu indeksa prelamanja drugog medija prema indeksu prelamanja prvog medija:

. (4)

Lako je vidjeti da je prethodno formulirani zakon prelamanja za tranziciju "zrak - medij" poseban slučaj ovog zakona. Zaista, postavljanjem u formulu (4), dolazimo do formule (1).

Podsjetimo se sada da je indeks loma omjer brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u datom mediju:. Zamijenivši ovo u (4), dobijamo:

. (5)

Formula (5) prirodno generalizira formulu (3). Odnos sinusa upadnog ugla prema sinusu ugla prelamanja jednak je odnosu brzine svetlosti u prvom medijumu i brzine svetlosti u drugom medijumu.

Potpuni unutrašnji odraz.

Kada zraci svjetlosti prelaze iz optički gušćeg medija u optički manje gust medij, primjećuje se zanimljiv fenomen - potpuni unutrašnja refleksija... Hajde da vidimo šta je to.

Pretpostavimo za sigurno da svjetlost ide iz vode u zrak. Pretpostavimo da u dubini rezervoara postoji tačkasti izvor svjetlosti koji emitira zrake u svim smjerovima. Pogledaćemo neke od ovih zraka (slika 5).

Snop udara u površinu vode pod najmanjim kutom. Ovaj zrak se djelomično lomi (zraka) i djelimično reflektira natrag u vodu (zraka). Tako se dio energije upadnog snopa prenosi na lomljeni snop, a ostatak energije u odbijeni snop.

Ugao upada snopa je veći. Ovaj zrak je također podijeljen na dva zraka - prelomljenu i reflektovanu. No, energija izvorne zrake raspoređena je između njih na drugačiji način: prelomljena zraka bit će slabija od zrake (to jest primit će manji dio energije), a reflektirana zraka bit će shodno tome svjetlija od zraka (primit će veći dio energije).

Kako se upadni ugao povećava, može se pratiti isti obrazac: sve veći dio energije upadnog zraka ide odbijenom zraku, a sve manje lomljenom zraku. Prelomljeni zrak postaje sve slabiji, a u jednom trenutku potpuno nestaje!

Do ovog nestanka dolazi kada se dosegne upadni kut, koji odgovara kutu loma. U ovoj situaciji, prelomljeni zrak bi morao ići paralelno s površinom vode, ali već nema šta da ide - sva energija upadnog zraka otišla je u potpunosti na reflektiranu zraku.

S daljnjim povećanjem upadnog kuta, lomljeni zrak bit će još odsutniji.

Opisani fenomen je potpuni unutrašnji odraz. Voda ne ispušta zrake čiji su upadni kutovi jednaki ili veći od određene vrijednosti - svi se takvi zraci potpuno reflektiraju natrag u vodu. Ugao se naziva granični ugao potpune refleksije.

Količina se lako može pronaći iz zakona loma. Imamo:

Ali, dakle

Dakle, za vodu, granični ugao ukupne refleksije je:

Lako možete promatrati fenomen potpune unutrašnje refleksije kod kuće. Sipajte vodu u čašu, podignite je i gledajte površinu vode malo odozdo kroz zid čaše. Na površini ćete vidjeti srebrnasti sjaj - zbog potpunog unutrašnjeg odraza ponaša se poput ogledala.

Najvažnija tehnička primjena potpune unutrašnje refleksije je optička vlakna... Svjetlosni zraci lansirani u optički kabel ( svjetlosni vodič) gotovo paralelno s osi, padaju na površinu pod velikim kutom i potpuno se reflektiraju natrag u kabel bez gubitka energije. Uzastopno reflektirani zraci idu sve dalje i dalje, prenoseći energiju na znatnu udaljenost. Optička komunikacija se koristi, na primjer, u kablovskim TV mrežama i pristupu Internetu velike brzine.