1308. Da li je moguće da zrak prođe kroz međuprostor između dva različita medija bez prelamanja? Ako jeste, pod kojim uslovima?
Da. Pod uslovom vertikalnog pada na interfejsu između dva različita medija.

1309. Kolika je brzina svjetlosti:
a) u vodi,
b) u staklu,
c) u dijamantu?

1310. Izračunajte indeks prelamanja stakla u odnosu na vodu kada zrak svjetlosti prelazi iz vode u staklo.

1311. Na slici 161 prikazana je zraka koja ide koso do ruba staklene ploče, a zatim izlazi u zrak. Nacrtajte putanju zraka u zraku.

1312. Slika 162 prikazuje zrak koji iz zraka pada na ivicu staklene ploče, prolazi kroz nju i izlazi u zrak. Nacrtajte putanju grede.

1313. Zrak iz vazduha ide u medijum A (Sl. 163). Odredite indeks loma medija A.

1314. Optička gustina vazduha raste sa približavanjem površini Zemlje. Kako će to uticati na putanju zraka koji ulazi u atmosferu:
a) vertikalno,
b) koso?
A) za zrak koji ulazi u atmosferu okomito, brzina će se smanjiti
B) za zrak koji ulazi u atmosferu, brzina će se ukoso smanjiti i putanja će biti savijena.

1315. Kada gledate kroz debelo staklo, predmeti vam se čine pomaknutim. Zašto?
Zatim, prolazeći kroz staklo, zraci svjetlosti se lome. Na taj način mijenja svoj smjer.

1316. Zašto planete na nebu sijaju ravnomjernom svjetlošću, a zvijezde svjetlucaju?

1317. Mjesec ima oblik lopte, ali nama sa Zemlje njegova površina izgleda ravna, a ne konveksna. Zašto?

1318. Kada pogledamo dole kroz vodu, na dno rezervoara, čini se da je bliže nego što zaista jeste. Zašto?
Zato što se svjetlost lomi dok prolazi kroz granicu zrak-voda. A dno se čini bliže nego što zaista jeste.

1319 *. Pročitajte prethodni problem. Odredite koliko je puta stvarna dubina veća od prividne.

1320 *. Kamen leži na dnu rijeke na dubini od 2 m (sl. 164). Ako ga pogledate odozgo, na kojoj dubini će nam se onda činiti?

1321. Pravi štap se spušta u vodu (sl. 165). Posmatrač gleda odozgo. Kako će mu se ukazati kraj štapa?

Štap će izgledati bliže pod vodom nego što zapravo jeste. Zbog prelamanja zraka na granici voda-vazduh.

1322. U vodi se nalazi šuplja staklena prizma ispunjena zrakom. Nacrtajte putanju zraka koji upada na jednu od prelamajućih strana takve prizme. Može li se reći da takva prizma dvaput odbija zrak svjetlosti koji prolazi kroz nju do baze?
Kada zrak prelazi iz vode u vazduh, zrak se odbija horizontalno, jer ugao prelamanja zraka u zraku je veći od upadnog ugla u vodi. Prošavši kroz prizmu, zrak pada na granicu zrak-voda. Zatim se prelama, odstupajući još malo prema gore.

1323. Indeks prelamanja vode je 1,33, terpentina 1,51. Pronađite indeks loma terpentina u odnosu na vodu.

1325. Odredi brzinu svjetlosti u dijamantu čiji je indeks prelamanja 2,4.

1326. Nacrtaj putanju zraka kada prelazi iz stakla u zrak, ako je upadni ugao 45°, a indeks prelamanja stakla 1,72.

1327. Naći granični kut ukupne unutrašnje refleksije za kamenu sol (n = 1,54).

1328. Odrediti pomicanje snopa pri prolasku kroz ravnoparalelnu staklenu ploču debljine d = 3 cm, ako snop pada pod uglom od 60°. Indeks loma stakla n = 1,51.

1329. Nađite položaj slike predmeta koji se nalazi na udaljenosti od 4 cm od prednje površine ravnoparalelne ploče debljine 1 cm, posrebrene na poleđini, uz pretpostavku da je indeks prelamanja tvari ploče 1,51.

1330. Debela staklena ploča potpuno je uronjena u vodu. Nacrtajte putanju zraka koji izlazi iz zraka kroz vodu i ploču. (Staklo je optički gušće od vode).

1331. Ponekad se čini da su predmeti koje posmatramo kroz prozor savijeni. Zašto?
Jer staklo nije savršeno ravno i glatko. To je zbog neujednačene distribucije optičke ravni stakla.

1332. Slika 166 prikazuje tačkasti izvor svjetlosti S smješten ispred trouglaste prizme. Ako gledamo na S kroz prizmu, gdje će nam se onda ova tačka pojaviti? Nacrtajte putanju zraka.

1333. Svjetlosni snop ide okomito na jednu od ivica staklene pravougaone trougaone prizme (sl. 167). Nacrtajte putanju zraka kroz prizmu.

• Upadni ugaoα se naziva ugao između upadnog svetlosnog snopa i okomice na interfejs između dva medija, rekonstruisan u tački upada (slika 1).

• Ugao refleksijeβ se naziva ugao između reflektovanog svetlosnog snopa i okomice na reflektujuću površinu, rekonstruisan u tački upada (vidi sliku 1).

• Ugao prelamanjaγ je ugao između prelomljenog svjetlosnog snopa i okomice na međuprostor između dva medija, rekonstruiran na mjestu upada (vidi sliku 1).

• Ispod grede razumjeti liniju duž koje se prenosi energija elektromagnetnog vala. Hajde da se dogovorimo da grafički predstavimo optičke zrake koristeći geometrijske zrake sa strelicama. U geometrijskoj optici, talasna priroda svetlosti se ne uzima u obzir (vidi sliku 1).

• Zove se zrake koje izlaze iz jedne tačke divergentan, i okupljanje u jednom trenutku - konvergirajući... Primjer divergentnih zraka je opažena svjetlost udaljenih zvijezda, a primjer konvergirajućih zraka je skup zraka koji padaju u zjenicu našeg oka iz raznih objekata.

Prilikom proučavanja svojstava svjetlosnih zraka eksperimentalno su ustanovljena četiri osnovna zakona geometrijske optike:

• zakon pravolinijskog širenja svjetlosti;
• zakon nezavisnosti svetlosnih zraka;
• zakon refleksije svetlosnih zraka;
• zakon prelamanja svetlosnih zraka.

Refrakcija svjetlosti

Mjerenja su pokazala da je brzina svjetlosti u materiji υ uvijek manja od brzine svjetlosti u vakuumu c.

• Odnos brzine svjetlosti u vakuumu c na njegovu brzinu u datom okruženju naziva se υ apsolutni indeks prelamanja:

\ (n = \ frac (c) (\ upsilon). \)

izraz " apsolutni indeks prelamanja medija"Često se zamjenjuje sa" srednji indeks prelamanja».

Razmotrimo upad zraka na ravnoj sučelji između dva prozirna medija s indeksima prelamanja n 1 i n 2 pod nekim uglom α (slika 2).

• Promjena smjera prostiranja zraka svjetlosti pri prolasku kroz međuprostor između dva medija naziva se prelamanje svetlosti.

Zakoni refrakcije:

• omjer sinusa upadnog ugla α i sinusa ugla prelamanja γ je konstantna vrijednost za dva data medija

\ (\ frac (sin \ alpha) (sin \ gamma) = \ frac (n_2) (n_1). \)

• zrake, upadne i prelomljene, leže u istoj ravni sa okomom povučenom u tački upada zraka na ravan međuprostora između dva medija.

za prelamanje, princip reverzibilnosti svetlosnih zraka:

• zraka svjetlosti koja se širi duž putanje prelomljenog zraka, prelomljenog u tački O na interfejsu između medija, širi se dalje duž putanje upadnog snopa.

Iz zakona prelamanja slijedi da ako je drugi medij optički gušći kroz prvi medij,

• one. n 2 > n 1, zatim α> γ \ (\ lijevo (\ frac (n_2) (n_1)> 1, \; \; \; \ frac (sin \ alpha) (sin \ gamma)> 1 \ desno) \) (Sl. 3, a);
• ako n 2 < n 1, zatim α< γ (рис. 3, б).

Rice. 3

Prvi spomeni prelamanja svjetlosti u vodi i staklu nalaze se u djelu Klaudija Ptolomeja "Optika", objavljenom u 2. vijeku nove ere. Zakon prelamanja svjetlosti eksperimentalno je ustanovio 1620. godine holandski naučnik Willebrod Snellius. Imajte na umu da je, nezavisno od Snella, zakon refrakcije otkrio i Rene Descartes.

Zakon prelamanja svjetlosti omogućava izračunavanje putanje zraka u različitim optičkim sistemima.

Na granici između dva prozirna medija, refleksija talasa se obično posmatra istovremeno sa lomom. Prema zakonu održanja energije, zbir reflektovanih energija W o i prelomljena W np talasi jednaka je energiji upadnog talasa W n:

W n = W np + W o.

Potpuna refleksija

Kao što je gore spomenuto, kada svjetlost prijeđe iz optički gušćeg medija u optički manje gust medij ( n 1 > n 2), ugao prelamanja γ postaje veći od upadnog ugla α (vidi sliku 3, b).

Kako se upadni ugao α povećava (slika 4), pri nekoj od njegovih vrednosti α 3, ugao prelamanja postaje γ = 90°, odnosno svetlost neće pasti u drugu sredinu. Pod uglovima velikim α 3, svetlost će se samo reflektovati. Refraktirana energija W np u ovom slučaju, ona će postati jednaka nuli, a energija reflektiranog vala bit će jednaka upadnoj energiji: W n = W o... Dakle, počevši od ovog upadnog ugla α 3 (u daljem tekstu α 0), sva svetlosna energija se reflektuje od interfejsa između ovih medija.

Ovaj fenomen se naziva totalna refleksija (vidi sliku 4).

• Ugao α 0 pod kojim počinje totalna refleksija naziva se granični ugao totalne refleksije.

Vrijednost ugla α 0 određena je iz zakona prelamanja, pod uslovom da je ugao prelamanja γ = 90 °:

\ (\ sin \ alpha_ (0) = \ frac (n_ (2)) (n_ (1)) \; \; \; \ lijevo (n_ (2)< n_{1} \right).\)

Književnost

Zhilko, V.V. Fizika: udžbenik. Dodatak za 11. razred opšteg obrazovanja. shk. from rus. lang. obuka / V.V. Zhilko, L.G. Marković. - Minsk: Nar. Asveta, 2009.-- S. 91-96.

Na međuprostoru dva prozirna medija, uz refleksiju svjetlosti, uočava se njeno prelamanje, prelazeći u drugi medij, mijenjajući smjer njegovog širenja.

Refrakcija svjetlosnog snopa nastaje kada koso pada na sučelje (međutim, nemojte uvijek čitati dalje o potpunoj unutrašnjoj refleksiji). Ako zraka padne okomito na površinu, tada neće biti prelamanja u drugom mediju, zraka će zadržati svoj smjer i također će ići okomito na površinu.

4.3.1 Zakon o prelamanju (poseban slučaj)

Počećemo sa posebnim slučajem kada je jedan od medija eter. To je situacija koja je prisutna u ogromnoj većini zadataka. Razgovaraćemo o odgovarajućem posebnom slučaju zakona loma, a tek onda ćemo dati njegovu najopštiju formulaciju.

Pretpostavimo da zrak svjetlosti koji putuje u zraku pada koso na površinu stakla, vode ili nekog drugog prozirnog medija. Prilikom prolaska u medijum, zrak se lomi, a njegov dalji tok je prikazan na slici 4.11.

srijeda O

Rice. 4.11. Refrakcija zraka na granici zrak-medij

U tački upada O, povučena je okomita (ili, kako kažu, normalna) CD na površinu medija. AO snop, kao i ranije, naziva se upadni snop, a ugao između upadnog snopa i normale je upadni ugao. OB snop je prelomljeni snop; ugao između prelomljenog zraka i normale na površinu naziva se ugao prelamanja.

Svaki prozirni medij karakterizira vrijednost n, koja se naziva indeksom prelamanja ovog medija. Indeksi loma različitih medija mogu se naći u tabelama. Na primjer, za staklo n = 1; 6, a za vodu n = 1; 33. Općenito, za bilo koje okruženje n> 1; indeks prelamanja jednak je jedinici samo u vakuumu. Za vazduh, n = 1; 0003, dakle, za vazduh, može se pretpostaviti sa dovoljnom tačnošću u zadacima n = 1 (u optici, vazduh se ne razlikuje mnogo od vakuuma).

Zakon prelamanja (prijelaz “vazduh – medij”).

1) Upadna zraka, prelomljena zraka i normala na površinu nacrtana u tački upada leže u istoj ravni.

2) Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja jednak je indeksu prelamanja.

okruženje:

Pošto je n> 1, iz relacije (4.1) proizlazi da je sin> sin, odnosno> ugao prelamanja manji od upadnog ugla. Zapamtite: prelazeći iz zraka u medij, snop nakon prelamanja ide bliže normali.

Indeks loma je direktno povezan sa brzinom v širenja svjetlosti u datom mediju. Ova brzina je uvijek manja od brzine svjetlosti u vakuumu: v< c. И вот оказывается,

Zašto se to događa, razumjet ćemo kada proučavamo optiku valova. Do tada, scombi

Razmotrimo formule (4.1) i (4.2):

Budući da je indeks prelamanja zraka vrlo blizu jedinici, možemo pretpostaviti da je brzina svjetlosti u zraku približno jednaka brzini svjetlosti u vakuumu, c. Uzimajući to u obzir i gledajući formulu (4.3), zaključujemo: omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja jednak je omjeru brzine svjetlosti u zraku i brzine svjetlosti u mediju.

4.3.2 Reverzibilnost svetlosnih zraka

Sada razmotrimo povratnu putanju zraka: njegovo prelamanje pri prelasku iz medija u zrak. Ovdje će nam pomoći sljedeći korisni princip.

Princip reverzibilnosti svetlosnih zraka. Putanja zraka je nezavisna od toga da li zraka putuje naprijed ili nazad. Krećući se u suprotnom smjeru, snop će slijediti potpuno isti put kao u smjeru naprijed.

Prema principu reverzibilnosti, pri prelasku iz sredine u vazduh, snop će ići po istoj putanji kao i prilikom odgovarajućeg prelaza iz vazduha u medij (slika 4.12).Jedina razlika između slika 4.12 i slike 4.11 je u tome što smjer zraka se promijenio u suprotan.

srijeda O

Rice. 4.12. Refrakcija zraka na granici "srednjeg zraka".

Kako se geometrijska slika nije promijenila, formula (4.1) će ostati ista: omjer sinusa ugla i sinusa ugla je i dalje jednak indeksu prelamanja medija. Istina, sada su uglovi promijenili 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. Uzmite dva ugla, upadni ugao i ugao prelamanja; omjer sinusa većeg ugla i sinusa manjeg ugla jednak je indeksu prelamanja medija.

Sada smo potpuno spremni da raspravljamo o zakonu refrakcije u najopštijem slučaju.

4.3.3 Zakon refrakcije (opći slučaj)

Neka svjetlost prođe iz medija 1 sa indeksom prelamanja n1 u medij 2 sa indeksom prelamanja n2. Medij sa većim indeksom prelamanja naziva se optički gušći; shodno tome, medij sa nižim indeksom prelamanja naziva se optički manje gustoće.

Prelazeći iz optički manje guste sredine u optički gušću, svjetlosni snop se nakon prelamanja približava normali (slika 4.13). U ovom slučaju, upadni ugao je veći od ugla prelamanja:>.

Rice. 4.13. n1< n2 ) >

Naprotiv, prelazeći iz optički gušće sredine u optički manje gustu, zrak dalje odstupa od normale (slika 4.14). Ovdje je upadni ugao manji od ugla prelamanja:

Rice. 4.14. n1> n2)<

Ispada da su oba ova slučaja pokrivena jednom formulom po opštem zakonu refrakcije, koji važi za bilo koja dva transparentna medija.

Zakon refrakcije.

1) Upadna zraka, prelomljena zraka i normalna na sučelje, nacrtana

v tačka upada, leže u istoj ravni.

2) Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja jednak je omjeru indeksa loma drugog medija i indeksa prelamanja prvog medija:

Lako je uočiti da je prethodno formulisani zakon prelamanja za prelaz „vazduh – medij“ poseban slučaj ovog zakona. Zaista, postavljanjem n1 = 1 i n2 = n u formuli (4.4), dolazimo do formule (4.1).

Podsjetimo se sada da je indeks prelamanja omjer brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u datom mediju: n1 = c = v1, n2 = c = v2. Zamijenivši ovo u (4.4), dobijamo:

Formula (4.5) prirodno generalizuje formulu (4.3). Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja jednak je omjeru brzine svjetlosti u prvom mediju prema brzini svjetlosti u drugom mediju.

4.3.4 Totalna unutrašnja refleksija

Kada svjetlosni zraci prelaze iz optički gušće sredine u optički manje gusto, uočava se zanimljiv fenomen totalne unutrašnje refleksije. 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 S, koji emituje zrake u svim smjerovima. Pogledaćemo neke od ovih zraka (slika 4.15).

S B 1

Rice. 4.15. Totalna unutrašnja refleksija

Snop SO1 pogađa površinu vode pod najmanjim uglom. Ovaj zrak se djelimično lomi (zraka O1 A1) i djelimično reflektira natrag u vodu (zraka O1 B1). Tako se dio energije upadnog snopa prenosi na prelomljeni snop, a ostatak energije na reflektirani snop.

Upadni ugao zraka SO2 je veći. Ovaj zrak je također podijeljen na dvije zrake, prelomljene i reflektirane. Ali energija prvobitnog zraka raspoređuje se između njih na drugačiji način: prelomljena zraka O2 A2 bit će tamnija od zraka O1 A1 (to jest, primit će manji dio energije), a reflektirana zraka O2 B2 je shodno tome svjetlija od zraka O1 B1 (primit će veću energiju frakcije).

Kako se upadni ugao povećava, može se pratiti isti obrazac: sve više energije upadne zrake odlazi na reflektiranu zraku, a sve manje na prelomljenu zraku. Prelomljena zraka postaje sve tamnija, a u nekom trenutku potpuno nestaje!

Ovaj nestanak nastaje kada upadni ugao dostigne 0, što odgovara kutu prelamanja od 90. U ovoj situaciji, prelomljena zraka OA bi morala ići paralelno s površinom vode, ali nije preostalo ništa, sva energija upadnog zraka SO otišla je u potpunosti na reflektiranu zraku OB.

Sa daljim povećanjem upadnog ugla, prelomljeni zrak će biti još više odsutan.

Opisani fenomen je potpuni unutrašnji odraz. Voda ne oslobađa zrake sa upadnim uglovima jednakim ili većim od određene vrijednosti od 0, sve takve zrake se potpuno reflektiraju natrag u vodu. Ugao 0 naziva se granični ugao ukupne refleksije.

Vrijednost 0 je lako pronaći iz zakona refrakcije. Imamo:

	greh 0
Ali sin 90 = 1, dakle
	greh 0
0 = arcsin

Dakle, za vodu, granični ugao ukupne refleksije je:

0 = arcsin1; 1 33 48; 8:

Fenomen potpune unutrašnje refleksije možete lako uočiti kod kuće. Sipajte vodu u čašu, podignite je i pogledajte površinu vode lagano odozdo kroz stijenku čaše. Videćete srebrnasti sjaj na površini zbog totalne unutrašnje refleksije, ponaša se kao ogledalo.

Najvažnija tehnička primjena za potpunu unutrašnju refleksiju je optička vlakna. Svjetlosne zrake, lansirane u optički kabel (svjetlovod) gotovo paralelno s njegovom osom, padaju na površinu pod velikim uglovima i potpuno se reflektiraju natrag u kabel bez gubitka energije. Više puta reflektovani, 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.

Iskustvo je opisano u jednoj od starogrčkih rasprava: „Čovek mora stajati tako da ravni prsten koji se nalazi na dnu posude bude skriven iza njenog ruba. Zatim, bez promjene položaja očiju, ulijte vodu u posudu. Svjetlost se lomi na površini vode, a prsten postaje vidljiv." Takav "trik" možete pokazati svojim prijateljima sada (vidi sliku 12.1), ali ga možete objasniti tek nakon što proučite ovaj paragraf.

Rice. 12.1. "Fokus" sa novčićem. Ako u čaši nema vode, ne vidimo novčić koji leži na njenom dnu (a); ako sipate vodu, dno šolje kao da se diže i novčić postaje vidljiv (b)

Uspostavljanje zakona prelamanja svjetlosti

Usmjerimo uski snop svjetlosti na ravnu površinu prozirnog staklenog polucilindra pričvršćenog na optičku podlošku.

Svjetlost će se ne samo odbijati od površine polucilindra, već će i djelomično proći kroz staklo. To znači da se pri prelasku iz vazduha u staklo menja smer širenja svetlosti (slika 12.2).

Promjena smjera širenja svjetlosti na granici između dva medija naziva se refrakcija svjetlosti.

Ugao γ (gama), koji formiraju prelomljeni zrak i okomita na granicu između dva medija, povučena kroz tačku upada zraka, naziva se ugao prelamanja.

Nakon provođenja serije eksperimenata s optičkom podloškom, primjećujemo da se s povećanjem upadnog kuta povećava i ugao prelamanja, a sa smanjenjem upadnog kuta smanjuje se kut prelamanja (slika 12.3) . Ako svjetlost pada okomito na granicu između dva medija (upadni ugao α = 0), smjer širenja svjetlosti se ne mijenja.

Prvo pominjanje prelamanja svjetlosti nalazi se u djelima starogrčkog filozofa Aristotela (IV vijek prije nove ere), koji je postavio pitanje: "Zašto se čini da je štap slomljen u vodi?" Ali zakon, koji kvantitativno opisuje prelamanje svjetlosti, ustanovio je tek 1621. holandski naučnik Willebrord Snellius (1580-1626).

Zakoni prelamanja svjetlosti:

2. Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja za ova dva medija je nepromijenjen:

gdje je n 2 1 fizička veličina koja se naziva relativni indeks prelamanja medija. 2 (medij u kojem se svjetlost širi nakon prelamanja) u odnosu na medij 1 (medij iz kojeg svjetlost pada).

Saznajte o razlogu prelamanja svjetlosti

Pa zašto svjetlost, prelazeći iz jednog medija u drugi, mijenja svoj smjer?

Činjenica je da u različitim medijima svjetlost putuje različitim brzinama, ali uvijek sporije nego u vakuumu. Na primjer, u vodi je brzina svjetlosti 1,33 puta manja nego u vakuumu; kada svjetlost prelazi iz vode u staklo, njena brzina se smanjuje još 1,3 puta; u vazduhu je brzina širenja svetlosti 1,7 puta veća nego u staklu, a tek nešto manja (oko 10003 puta) nego u vakuumu.

Upravo je promjena brzine prostiranja svjetlosti tokom prijelaza iz jednog prozirnog medija u drugi razlog prelamanja svjetlosti.

Uobičajeno je govoriti o optičkoj gustoći medija: što je manja brzina prostiranja svjetlosti u mediju (što je veći indeks prelamanja), to je veća optička gustoća medija.

Šta mislite koja je optička gustina kog medija veća - vode ili stakla? optička gustoća kojeg medija je manja - stakla ili zraka?

Pronalaženje fizičkog značenja indeksa loma

Relativni indeks loma (n 2 1) pokazuje koliko je puta brzina prostiranja svjetlosti u mediju 1 veća (ili manja) od brzine prostiranja svjetlosti u mediju 2:

Sjećajući se drugog zakona prelamanja svjetlosti:

Nakon analize posljednje formule, donosimo zaključke:

1) što se više menja brzina širenja svetlosti na granici između dva medija, to se više svetlosti lomi;

2) ako zraka svjetlosti prođe u medij veće optičke gustoće (odnosno, brzina svjetlosti se smanjuje: v 2< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);

3) ako svjetlosni zrak prođe u medij sa manjom optičkom gustinom (tj. brzina svjetlosti raste: v 2> v 1), tada je ugao prelamanja veći od upadnog ugla: γ> a (sl. 12.4).

Obično se brzina širenja svjetlosti u mediju poredi sa brzinom njenog širenja u vakuumu. Kada svjetlost uđe u medij iz vakuuma, indeks loma n naziva se apsolutni indeks loma.

Apsolutni indeks loma pokazuje koliko je puta brzina prostiranja svjetlosti u mediju manja nego u vakuumu:

gdje je c brzina prostiranja svjetlosti u vakuumu (c = 3 · 10 8 m/s); v je brzina širenja svjetlosti u mediju.

pirinač. 12.4. Kada svjetlost prelazi iz medija veće optičke gustoće u medij sa manjom optičkom gustoćom, ugao prelamanja je veći od upadnog ugla (γ> α)

Brzina širenja svjetlosti u vakuumu je veća nego u bilo kojoj sredini, tako da je apsolutni indeks prelamanja uvijek veći od jedinice (vidi tabelu).

Rice. 12.5. Ako svjetlost pada iz stakla u zrak, tada s povećanjem upadnog kuta, kut loma se približava 90 °, a svjetlina prelomljenog snopa se smanjuje

s obzirom na prelazak svjetlosti iz zraka u medij, pretpostavit ćemo da je relativni indeks prelamanja medija jednak apsolutnom.

Fenomen prelamanja svjetlosti koristi se u radu mnogih optičkih uređaja. O nekima od njih ćete saznati kasnije.

Primjena fenomena totalne unutrašnje refleksije svjetlosti

Razmotrimo slučaj kada svjetlost prelazi iz medija veće optičke gustoće u medij sa nižom optičkom gustinom (slika 12.5). Vidimo da se s povećanjem upadnog kuta (a 2> v), kut loma γ približava 90 °, svjetlina prelomljenog zraka opada, a svjetlina reflektiranog, naprotiv, raste. Jasno je da ako se upadni ugao dodatno poveća, ugao loma će dostići 90°, prelomljeni snop će nestati, a upadni snop će se potpuno (bez gubitka energije) vratiti u prvi medij - svetlost će biti potpuno reflektovano.

Pojava u kojoj nema prelamanja svjetlosti (svjetlost se potpuno reflektira od medija manje optičke gustoće) naziva se totalna unutrašnja refleksija svjetlosti.

Fenomen totalne unutrašnje refleksije svjetlosti dobro je poznat onima koji su plivali pod vodom otvorenih očiju (slika 12.6).

pirinač. 12.6. Posmatraču pod vodom dio površine vode izgleda kao da je sjajan, poput ogledala

Vekovima su draguljari koristili fenomen potpune unutrašnje refleksije kako bi poboljšali privlačnost dragog kamenja. Prirodno kamenje se reže - daju im oblik poliedara: fasete kamena djeluju kao "unutrašnja ogledala", a kamen se "igra" u zracima svjetlosti koja pada na njega.

Totalna unutrašnja refleksija se široko koristi u optičkoj tehnologiji (slika 12.7). Ali glavna primjena ovog fenomena je u optičkim vlaknima. Ako se snop svjetlosti usmjeri na kraj čvrste tanke "staklene" cijevi, nakon višestruke refleksije, svjetlost će izaći na njenom suprotnom kraju, bez obzira da li je cijev zakrivljena ili ravna. Ova cijev se naziva svjetlovod (slika 12.8).

Svetlovodi se koriste u medicini za pregled unutrašnjih organa (endoskopija); u tehnologiji, posebno za otkrivanje kvarova unutar motora bez njihovog rastavljanja; za osvetljenje zatvorenih prostorija, itd. (Sl. 12.9).

Ali najčešće se optička vlakna koriste kao kablovi za prenos informacija (slika 12.10). "Stakleni kabel" je mnogo jeftiniji i lakši od bakra, praktički ne mijenja svoja svojstva pod utjecajem okoline, omogućava prijenos signala na velike udaljenosti bez pojačanja. Danas, optičke komunikacijske linije brzo zamjenjuju tradicionalne. Kada gledate TV ili koristite internet, imajte na umu da značajan dio svoje putanje signal putuje po "staklenom putu".

Učenje rješavanja problema Problem. Svjetlosni snop prelazi iz medija 1 u medij 2 (slika 12.11, a). Brzina širenja svjetlosti u mediju 1 je 2,4 · 10 8 m/s. Odrediti apsolutni indeks prelamanja medija 2 i brzinu širenja svjetlosti u mediju 2.

Analiza fizičkog problema

Od sl. 12.11, ali vidimo da se na granici između dva medija svjetlost lomi, što znači da se mijenja brzina njenog širenja.

Izvršimo sliku s objašnjenjem (slika 12.11, b), u kojoj:

1) oslikati zrake date u iskazu problema;

2) kroz tačku upada zraka povući okomitu na granicu između dva medija;

3) označiti sa α upadni ugao i γ - ugao prelamanja.

Apsolutni indeks prelamanja je indeks loma u odnosu na vakuum. Stoga, da bismo riješili problem, treba se prisjetiti vrijednosti brzine širenja svjetlosti u vakuumu i pronaći brzinu širenja svjetlosti u sredini 2 (v 2).

Da biste pronašli v 2, odredite sinus upadnog ugla i sinus ugla prelamanja.

Analiza rješenja. Po uslovu zadatka, upadni ugao je veći od ugla prelamanja, što znači da je brzina svetlosti u mediju 2 manja od brzine svetlosti u mediju 1. Dakle, dobijeni rezultati su realni.

Sažimanje

Svjetlosni snop koji pada na sučelje između dva medija se dijeli na dva snopa. Jedan od njih - reflektiran - reflektuje se od površine, poštujući zakone refleksije svjetlosti. Druga - prelomljena - prelazi u drugu okolinu, mijenjajući svoj smjer.

Zakoni prelamanja svjetlosti:

1. Upadna zraka, prelomljena zraka i okomita na granicu između dva medija, povučena kroz tačku upada zraka, leže u istoj ravni.

2. Za ova dva medija, omjer sinusa upadnog ugla α i sinusa ugla prelamanja γ je konstantan:

Razlog loma svjetlosti je promjena brzine njenog širenja pri prelasku iz jednog medija u drugi. Relativni indeks loma n 2 i pokazuje koliko je puta brzina prostiranja svjetlosti u mediju 1 veća (ili manja) od brzine prostiranja svjetlosti

u okruženju 2:

Kada svjetlost uđe u medij iz vakuuma, indeks loma n naziva se apsolutni indeks loma: n = c / v.

Ako je, kada svjetlost prelazi iz medija 1 u medij 2, brzina širenja svjetlosti smanjena (tj. indeks loma medija 2 je veći od indeksa loma medija 1: n 2> n 1), onda kažu da svjetlost je prešla iz medija sa nižom optičkom gustinom u medij sa većom optičkom gustinom (i obrnuto).

Kontrolna pitanja

1. Koji eksperimenti potvrđuju fenomen prelamanja svjetlosti na granici između dva medija? 2. Formulirajte zakone prelamanja svjetlosti. 3. Koji je razlog prelamanja svjetlosti? 4. Šta pokazuje indeks prelamanja svjetlosti? 5. Kako je brzina širenja svjetlosti povezana s optičkom gustinom medija? 6. Dajte definiciju apsolutnog indeksa prelamanja.

Vježba broj 12

1. Prebacite pirinač. 1 u svesci. Pod pretpostavkom da medij 1 ima veću optičku gustoću od medija 2, za svaki slučaj, shematski konstruirajte upadnu (ili prelomljenu) zraku, označite upadni ugao i ugao prelamanja.

2. Izračunati brzinu širenja svjetlosti u dijamantu; voda; zrak.

3. Snop svjetlosti pada iz zraka u vodu pod uglom od 60°. Ugao između reflektovanih i prelomljenih zraka je 80°. Izračunajte ugao prelamanja zraka.

4. Kada mi, stojeći na obali akumulacije, pokušavamo okom odrediti njegovu dubinu, ona nam se uvijek čini manjom nego što zapravo jest. Koristeći sl. 2, objasnite zašto je to slučaj.

5. Koliko vremena je potrebno svjetlosti da putuje od dna 900 m dubokog jezera do površine vode?

6. Objasnite "trik" sa prstenom (kovanicom) opisanim na početku § 12 (vidi sl. 12.1).

7. Svjetlosni snop prelazi iz medija 1 u medij 2 (slika 3). Brzina širenja svjetlosti u mediju 1 je 2,5 · 10 8 m/s. definirati:

1) koji medij ima veliku optičku gustinu;

2) indeks prelamanja sredine 2 u odnosu na medijum 1;

3) brzina prostiranja svetlosti u sredini 2;

4) apsolutni indeks prelamanja svake sredine.

8. Posljedica prelamanja svjetlosti u Zemljinoj atmosferi je pojava fatamorgana, kao i činjenica da Sunce i zvijezde vidimo malo više od njihovog stvarnog položaja. Iskoristite prednosti dodatnih izvora informacija i saznajte više o ovim prirodnim fenomenima.

Eksperimentalni zadaci

1. "Trik s novčićem." Demonstrirajte prijatelju ili članu porodice iskustvo s novčićem (vidi sliku 12.1) i objasnite ga.

2. "Vodeno ogledalo". Posmatrajte ukupnu refleksiju svjetlosti. Da biste to učinili, napunite čašu vodom do pola. Uronite predmet u staklo, na primjer plastično tijelo ručke, po mogućnosti s natpisom. Držeći čašu u ruci, postavite je na udaljenosti od otprilike 25-30 cm od očiju (vidi sliku). Tokom eksperimenta morate paziti na tijelo olovke.

U početku, kada pogledate gore, vidjet ćete cijelo tijelo ručke (i pod vodom i iznad vode). Polako odmaknite staklo od sebe, bez promjene visine njegove lokacije.

Kada vam staklo bude dovoljno udaljeno od očiju, površina vode će vam postati zrcalna – vidjet ćete zrcalnu sliku podvodnog dijela tijela ručke.

Objasnite uočeni fenomen.

LABORATORIJSKI RAD br. 4

Tema. Ispitivanje prelamanja svjetlosti.

Svrha: određivanje indeksa prelamanja stakla u odnosu na zrak.

Oprema: staklena ploča sa paralelnim ivicama, olovka, kvadrat sa milimetarskom skalom, šestar.

UPUTSTVO ZA RAD

Priprema za eksperiment

1. Prije nego počnete raditi, zapamtite:

1) zahtevi bezbednosti pri radu sa staklenim predmetima;

2) zakoni prelamanja svetlosti;

3) formula za određivanje indeksa prelamanja.

2. Pripremite slike za posao (pogledajte sliku 1). Za ovo:

1) stavite staklenu ploču na stranicu sveske i oštro naoštrenom olovkom ocrtajte obris ploče;

2) na segmentu koji odgovara položaju gornje lomne površine ploče:

Označite tačku O;

Povucite pravu k kroz tačku O, okomitu na ovaj segment;

Koristeći šestar, nacrtajte krug poluprečnika 2,5 cm sa centrom u tački O;

3) pod uglom od približno 45° nacrtati zrak koji će odrediti pravac upada svetlosnog snopa na tačku O; tačku preseka zraka i kruga označiti slovom A;

4) ponoviti korake opisane u paragrafima 1-3, još dva puta (izvršiti još dva crteža), prvo povećavajući, a zatim smanjujući navedeni upadni ugao svetlosnog snopa.

Eksperimentiraj

Strogo se pridržavajte sigurnosnih uputa (pogledajte završni papir udžbenika).

1. Stavite staklenu ploču preko prve konture.

2. Gledajući AO snop kroz staklo, na donjoj ivici ploče, stavite tačku M tako da izgleda da se nalazi na produžetku AO zraka (slika 2).

3. Ponovite korake 1 i 2 za još dva kruga.

Obrada rezultata eksperimenta

Rezultate mjerenja i proračuna odmah unesite u tabelu.

Za svaki eksperiment (vidi sliku 3):

1) proći prelomljeni zrak OM;

2) naći tačku preseka zraka OM sa kružnicom (tačka B);

3) iz tačaka A i B spustiti okomite na pravu k, izmeriti dužine a i b dobijenih segmenata i poluprečnik kružnice r;

4) odrediti indeks loma stakla u odnosu na zrak:

Analiza eksperimenta i njegovih rezultata

Analizirajte eksperiment i njegove rezultate. Formulirajte zaključak u kojem navedite: 1) koju ste fizičku veličinu odredili; 2) kakav rezultat ste dobili; 3) da li vrednost dobijene vrednosti zavisi od upadnog ugla svetlosti; 4) koji su razlozi moguće greške eksperimenta.

Kreativni zadatak

Koristeći sl. 4, razmislite i zapišite plan za provođenje eksperimenta za određivanje indeksa prelamanja vode u odnosu na zrak. Uradite eksperiment ako je moguće.

Zadatak "sa zvjezdicom"

gde je n meas - dobijena tokom eksperimenta, vrednost indeksa prelamanja stakla u odnosu na vazduh; n je tabelarna vrijednost apsolutnog indeksa prelamanja stakla od kojeg je ploča napravljena (pitajte svog učitelja).

Ovo je tutorial materijal

Zakoni prelamanja svjetlosti.

Fizičko značenje indeksa prelamanja. 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 snop izlazi veća (manja) od brzine svjetlosti u mediju u koji ulazi.

Budući da je brzina prostiranja elektromagnetnih talasa u vakuumu konstantna, preporučljivo je odrediti indekse prelamanja različitih medija u odnosu na vakuum. Odnos brzine sa širenje svjetlosti u vakuumu do brzine njenog širenja u datom okruženju naziva se 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.

Tipično, optička svojstva tvari karakterizira indeks prelamanja n u odnosu na vazduh, koji se malo razlikuje od apsolutnog indeksa prelamanja. U ovom slučaju, medij s višom apsolutnom vrijednošću naziva se optički gušći.

Granični ugao prelamanja. Ako svjetlost prelazi iz medija sa nižim indeksom loma u medij sa većim indeksom loma ( n 1< n 2 ), tada je ugao prelamanja manji od upadnog ugla

r< i (sl. 3).

Rice. 3. Refrakcija svjetlosti tokom tranzicije

iz optički manje gustog medija u medij

optički gušći.

Sa povećanjem upadnog ugla do i m = 90° (zraka 3, slika 2) svjetlost u drugom mediju će se širiti samo unutar ugla r pr pozvao granični ugao prelamanja... U područje drugog medija unutar kuta komplementarnog graničnom kutu prelamanja (90° - i pr ), svjetlost ne prodire (ova oblast je zasjenjena na sl. 3).

Granični ugao prelamanja r pr

Ali sin i m = 1, dakle.

Fenomen potpune unutrašnje refleksije. Kada svjetlost dolazi iz medija s visokim indeksom prelamanja 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 što odgovara kutu prelamanja r m = 90 °.

Rice. 4. Refrakcija svjetlosti tokom prijelaza iz optički gušće sredine u mediju

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 ukupne unutrašnje refleksije.

Granični ugao ukupne 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 medija u drugi jednak je graničnom kutu ukupne unutrašnje refleksije pri prelasku zraka iz drugog medija. do prvog.

Granični ugao ukupne 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 se reflektiraju. Ovo svojstvo stakla koristi se u rotirajućim (slika 5a) i reverzibilnim (slika 4b) prizmama, koje se često koriste u optičkim uređajima.

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

Optika. 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 prelamanja.

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. Sami optički dijelovi i uređaji nazivaju se istim pojmom. U medicini se svjetlovodi koriste za osvjetljavanje unutrašnjih šupljina hladnom svjetlošću i prenošenje slike.

Praktični dio

Uređaji za određivanje indeksa prelamanja tvari nazivaju se refraktometri(sl. 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: skala indeksa loma i skala koncentracije otopina),

7 - okular.

Glavni dio refraktometra je mjerna glava koja se sastoji od dvije prizme: svjetleće, 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 uglovima, uključujući i pod uglom od 90 0. U mjernoj prizmi, zraci se sakupljaju u području graničnog ugla prelamanja, što objašnjava formiranje 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 RASTVORU

Prirodno i polarizovano svetlo. 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 jačine električnog i magnetnog polja međusobno su okomiti i leže u ravni okomitoj na vektor brzine širenja talasa.

Zbog činjenice da su i hemijski i biološki efekti svetlosti uglavnom povezani sa električnom komponentom elektromagnetnog talasa, vektor E intenzitet ovog polja se naziva vektor svetlosti, a ravan oscilacija ovog vektora je ravan oscilovanja svetlosnog talasa.

U bilo kojem izvoru svjetlosti, valove emituje mnogo atoma i molekula, svjetlosni vektori ovih valova nalaze se u različitim ravnima, a oscilacije se javljaju u različitim fazama. Posljedično, ravan oscilacije 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 izaberemo dvije međusobno okomite ravni koje prolaze kroz zrak prirodne svjetlosti i projektiramo vektore E na ravan, tada će u prosjeku ove projekcije biti iste. Stoga je zgodno prikazati zrak prirodnog svjetla kao pravu liniju na kojoj se nalazi isti broj tih i drugih projekcija u obliku crtica i tačaka:

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

Zgodno je prikazati ravni polarizirani svjetlosni val na sljedeći način:

Polarizacija svjetlosti također može biti djelomična. U ovom slučaju, amplituda oscilacija vektora svjetlosti u bilo kojoj ravni znatno premašuje amplitude oscilacija u preostalim ravnima.

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

U svim metodama pretvaranja prirodne svjetlosti u polariziranu svjetlost, komponente sa dobro definiranom orijentacijom ravni polarizacije se u potpunosti ili djelimično biraju iz prirodne svjetlosti.

Metode za dobijanje polarizovane svetlosti: a) refleksija i prelamanje svetlosti na granici dva dielektrika; b) prenos svjetlosti kroz optički anizotropne jednoosne kristale; c) prenos svjetlosti kroz medije čija je optička anizotropija umjetno stvorena djelovanjem električnog ili magnetskog polja, kao i zbog deformacije. Ovi načini se zasnivaju 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 izotropna.

Polarizacija se takođe primećuje kod rasejanja svetlosti. Stepen polarizacije je veći, što je manja veličina čestica na kojima dolazi do raspršivanja.

Zovu se uređaji dizajnirani za proizvodnju polarizirane svjetlosti polarizatori.

Polarizacija svjetlosti refleksijom i lomom na granici između dva dielektrika. Kada se prirodna svjetlost reflektira i lomi na granici između dva izotropna dielektrika, ona je linearno polarizirana. Pri proizvoljnom upadnom kutu, polarizacija reflektirane svjetlosti je djelomična. U reflektovanom snopu prevladavaju oscilacije okomite na ravan upada, dok su u prelomljenom snopu paralelne s njim (slika 2).

Rice. 2. Djelomična polarizacija prirodne svjetlosti refleksijom i lomom

Ako upadni ugao zadovoljava uslov tan 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, reflektirani i prelomljeni zraci su međusobno okomiti.

Je relativni indeks prelamanja 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 veliki broj kristala (kalcit, kvarc, itd.), u kojima se zraka svjetlosti, prelamajući, dijeli na dvije zrake različitih svojstava. Kalcit (islandski špart) je kristal sa heksagonalnom rešetkom. Osa simetrije heksagonalne prizme koja formira njegovu 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 se ploča izreže iz kristala kalcita tako da su joj rubovi okomiti na optičku os, a snop svjetlosti se usmjeri duž optičke ose, tada u njoj neće doći do promjena. Ako snop usmjerite 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. Dvolomnost kada svjetlost prolazi kroz kalcitnu ploču.

MN je optička osa.

Obična zraka leži u ravni upada i ima indeks prelamanja koji je uobičajen za datu supstancu. 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 neobični zraci su polarizovani. Ravan oscilovanja običnih zraka je okomita na glavnu ravan. Oscilacije izvanrednih zraka javljaju se u glavnoj ravni kristala.

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

Prema Huygensovom principu, u slučaju dvoloma, u svakoj tački na površini vala koja dopire do granice kristala, istovremeno se pojavljuju dva elementarna vala (a ne jedan, kao u običnim medijima!), koji se šire u kristalu.

Brzina širenja jednog talasa u svim pravcima 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(sl. 5).

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

sa dvolomom.

Nicolas 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 ose prizme (slika 6), izvanredni snop pada na ravan lijepljenja pod manjim uglom i prolazi kroz nju, gotovo bez promjene smjera. Obična zraka pada pod uglom većim od ugla ukupne 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. Nicolas prizma. Shema prolaska običnog

i izvanredne zrake.

Dikroizam. Postoje kristali koji apsorbuju obične i neobične zrake na različite načine. 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. Prolazak svjetlosti kroz kristal turmalina.

Različita priroda apsorpcije običnih i izvanrednih zraka naziva se anizotropija apsorpcije, ili dikroizam. Tako 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. Ceo ovaj sistem je fiksiran u okviru.

Jeftina polaroida i mogućnost proizvodnje ploča velike površine omogućile su njihovu široku primjenu u praksi.

Analiza polarizovane svetlosti. 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 poklapaju sa njegovom glavnom ravninom. Inače, samo komponenta vibracije koja se poklapa sa 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 ugao između ravni ulaznog svjetla i svjetlosti koju emituje analizator.

Prolazak svetlosti kroz sistem polarizator-analizator je šematski 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 ravni polarizatora i analizatora nalaze se pod određenim uglom;

c) glavne ravni polarizatora i analizatora su međusobno okomite.

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

Rotacija ravni oscilovanja polarizovane svetlosti. Polarimetrija. Neki kristali, kao i otopine organskih tvari, imaju svojstvo rotiranja ravnine oscilacije polarizirane svjetlosti koja prolazi kroz njih. Ove supstance se nazivaju optički a aktivan... 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). Prva modifikacija se zove desnorotirajući ili pozitivno, sekunda - levorotirajući, ili negativan.

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

U čvrstim tijelima, ugao φ rotacije ravni polarizacije direktno je proporcionalan dužini d putanje svjetlosnog snopa u tijelu:

gdje je α - kapacitet rotacije (specifična rotacija), ovisno o vrsti tvari, temperaturi i talasnoj dužini. Za modifikacije lijevo i desno, rotacijske sposobnosti su iste po veličini.

Za rješenja, kut rotacije ravni polarizacije

,

gdje je α specifična rotacija, c je koncentracija optički aktivne tvari u otopini. Vrijednost α zavisi od prirode optički aktivne supstance i rastvarača, temperature i talasne dužine svetlosti. Specifična rotacija- ovo je ugao rotacije povećan za 100 puta za otopinu debljine 1 dm pri koncentraciji od 1 gram na 100 cm 3 otopine na temperaturi od 20 0 C i na talasnoj dužini svjetlosti λ = 589 nm . Veoma osjetljiva metoda za određivanje koncentracije c, zasnovana na ovom omjeru, naziva se polarimetrija (saharimetrija).

Zavisnost rotacije ravni polarizacije od talasne dužine svetlosti naziva se rotacione disperzije. U prvoj aproksimaciji, Bio zakon:

gdje je A koeficijent koji ovisi 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 zove saharimetar(sl. 9).

Rice. 9. Optička šema saharimetra:

I - izvor prirodne svjetlosti;

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

sa Bio-ovim zakonom;

L - sabirna sočiva, koja daje paralelni snop svjetlosti 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 stavlja epruveta sa rastvorom i rotacijom analizatora ponovo se postiže zatamnjenje vidnog polja. Najmanji od dva ugla kroz koja je potrebno rotirati analizator je ugao rotacije ispitivane supstance. Ugao 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 ćelija i tkiva koje se pojavljuju kada se posmatraju u polarizovanom svetlu. Strukture koje se sastoje od molekula raspoređenih paralelno, ili diskova raspoređenih u hrpu, kada se unesu u medijum sa indeksom prelamanja koji se razlikuje od indeksa prelamanja čestica strukture, pokazuju sposobnost da dvolomnost. To znači da će struktura propuštati polariziranu svjetlost samo kada je ravan polarizacije paralelna sa dugim osama čestica. Ovo važi čak i kada čestice ne pokazuju intrinzičnu dvolomnost. Optički anizotropija uočeno u mišićima, vezivnom tkivu (kolagen) i nervnim vlaknima.

Sam naziv skeletnog mišića" prugasti " povezana s razlikom u optičkim svojstvima pojedinih dijelova mišićnog vlakna. Sastoji se od naizmjeničnih tamnijih i svjetlijih dijelova tkiva. To daje vlaknu poprečnu prugastost. Ispitivanje mišićnog vlakna u polariziranom svjetlu otkriva da su tamnija područja anizotropna i imaju svojstva dvolomnost dok su tamnija područja izotropna. Kolagen vlakna su anizotropna, njihova optička osa se nalazi duž ose vlakna. Micele u pulpi neurofibril su također anizotropne, ali su njihove optičke ose smještene u radijalnim smjerovima. Za histološko ispitivanje ovih struktura koristi se polarizacijski mikroskop.

Najvažnija komponenta polarizacionog mikroskopa je polarizator, 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 ukrste, a objekta nema ili postoji izotropno, polje izgleda jednolično tamno. Ako postoji objekat sa dvolomom, a nalazi se tako da je njegova os pod uglom u odnosu na ravan polarizacije koji nije 0 0 ili 90 0, on će podijeliti polariziranu svjetlost na dvije komponente - paralelnu i okomitu na ravan 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. Interferencija svjetlosti je pojava koja nastaje kada se svjetlosni valovi superponiraju i praćena je njihovim pojačavanjem ili slabljenjem. Stabilan interferentni obrazac nastaje kada se koherentni talasi superponiraju. Koherentni talasi su talasi jednakih frekvencija i istih faza ili sa 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 svetlosnog talasa.

Slabljenje svjetlosnih valova tijekom interferencije (minimalni uvjet) se uočava ako se neparan broj polutalasnih dužina uklapa u razliku optičkog puta 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. Interferencija u tankim filmovima može se uočiti u mjehurićima od sapunice, u tački kerozina na površini vode kada je obasjana sunčevom svjetlošću.

Neka zraka 1 padne na površinu tankog filma (vidi sliku 2). Zraka, prelomljena na granici zrak-film, prolazi kroz film, odbija se od njegove unutrašnje površine, približava se vanjskoj površini filma, lomi se na granici film - zrak i zrak izlazi. 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 ujednačen po debljini. Posljedično, postoje različite putne razlike u veličini, koje odgovaraju različitim valnim dužinama (obojeni filmovi sapuna, prelive boje krila nekih nasomana i ptica, filmovi ulja ili ulja na površini vode, itd.).

Interferencija svjetlosti se koristi u uređajima - interferometrima. Interferometri su optički uređaji pomoću kojih možete prostorno odvojiti dva snopa i stvoriti određenu razliku putanje između njih. Interferometri se koriste za određivanje talasnih dužina sa visokim stepenom tačnosti za kratke udaljenosti, indeksa prelamanja supstanci i određivanje kvaliteta 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 Hajgensu, svaka tačka medija, do koje u datom trenutku dopire primarni talas, izvor je sekundarnih talasa. Fresnel je precizirao ovu Hajgensovu poziciju, dodajući da su sekundarni talasi koherentni, tj. kada se preklope, dat će stabilan interferentni uzorak.

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

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

Na putu zraka postavlja se sočivo L , u čijoj se fokalnoj ravni nalazi ekran NS ... Većina zraka se ne difraktuje, tj. ne mijenjaju svoj smjer i fokusirani su pomoću sočiva L u sredini ekrana, formirajući centralni maksimum ili maksimum nultog reda. Zrake su se difraktirale pod jednakim uglovima difrakcije φ , formiraće maksimume 1,2,3, ..., n - naređenja.

Dakle, difrakcijski uzorak dobijen iz jednog proreza u paralelnim snopovima pod osvjetljenjem monokromatskom svjetlošću je svjetlosna traka s maksimalnom osvjetljenjem u sredini ekrana, zatim slijedi tamna traka (minimum 1. reda), zatim svijetla traka ( maksimalno 1. reda), tamne pruge (minimalno 2. reda), maksimalno 2. reda, itd. Difrakcijski uzorak je simetričan u odnosu na centralni maksimum. Kada se prorez osvijetli bijelim svjetlom, na ekranu se formira sistem obojenih pruga; samo će središnji maksimum zadržati boju upadne svjetlosti.

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

gdje k - red 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 Da li je red minimuma.

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

Glavna karakteristika difrakcione rešetke je njen period d ... period difrakcione rešetke je ukupna širina prozirnih i neprozirnih traka:

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

gdje R - rezolucija.

Izvođenje formule za difrakcionu rešetku. Usmjerimo dva paralelna snopa na difrakcijsku rešetku: 1 i 2 tako da je udaljenost između njih jednaka periodu rešetke d .

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

Grede i fokusiran objektivom L na ekranu koji se nalazi u fokalnoj ravni sočiva (slika 5). Svaki prorez na rešetki može se smatrati izvorom sekundarnih valova (Huygens - Fresnel 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),

SV = Δ - optička razlika putanja.

Pošto u tački D opažamo maksimalnu interferenciju, onda

gdje k - red maksimuma,

λ - dužina svetlosnog talasa.

Zamjena vrijednosti AB = d, u formulu za sinφ :

Odavde dobijamo:

U opštem obliku, formula za difrakcionu rešetku je:

Znakovi ± označavaju da je uzorak interferencije na ekranu simetričan u odnosu na centralni maksimum.

Fizičke osnove holografije. Holografija je metoda snimanja i rekonstrukcije talasnog polja, koja se zasniva na fenomenu difrakcije i interferencije talasa. Ako se na običnoj fotografiji zabilježi samo intenzitet valova koji se reflektiraju od objekta, tada se faze valova dodatno snimaju na hologramu, što daje dodatne informacije o objektu i omogućava vam da dobijete trodimenzionalnu sliku objekt.