1308. Er det muligt for en stråle at passere gennem grænsefladen mellem to forskellige medier uden brydning? Hvis ja, under hvilke betingelser?
Ja. Under betingelse af lodret fald på grænsefladen mellem to forskellige medier.

1309. Hvad er lysets hastighed:
a) i vand,
b) i glas,
c) i en diamant?

1310. Beregn brydningsindekset for glas i forhold til vand, når en lysstråle passerer fra vand til glas.

1311. Figur 161 viser en stråle, der går skråt til kanten af ​​glaspladen, og derefter går ud i luften. Tegn strålens bane i luften.

1312. Figur 162 viser en stråle, der falder fra luft ned på kanten af ​​en glasplade, passerer den og går ud i luften. Tegn bjælkens bane.

1313. En stråle fra luften går til mediet A (fig. 163). Find brydningsindekset for mediet A.

1314. Luftens optiske tæthed stiger med, at man nærmer sig Jordens overflade. Hvordan dette vil påvirke banen for strålen, der kommer ind i atmosfæren:
a) lodret,
b) skråt?
A) for en stråle, der kommer lodret ind i atmosfæren, vil hastigheden falde
B) for en stråle, der kommer ind i atmosfæren, vil hastigheden falde skråt, og banen vil blive bøjet.

1315. Når du ser gennem tykt glas, virker genstande forskudt på dig. Hvorfor?
Derefter, der passerer gennem glasset, brydes lysstrålerne. Således ændrer dens retning.

1316. Hvorfor skinner planeterne på himlen med et jævnt lys, og stjernerne blinker?

1317. Månen har form som en kugle, men for os fra Jorden virker dens overflade flad, ikke konveks. Hvorfor?

1318. Når vi ser ned gennem vandet, til bunden af ​​reservoiret, virker det tættere på, end det egentlig er. Hvorfor?
Fordi lys brydes, når det passerer gennem luft-vand-grænsefladen. Og bunden virker tættere på, end den i virkeligheden er.

1319 *. Læs det forrige problem. Bestem, hvor mange gange den faktiske dybde er større end den tilsyneladende.

1320 *. Stenen ligger i bunden af ​​åen i en dybde af 2 m (fig. 164). Hvis du ser på det fra oven, i hvilken dybde vil det så virke for os?

1321. En lige Stang sænkes i Vandet (Fig. 165). Iagttageren ser fra oven. Hvordan vil enden af ​​stangen se ud for ham?

Stangen vil fremstå tættere under vandet, end den faktisk er. På grund af brydningen af ​​stråler ved vand-luft-grænsefladen.

1322. Der er et hult glasprisme fyldt med luft i vandet. Tegn banen for en stråle, der falder ind på en af ​​de brydende flader af et sådant prisme. Er det muligt at sige, at et sådant prisme to gange afbøjer en lysstråle, der passerer gennem det, til basen?
Når en stråle går fra vand til luft, afbøjes strålen vandret op, pga brydningsvinklen i luft er større end indfaldsvinklen i vand. Efter at have passeret gennem prismet falder strålen på luft-vand-grænsefladen. Så brydes den og afviger lidt mere opad.

1323. Vandets brydningsindeks er 1,33, terpentin er 1,51. Find terpentins brydningsindeks i forhold til vand.

1325. Bestem lysets hastighed i en diamant, hvis brydningsindeks er 2,4.

1326. Tegn strålens bane, når den passerer fra glas til luft, hvis indfaldsvinklen er 45° og glassets brydningsindeks er 1,72.

1327. Find den begrænsende vinkel for total indre refleksion for stensalt (n = 1,54).

1328. Bestem strålens forskydning ved passage gennem en plan-parallel glasplade med en tykkelse på d = 3 cm, hvis strålen er indfaldende i en vinkel på 60°. Brydningsindeks for glas n = 1,51.

1329. Find positionen af ​​billedet af en genstand placeret i en afstand af 4 cm fra forsiden af ​​en plan-parallel plade 1 cm tyk, forsølvet på bagsiden, idet det antages, at brydningsindekset for pladestoffet er 1,51.

1330. En tyk glasplade er helt nedsænket flad i vand. Tegn vejen for en stråle, der kommer ud af luften gennem vandet og pladen. (Glas er optisk tættere end vand).

1331. Nogle gange synes de genstande, vi iagttager gennem vinduet, at være bøjede. Hvorfor?
For glasset er ikke helt fladt og glat. Dette skyldes den uensartede fordeling af glassets optiske plan.

1332. Figur 166 viser en punktlyskilde S placeret foran et trekantet prisme. Hvis vi ser på S gennem et prisme, hvor vil dette punkt så fremstå for os? Tegn strålernes vej.

1333. Lysstrålen går vinkelret på en af ​​kanterne af det rektangulære trekantede glasprisme (Fig. 167). Tegn strålens bane gennem prismet.

• Indfaldsvinkelα kaldes vinklen mellem den indfaldende lysstråle og vinkelret på grænsefladen mellem de to medier, rekonstrueret ved indfaldspunktet (fig. 1).

• Refleksionsvinkelβ kaldes vinklen mellem den reflekterede lysstråle og vinkelret på den reflekterende overflade, rekonstrueret ved indfaldspunktet (se fig. 1).

• Brydningsvinkelγ er vinklen mellem den brudte lysstråle og vinkelret på grænsefladen mellem de to medier, rekonstrueret ved indfaldspunktet (se fig. 1).

• Under bjælken forstå linjen, langs hvilken energien fra den elektromagnetiske bølge overføres. Lad os blive enige om at repræsentere optiske stråler grafisk ved hjælp af geometriske stråler med pile. I geometrisk optik tages der ikke højde for lysets bølgenatur (se fig. 1).

• Stråler, der udgår fra et punkt kaldes divergerende og samles på et tidspunkt - konvergerende... Et eksempel på divergerende stråler er det observerede lys fra fjerne stjerner, og et eksempel på konvergerende stråler er et sæt stråler, der falder ind i pupillen i vores øje fra forskellige objekter.

Når man studerede lysstrålernes egenskaber, blev fire grundlæggende love for geometrisk optik eksperimentelt etableret:

• loven om retlinet lysudbredelse;
• loven om lysstrålers uafhængighed;
• loven om refleksion af lysstråler;
• loven om lysstrålers brydning.

Brydning af lys

Målinger har vist, at lysets hastighed i stof υ altid er mindre end lysets hastighed i vakuum c.

• Forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum c til dens hastighed i et givet miljø kaldes υ absolut brydningsindeks:

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

Udtrykket " mediets absolutte brydningsindeks"Er ofte erstattet af" medium brydningsindeks».

Overvej et stråleindfald på en flad grænseflade mellem to transparente medier med brydningsindeks n 1 og n 2 i en vinkel α (fig. 2).

• Ændringen i udbredelsesretningen af ​​en lysstråle, når den passerer gennem grænsefladen mellem to medier, kaldes lysets brydning.

Brydningslove:

• forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen α og sinus af brydningsvinklen γ er en konstant værdi for to givne medier

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

• stråler, indfaldende og brudte, ligger i samme plan med vinkelret tegnet ved indfaldspunktet for strålen til planet for grænsefladen mellem de to medier.

Til brydning, princippet om reversibilitet af lysstråler:

• en lysstråle, der udbreder sig langs en brudt stråles vej, brudt i et punkt O ved grænsefladen mellem medierne, forplanter sig videre langs den indfaldende stråles bane.

Det følger af brydningsloven, at hvis det andet medium er optisk tættere gennem det første medium,

• de der. n 2 > n 1, derefter α> γ \ (\ venstre (\ frac (n_2) (n_1)> 1, \; \; \; \ frac (sin \ alfa) (sin \ gamma)> 1 \ højre) \) (Fig. 3, a);
• hvis n 2 < n 1, derefter α< γ (рис. 3, б).

Ris. 3

De første omtaler af lysets brydning i vand og glas findes i Claudius Ptolemæus' værk "Optik", udgivet i det 2. århundrede e.Kr. Loven om lysets brydning blev eksperimentelt etableret i 1620 af den hollandske videnskabsmand Willebrod Snellius. Bemærk, at uafhængigt af Snell, blev brydningsloven også opdaget af Rene Descartes.

Loven om lysets brydning gør det muligt at beregne strålernes vej i forskellige optiske systemer.

Ved grænsefladen mellem to transparente medier observeres bølgereflektion normalt samtidig med brydning. Ifølge loven om bevarelse af energi er summen af ​​energierne reflekteret W o og brydes W np-bølger er lig med den indfaldende bølgeenergi W n:

W n = W np + W o.

Fuld refleksion

Som nævnt ovenfor, når lys passerer fra et optisk tættere medium til et optisk mindre tæt medium ( n 1 > n 2), bliver brydningsvinklen γ større end indfaldsvinklen α (se fig. 3, b).

Når indfaldsvinklen α stiger (fig. 4), bliver brydningsvinklen ved noget af dens værdi α 3 γ = 90°, dvs. lyset vil ikke falde ind i det andet medium. Ved vinkler store α 3 vil lyset kun blive reflekteret. Brydt energi W np i dette tilfælde vil den blive lig med nul, og energien af ​​den reflekterede bølge vil være lig med den indfaldende energi: W n = W o... Derfor, startende fra denne indfaldsvinkel α3 (i det følgende benævnt α 0), reflekteres al lysenergien fra grænsefladen mellem disse medier.

Dette fænomen kaldes total refleksion (se fig. 4).

• Vinklen α 0, hvor den totale refleksion begynder, kaldes begrænsende vinkel for total refleksion.

Værdien af ​​vinklen α 0 bestemmes ud fra brydningsloven, forudsat at brydningsvinklen γ = 90 °:

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

Litteratur

Zhilko, V.V. Fysik: lærebog. Godtgørelse for almen uddannelse i klasse 11. shk. fra rus. lang. træning / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2009 .-- S. 91-96.

Ved grænsefladen mellem to transparente medier, sammen med refleksionen af ​​lys, observeres dets brydning, der passerer ind i et andet medium, og ændrer retningen af ​​dets udbredelse.

Brydning af en lysstråle opstår, når den falder skråt ind på grænsefladen (læs dog ikke altid videre om total intern refleksion). Hvis strålen falder vinkelret på overfladen, så vil der ikke være nogen brydning i det andet medium, strålen vil bevare sin retning og vil også gå vinkelret på overfladen.

4.3.1 Brydningslov (specielt tilfælde)

Vi starter med en speciel sag, når et af medierne er luft. Det er den situation, der er til stede i det overvældende flertal af opgaver. Vi vil diskutere det tilsvarende særlige tilfælde af brydningsloven, og først derefter vil vi give dens mest generelle formulering.

Antag, at en lysstråle, der rejser i luften, falder skråt på overfladen af ​​glas, vand eller et andet gennemsigtigt medium. Når den passerer ind i mediet, brydes strålen, og dens videre forløb er vist i fig. 4.11.

onsdag O

Ris. 4.11. Brydning af en stråle ved luft-medium-grænsefladen

Ved indfaldspunktet O tegnes en vinkelret (eller, som man siger, normal) CD til overfladen af ​​mediet. AO-strålen kaldes som før den indfaldende stråle, og vinklen mellem den indfaldende stråle og normalen er indfaldsvinklen. OB-strålen er en brudt stråle; vinklen mellem den brydte stråle og normalen til overfladen kaldes brydningsvinklen.

Ethvert transparent medium er karakteriseret ved værdien n, som kaldes brydningsindekset for dette medium. Brydningsindekserne for forskellige medier kan findes i tabellerne. For eksempel for glas n = 1; 6, og for vand n = 1; 33. Generelt, for ethvert miljø n> 1; brydningsindekset er kun lig med enhed i vakuum. For luft er n = 1; 0003, derfor kan det for luft antages med tilstrækkelig nøjagtighed i problemer n = 1 (i optik adskiller luft sig ikke meget fra vakuum).

Brydningsloven (overgang "luft - medium").

1) Den indfaldende stråle, den brudte stråle og normalen til overfladen tegnet ved indfaldspunktet ligger i samme plan.

2) Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er lig med brydningsindekset.

miljø:

Da n> 1, følger det af relation (4.1), at sin> sin, dvs.> brydningsvinklen er mindre end indfaldsvinklen. Husk: ved at gå fra luft til medium, går strålen efter brydning tættere på normalen.

Brydningsindekset er direkte relateret til hastigheden v af lysets udbredelse i et givet medium. Denne hastighed er altid mindre end lysets hastighed i et vakuum: v< c. И вот оказывается,

Hvorfor dette sker, vil vi forstå, når vi studerer bølgeoptik. Indtil da, scombi

Lad os overveje formlerne (4.1) og (4.2):

Da luftens brydningsindeks er meget tæt på enhed, kan vi antage, at lysets hastighed i luft er omtrent lig med lysets hastighed i et vakuum, ca. Tager vi dette i betragtning og ser på formel (4.3), konkluderer vi: forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er lig med forholdet mellem lysets hastighed i luft og lysets hastighed i mediet.

4.3.2 Reversibilitet af lysstråler

Lad os nu overveje strålens returvej: dens brydning, når den passerer fra mediet til luften. Følgende nyttige princip vil hjælpe os her.

Princippet om reversibilitet af lysstråler. Strålens bane er uafhængig af, om strålen bevæger sig fremad eller bagud. Bevæger strålen sig i den modsatte retning, vil strålen følge nøjagtig samme vej som i fremadrettet retning.

Ifølge princippet om reversibilitet vil strålen, når den passerer fra medium til luft, gå langs samme bane som under den tilsvarende overgang fra luft til medium (fig. 4.12) Den eneste forskel mellem fig. 4.12 og fig. 4.11 er, at strålens retning er ændret til den modsatte.

onsdag O

Ris. 4.12. Brydning af en stråle ved "medium-luft"-grænsen

Da det geometriske billede ikke er ændret, vil formlen (4.1) forblive den samme: forholdet mellem vinklens sinus og vinklens sinus er stadig lig med mediets brydningsindeks. Sandt nok, nu har vinklerne skiftet roller: Vinklen er blevet indfaldsvinklen, og vinklen er blevet brydningsvinklen.

Under alle omstændigheder, uanset hvordan strålen går fra luft til medium eller fra medium til luft, virker følgende enkle regel. Tag to vinkler, indfaldsvinklen og brydningsvinklen; forholdet mellem sinus for den større vinkel og sinus for den mindre vinkel er lig med brydningsindekset for mediet.

Vi er nu fuldt ud forberedt på at diskutere brydningsloven i det mest generelle tilfælde.

4.3.3 Brydningslov (generel sag)

Lad lys passere fra medium 1 med brydningsindeks n1 til medium 2 med brydningsindeks n2. Et medium med et højere brydningsindeks kaldes optisk tættere; følgelig kaldes et medium med et lavere brydningsindeks optisk mindre tæt.

Ved at gå fra et optisk mindre tæt medium til et optisk tættere, går lysstrålen efter brydning tættere på normalen (fig. 4.13). I dette tilfælde er indfaldsvinklen større end brydningsvinklen:>.

Ris. 4.13. n1< n2 ) >

Tværtimod, når strålen går fra et optisk tættere medium til et optisk mindre tæt medium, afviger strålen længere fra normalen (fig. 4.14). Her er indfaldsvinklen mindre end brydningsvinklen:

Ris. 4.14. n1> n2)<

Det viser sig, at begge disse tilfælde er dækket af én formel af den generelle brydningslov, som er gyldig for alle to gennemsigtige medier.

Brydningsloven.

1) Indfaldende stråle, brudt stråle og normal til grænsefladen, tegnet

v indfaldspunkt, ligge i samme plan.

2) Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er lig med forholdet mellem brydningsindekset for det andet medium og brydningsindekset for det første medium:

Det er let at se, at den tidligere formulerede brydningslov for "luft-medium"-overgangen er et særligt tilfælde af denne lov. Indstilling af n1 = 1 og n2 = n i formel (4.4), når vi faktisk frem til formel (4.1).

Lad os nu huske, at brydningsindekset er forholdet mellem lysets hastighed i vakuum og lysets hastighed i et givet medium: n1 = c = v1, n2 = c = v2. Hvis vi erstatter dette med (4.4), får vi:

Formel (4.5) generaliserer naturligt formel (4.3). Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er lig med forholdet mellem lysets hastighed i det første medium og lysets hastighed i det andet medium.

4.3.4 Total intern refleksion

Når lysstråler passerer fra et optisk tættere medium til et optisk mindre tæt medium, observeres et interessant fænomen med total intern refleksion. Lad os se, hvad det er.

Lad os antage, at lyset går fra vand til luft. Antag, at der i reservoirets dybde er en punktlyskilde S, som udsender stråler i alle retninger. Vi vil se på nogle af disse stråler (Figur 4.15).

S B 1

Ris. 4.15. Total intern refleksion

SO1-strålen rammer vandoverfladen i den mindste vinkel. Denne stråle brydes delvist (stråle O1 A1) og reflekteres delvist tilbage i vandet (stråle O1 B1). Således overføres en del af energien fra den indfaldende stråle til den brudte stråle, og resten af ​​energien til den reflekterede stråle.

Indfaldsvinklen for SO2-strålen er større. Denne stråle er også opdelt i to stråler, brudt og reflekteret. Men energien fra den oprindelige stråle er fordelt mellem dem på en anden måde: den brudte stråle O2 A2 vil være svagere end strålen O1 A1 (det vil sige, den vil modtage en mindre del af energien), og den reflekterede stråle O2 B2 er tilsvarende lysere end strålen O1 B1 (den vil modtage en større brøkenergi).

Efterhånden som indfaldsvinklen øges, kan det samme mønster spores: mere og mere energi fra den indfaldende stråle går til den reflekterede stråle og mindre og mindre til den brydte stråle. Den brudte stråle bliver mere og mere svagere, og på et tidspunkt forsvinder den helt!

Denne forsvinden sker, når indfaldsvinklen når 0, hvilket svarer til brydningsvinklen på 90. I denne situation skulle den brudte stråle OA gå parallelt med vandoverfladen, men der var intet tilbage, al energien fra den indfaldende SO-stråle gik udelukkende til den reflekterede stråle OB.

Med en yderligere stigning i indfaldsvinklen vil den brydte stråle være endnu mere fraværende.

Det beskrevne fænomen er en fuldstændig intern refleksion. Vand frigiver ikke stråler med indfaldsvinkler lig med eller større end en vis værdi på 0, alle sådanne stråler reflekteres fuldstændigt tilbage i vandet. Vinkel 0 kaldes den begrænsende vinkel for total refleksion.

Værdien 0 er let at finde ud fra brydningsloven. Vi har:

	synd 0
Men synd 90 = 1, altså
	synd 0
0 = arcsin

Så for vand er den begrænsende vinkel for total refleksion:

0 = arcsin1; 1 33 48; 8:

Du kan nemt observere fænomenet total intern refleksion derhjemme. Hæld vand i et glas, løft det og se på vandoverfladen lidt nedefra gennem glassets væg. Du vil se en sølvskinnende glans på overfladen på grund af total intern refleksion, den opfører sig som et spejl.

Den vigtigste tekniske anvendelse for total intern refleksion er fiberoptik. Lysstråler, der sendes ind i det fiberoptiske kabel (lysleder) næsten parallelt med dets akse, falder på overfladen i store vinkler og reflekteres fuldstændigt tilbage i kablet uden tab af energi. Gentagne gange reflekteret går strålerne længere og længere og overfører energi over en betydelig afstand. Fiberoptisk kommunikation bruges for eksempel i kabel-tv-netværk og højhastighedsinternetadgang.

En oplevelse er beskrevet i en af ​​de gamle græske afhandlinger: ”Man skal stå, så den flade ring, der er placeret i bunden af ​​fartøjet, er skjult bag dens kant. Derefter, uden at ændre øjnenes position, hæld vand i beholderen. Lyset brydes på vandoverfladen, og ringen bliver synlig." Du kan vise et sådant "trick" til dine venner nu (se fig. 12.1), men du kan først forklare det efter at have studeret dette afsnit.

Ris. 12.1. "Fokus" med en mønt. Hvis der ikke er vand i bægeret, ser vi ikke mønten ligge på bunden (a); hvis du hælder vand, ser det ud til, at bunden af ​​bægeret hæver sig, og mønten bliver synlig (b)

Etablering af lovene for lysbrydning

Lad os rette en smal lysstråle mod den flade overflade af en halvcylinder af transparent glas, der er fastgjort til en optisk skive.

Lyset vil ikke kun blive reflekteret fra overfladen af ​​halvcylinderen, men også delvist passere gennem glasset. Det betyder, at når man går fra luft til glas, ændres lysets udbredelsesretning (fig. 12.2).

Ændringen i lysets udbredelsesretning ved grænsefladen mellem to medier kaldes lysets brydning.

Vinklen γ (gamma), som dannes af den brydte stråle og vinkelret på grænsefladen mellem de to medier, trukket gennem strålens indfaldspunkt, kaldes brydningsvinklen.

Efter at have udført en række eksperimenter med en optisk skive, bemærker vi, at med en stigning i indfaldsvinklen, øges brydningsvinklen også, og med et fald i indfaldsvinklen falder brydningsvinklen (fig. 12.3). . Hvis lyset falder ind vinkelret på grænsefladen mellem de to medier (indfaldsvinkel α = 0), ændres lysets udbredelsesretning ikke.

Den første omtale af lysets brydning kan findes i værker af den antikke græske filosof Aristoteles (IV århundrede f.Kr.), som stillede spørgsmålet: "Hvorfor ser en pind ud til at være knækket i vand?" Men loven, der kvantitativt beskriver lysets brydning, blev først etableret i 1621 af den hollandske videnskabsmand Willebrord Snellius (1580-1626).

Lysbrydningslove:

2. Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen for disse to medier er uændret:

hvor n 2 1 er en fysisk størrelse kaldet mediets relative brydningsindeks. 2 (mediet, hvori lyset forplanter sig efter brydning) i forhold til mediet 1 (mediet, hvorfra lyset falder).

Find ud af årsagen til lysets brydning

Så hvorfor ændrer lys, der passerer fra et medium til et andet, sin retning?

Faktum er, at i forskellige medier bevæger lys sig med forskellige hastigheder, men altid langsommere end i et vakuum. For eksempel i vand er lysets hastighed 1,33 gange mindre end i vakuum; når lyset går fra vand til glas, falder dets hastighed yderligere 1,3 gange; i luft er lysets udbredelseshastighed 1,7 gange hurtigere end i glas og kun lidt mindre (ca. 1.0003 gange) end i vakuum.

Det er ændringen i lysets udbredelseshastighed under overgangen fra et transparent medium til et andet, der er årsagen til lysets brydning.

Det er sædvanligt at tale om et mediums optiske tæthed: Jo lavere lysets udbredelseshastighed i mediet (jo højere brydningsindekset er), jo højere er mediets optiske tæthed.

Hvad tror du, den optiske tæthed af hvilket medium er højere - vand eller glas? hvilket mediums optiske tæthed er lavere - glas eller luft?

At finde ud af den fysiske betydning af brydningsindekset

Det relative brydningsindeks (n 2 1) viser, hvor mange gange lysets udbredelseshastighed i medium 1 er større (eller mindre) end udbredelseshastigheden af ​​lys i medium 2:

Husk den anden lov om lysets brydning:

Efter at have analyseret den sidste formel, drager vi konklusioner:

1) jo mere lysudbredelseshastigheden ændres ved grænsefladen mellem to medier, jo mere lys brydes;

2) hvis en lysstråle passerer ind i et medium med en højere optisk tæthed (det vil sige, lysets hastighed falder: v 2< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);

3) hvis en lysstråle passerer ind i et medium med en lavere optisk tæthed (det vil sige lyshastigheden stiger: v 2> v 1), så er brydningsvinklen større end indfaldsvinklen: γ> a (fig. 12.4).

Normalt sammenlignes lysets udbredelseshastighed i et medium med hastigheden af ​​dets udbredelse i et vakuum. Når lys kommer ind i et medium fra et vakuum, kaldes brydningsindekset n det absolutte brydningsindeks.

Det absolutte brydningsindeks viser, hvor mange gange lysets udbredelseshastighed i et medium er mindre end i et vakuum:

hvor c er lysets udbredelseshastighed i vakuum (c = 3 · 10 8 m/s); v er lysets udbredelseshastighed i mediet.

ris. 12.4. Når lys går fra et medium med en højere optisk tæthed til et medium med en lavere optisk tæthed, er brydningsvinklen større end indfaldsvinklen (γ> α)

Lysets udbredelseshastighed i et vakuum er større end i noget medie, så det absolutte brydningsindeks er altid større end enhed (se tabel).

Ris. 12.5. Hvis lys falder fra glas til luft, så med en stigning i indfaldsvinklen, nærmer brydningsvinklen sig 90 °, og lysstyrken af ​​den brydte stråle falder

i betragtning af lysets overgang fra luft til et medium, vil vi antage, at mediets relative brydningsindeks er lig med det absolutte.

Fænomenet lysbrydning bruges i driften af ​​mange optiske enheder. Du vil lære om nogle af dem senere.

Anvendelse af fænomenet total intern lysrefleksion

Lad os betragte det tilfælde, hvor lys går fra et medium med en højere optisk tæthed til et medium med en lavere optisk tæthed (fig. 12.5). Vi ser, at med en stigning i indfaldsvinklen (a 2> v), nærmer brydningsvinklen γ 90 °, lysstyrken af ​​den brudte stråle falder, og lysstyrken af ​​den reflekterede stråle øges tværtimod. Det er klart, at hvis indfaldsvinklen øges yderligere, vil brydningsvinklen nå 90°, den brydte stråle forsvinder, og den indfaldende stråle vil helt (uden energitab) vende tilbage til det første medium - lyset vil være fuldstændigt. reflekteret.

Fænomenet, hvor der ikke er lysbrydning (lys reflekteres fuldstændigt fra et medium med lavere optisk tæthed) kaldes total intern refleksion af lys.

Fænomenet total intern refleksion af lys er velkendt for dem, der svømmede under vandet med åbne øjne (fig. 12.6).

ris. 12.6. For en iagttager under vand ser en del af vandoverfladen ud til at være skinnende, som et spejl

I århundreder har juvelerer brugt fænomenet total intern refleksion for at øge ædelstens tiltrækningskraft. Natursten skæres - de giver dem form som polyeder: Stenens facetter fungerer som "indvendige spejle", og stenen "spiller" i strålerne fra lyset, der falder på den.

Total intern refleksion er meget brugt i optisk teknologi (figur 12.7). Men hovedanvendelsen af ​​dette fænomen er i fiberoptik. Hvis en lysstråle rettes mod enden af ​​et massivt tyndt "glas" rør, vil lyset efter flere refleksioner komme ud i dens modsatte ende, uanset om røret er buet eller lige. Dette rør kaldes en lysleder (Figur 12.8).

Lysledere bruges i medicin til undersøgelse af indre organer (endoskopi); inden for teknologi, især til at opdage funktionsfejl inde i motorer uden at skille dem ad; til sollysbelysning af lukkede rum osv. (Fig. 12.9).

Men oftest bruges optiske fibre som kabler til transmission af information (fig. 12.10). "Glaskabel" er meget billigere og lettere end kobber, det ændrer praktisk talt ikke sine egenskaber under påvirkning af miljøet, det tillader at sende signaler over lange afstande uden forstærkning. I dag erstatter fiberoptiske kommunikationslinjer hurtigt de traditionelle. Når du ser tv eller bruger internettet, så husk, at en væsentlig del af dens vej bevæger signalet sig langs "glasvejen".

Lære at løse problemer Problem. Lysstrålen går fra medium 1 til medium 2 (fig. 12.11, a). Lysets udbredelseshastighed i medium 1 er 2,4 · 10 8 m/s. Bestem det absolutte brydningsindeks for medium 2 og lysets udbredelseshastighed i medium 2.

Fysisk problemanalyse

Fra fig. 12.11, men vi ser, at lyset i grænsefladen mellem to medier brydes, hvilket betyder, at hastigheden af ​​dets udbredelse ændres.

Lad os udføre en forklarende figur (fig. 12.11, b), hvor:

1) vi vil afbilde strålerne givet i problemets tilstand;

2) tegne en vinkelret på grænsefladen mellem de to medier gennem strålens indfaldspunkt;

3) angiv med α indfaldsvinklen og γ - brydningsvinklen.

Det absolutte brydningsindeks er brydningsindekset i forhold til vakuum. For at løse problemet bør man derfor huske værdien af ​​lysets udbredelseshastighed i et vakuum og finde lysets udbredelseshastighed i et medium 2 (v 2).

For at finde v 2 skal du bestemme sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen.

Analyse af løsningen. Ved problemets tilstand er indfaldsvinklen større end brydningsvinklen, hvilket betyder, at lysets hastighed i medium 2 er mindre end lysets hastighed i medium 1. Derfor er de opnåede resultater reelle.

Opsummering

En lysstråle, der falder på grænsefladen mellem to medier, opdeles i to stråler. En af dem - reflekteret - reflekteres fra overfladen og overholder lovene for lysrefleksion. Den anden - brudt - passerer ind i det andet miljø og ændrer retning.

Lysbrydningslove:

1. Den indfaldende stråle, den brudte stråle og den vinkelrette på grænsefladen mellem de to medier, trukket gennem strålens indfaldspunkt, ligger i samme plan.

2. For disse to medier er forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen α og sinus for brydningsvinklen γ konstant:

Årsagen til lysets brydning er en ændring i hastigheden af ​​dets udbredelse, når det passerer fra et medium til et andet. Det relative brydningsindeks n 2 i viser, hvor mange gange lysets udbredelseshastighed i medium 1 er større (eller mindre) end lysets udbredelseshastighed

i miljø 2:

Når lys kommer ind i et medium fra et vakuum, kaldes brydningsindekset n det absolutte brydningsindeks: n = c/v.

Hvis lysets udbredelseshastighed er faldet, når lyset går fra medium 1 til medium 2 (det vil sige, at brydningsindekset for medium 2 er større end brydningsindekset for medium 1: n 2> n 1), så siger de, at lys er gået fra et medium med en lavere optisk tæthed til et medium med en højere optisk tæthed (og omvendt).

Kontrolspørgsmål

1. Hvilke eksperimenter bekræfter fænomenet lysbrydning ved grænsefladen mellem to medier? 2. Formuler lovene for lysbrydning. 3. Hvad er årsagen til lysets brydning? 4. Hvad viser lysets brydningsindeks? 5. Hvordan er lysets udbredelseshastighed relateret til mediets optiske tæthed? 6. Giv definitionen af ​​det absolutte brydningsindeks.

Øvelse nummer 12

1. Overfør risene. 1 i en notesbog. Forudsat at medium 1 har en højere optisk tæthed end medium 2, konstruer i hvert tilfælde skematisk den indfaldende (eller brydte) stråle, angiv indfaldsvinklen og brydningsvinklen.

2. Beregn lysets udbredelseshastighed i en diamant; vand; luft.

3. En lysstråle falder fra luften ned i vandet i en vinkel på 60 °. Vinklen mellem de reflekterede og brudte stråler er 80°. Beregn strålens brydningsvinkel.

4. Når vi, stående på kysten af ​​et reservoir, forsøger at bestemme dets dybde med øjet, virker det altid mindre, end det faktisk er. Ved at bruge fig. 2, forklar hvorfor dette er tilfældet.

5. Hvor lang tid tager det for lys at rejse fra bunden af ​​en 900 m dyb sø til vandoverfladen?

6. Forklar "tricket" med ringen (mønten) beskrevet i begyndelsen af ​​§ 12 (se fig. 12.1).

7. Lysstrålen går fra medium 1 til medium 2 (fig. 3). Lysets udbredelseshastighed i medium 1 er 2,5 · 10 8 m/s. Definere:

1) hvilket medium har en høj optisk tæthed;

2) brydningsindekset for medium 2 i forhold til medium 1;

3) lysets udbredelseshastighed i medium 2;

4) det absolutte brydningsindeks for hvert medium.

8. En konsekvens af lysets brydning i Jordens atmosfære er fremkomsten af ​​luftspejlinger, samt det faktum, at vi ser Solen og stjernerne lidt højere end deres virkelige position. Udnyt yderligere informationskilder og lær mere om disse naturfænomener.

Eksperimentelle opgaver

1. "Trick med en mønt." Demonstrer for en ven eller et familiemedlem oplevelsen med mønten (se figur 12.1) og forklar den.

2. "Vandspejl". Observer den totale reflektion af lyset. For at gøre dette skal du fylde glasset halvvejs med vand. Dyp en genstand ned i glasset, f.eks. et plastikhåndtag, gerne med en inskription. Hold glasset i hånden og placer det i en afstand på cirka 25-30 cm fra dine øjne (se figur). Under eksperimentet skal du holde øje med pennens krop.

Først, når du kigger op, vil du se hele håndtagets krop (både under vand og over vand). Flyt glasset langsomt væk fra dig uden at ændre højden på dets placering.

Når glasset er langt nok væk fra dine øjne, vil vandoverfladen blive spejlet til dig - du vil se et spejlbillede af den undervandsdel af håndtagets krop.

Forklar det observerede fænomen.

LABORATORIEARBEJDE nr. 4

Tema. Undersøgelse af lysbrydning.

Formål: at bestemme brydningsindekset for glas i forhold til luft.

Udstyr: glasplade med parallelle kanter, blyant, firkant med millimeterskala, kompasser.

ARBEJDSVEJLEDNING

Forberedelse til eksperimentet

1. Inden du udfører arbejdet, skal du huske:

1) sikkerhedskrav ved arbejde med glasgenstande;

2) love for lysbrydning;

3) formlen til bestemmelse af brydningsindekset.

2. Forbered billeder til jobbet (se fig. 1). For det:

1) sæt glaspladen på notesbogens side og tegn omridset af pladen med en skarpt spids blyant;

2) på det segment, der svarer til placeringen af ​​pladens øvre brydningsflade:

Marker punkt O;

Tegn en ret linje k gennem punktet O, vinkelret på dette segment;

Brug et kompas til at tegne en cirkel med en radius på 2,5 cm centreret i punktet O;

3) i en vinkel på ca. 45° tegne en stråle, der vil indstille retningen af ​​lysstrålen, der falder ind på punktet O; marker skæringspunktet for strålen og cirklen med bogstavet A;

4) gentag trinene beskrevet i afsnit 1-3, to gange mere (udfør yderligere to tegninger), først øge og derefter mindske den specificerede indfaldsvinkel for lysstrålen.

Eksperiment

Følg nøje sikkerhedsinstruktionerne (se slutningen af ​​lærebogen).

1. Placer glaspladen over den første kontur.

2. Se på AO-bjælken gennem glasset, ved den nederste kant af pladen, sæt punktet M, så det ser ud til at være placeret på forlængelsen af ​​AO-bjælken (fig. 2).

3. Gentag trin 1 og 2 for yderligere to kredsløb.

Behandling af forsøgsresultater

Indtast resultaterne af målinger og beregninger i tabellen med det samme.

For hvert eksperiment (se fig. 3):

1) passere den brydte stråle OM;

2) find skæringspunktet for strålen OM med cirklen (punkt B);

3) fra punkt A og B, sænk vinkelrette linjer til linje k, mål længderne a og b af de opnåede segmenter og radius af cirklen r;

4) Bestem brydningsindekset for glas i forhold til luft:

Analyse af forsøget og dets resultater

Analyser eksperimentet og dets resultater. Formuler en konklusion, der angiver: 1) hvilken fysisk mængde du har bestemt; 2) hvilket resultat fik du; 3) om værdien af ​​den opnåede værdi afhænger af lysets indfaldsvinkel; 4) hvad er årsagerne til eksperimentets mulige fejl.

Kreativ opgave

Ved at bruge fig. 4, tænk over og nedskriv en plan for udførelse af et eksperiment for at bestemme brydningsindekset for vand i forhold til luft. Lav et eksperiment, hvis det er muligt.

Opgave "med en stjerne"

hvor n måler - opnået under forsøget, værdien af ​​brydningsindekset for glas i forhold til luft; n er tabelværdien af ​​det absolutte brydningsindeks for glasset, som pladen er lavet af (spørg din lærer).

Dette er vejledningsmateriale

Lysbrydningslove.

Den fysiske betydning af brydningsindekset. Lys brydes på grund af en ændring i hastigheden af ​​dets udbredelse, når det passerer fra et medium til et andet. Brydningsindekset for det andet medium i forhold til det første er numerisk lig med forholdet mellem lyshastigheden i det første medium og lysets hastighed i det andet medium:

Brydningsindekset viser således, hvor mange gange lysets hastighed i mediet, hvorfra strålen kommer ud, er større (mindre) end lysets hastighed i mediet, den kommer ind i.

Da udbredelseshastigheden af ​​elektromagnetiske bølger i et vakuum er konstant, er det tilrådeligt at bestemme brydningsindekserne for forskellige medier i forhold til vakuum. Hastighedsforhold med udbredelsen af ​​lys i et vakuum til hastigheden af ​​dets udbredelse i et givet miljø kaldes absolut brydningsindeks af et givet stof () og er hovedkarakteristikken for dets optiske egenskaber,

,

de der. brydningsindekset for det andet medium i forhold til det første er lig med forholdet mellem de absolutte indekser for disse medier.

Typisk er et stofs optiske egenskaber karakteriseret ved et brydningsindeks n i forhold til luft, som afviger lidt fra det absolutte brydningsindeks. I dette tilfælde kaldes et medium med en højere absolut værdi optisk tættere.

Begrænsende brydningsvinkel. Hvis lys går fra et medium med et lavere brydningsindeks til et medium med et højere brydningsindeks ( n 1< n 2 ), så er brydningsvinklen mindre end indfaldsvinklen

r< i (fig. 3).

Ris. 3. Brydning af lys under overgang

fra et optisk mindre tæt medium til et medium

optisk tættere.

Med en stigning i indfaldsvinklen til jeg m = 90° (stråle 3, fig. 2) vil lyset i det andet medium kun forplante sig inden for vinklen r pr hedder begrænsende brydningsvinkel... Ind i området af det andet medium inden for en vinkel komplementær til den begrænsende brydningsvinkel (90 ° - jeg pr ), trænger lyset ikke ind (dette område er skraveret i fig. 3).

Begrænsende brydningsvinkel r pr

Men synd i m = 1, derfor.

Fænomenet fuldstændig indre refleksion. Når lys kommer fra et medium med et højt brydningsindeks n 1> n 2 (Fig. 4), så er brydningsvinklen større end indfaldsvinklen. Lys brydes (passerer ind i det andet medium) kun inden for indfaldsvinklen jeg pr som svarer til brydningsvinklen rm = 90°.

Ris. 4. Brydning af lys under overgangen fra et optisk tættere medium til et medium

optisk mindre tæt.

Lys, der falder ind i en stor vinkel, reflekteres fuldstændigt fra mediets grænse (fig. 4, stråle 3). Dette fænomen kaldes total intern refleksion og indfaldsvinklen er jeg pr - den begrænsende vinkel for total indre refleksion.

Begrænsende vinkel for total intern refleksion jeg pr bestemmes efter betingelsen:

, så sin r m = 1, derfor.

Hvis lys går fra et hvilket som helst medium til vakuum eller luft, så

På grund af reversibiliteten af ​​strålernes bane for to givne medier, er den begrænsende brydningsvinkel under overgangen fra det første medium til det andet lig med den begrænsende vinkel for total indre refleksion under overgangen af ​​strålen fra det andet medium til den første.

Den begrænsende vinkel for total intern refleksion for glas er mindre end 42 °. Derfor reflekteres strålerne, der kommer ind i glasset og falder på overfladen i en vinkel på 45 °, fuldstændigt. Denne egenskab ved glas bruges i roterende (fig. 5a) og reversible (fig. 4b) prismer, som ofte bruges i optiske enheder.

Ris. 5: a - roterende prisme; b - omvendt prisme.

Fiberoptik. Total intern refleksion bruges, når der arrangeres fleksibelt lysledere... Lys, der falder inde i en gennemsigtig fiber omgivet af et stof med et lavere brydningsindeks, reflekteres gentagne gange og forplantes langs denne fiber (fig. 6).

Fig. 6. Lysets passage inde i en gennemsigtig fiber omgivet af stof

med et lavere brydningsindeks.

For at transmittere høje lysstrømme og bevare lysledersystemets fleksibilitet, er individuelle fibre bundtet - lysledere... Den gren af ​​optik, som overvejer transmission af lys og billeder gennem lysledere, kaldes fiberoptik. Fiberoptiske dele og enheder selv kaldes det samme udtryk. I medicin bruges lysledere til at belyse indre hulrum med koldt lys og transmittere et billede.

Praktisk del

Enheder til at bestemme brydningsindekset for stoffer kaldes refraktometre(fig. 7).

Fig. 7. Optisk layout af refraktometeret.

1 - spejl, 2 - målehoved, 3 - et system af prismer for at eliminere spredning, 4 - objektiv, 5 - roterende prisme (drejning af strålen med 90 0), 6 - skala (i nogle refraktometre

der er to skalaer: en skala for brydningsindekser og en skala for koncentration af opløsninger),

7 - okular.

Hoveddelen af ​​refraktometeret er målehovedet, som består af to prismer: det lysende, som er placeret i hovedets foldedel, og det målende.

Ved udgangen af ​​det lysende prisme skaber dets matte overflade en spredt lysstråle, der passerer gennem den undersøgte væske (2-3 dråber) mellem prismerne. Strålerne falder på overfladen af ​​måleprismet i forskellige vinkler, herunder i en vinkel på 90 0. I måleprismet opsamles strålerne i området for den begrænsende brydningsvinkel, hvilket forklarer dannelsen af ​​lysgrænsen - en skygge på enhedens skærm.

Fig. 8. Strålebane i målehovedet:

1 - lysende prisme, 2 - undersøgt væske,

3 - måleprisme, 4 - skærm.

BESTEMMELSE AF PROCENTEN AF SUKKER I LØSNING

Naturligt og polariseret lys. Synligt lys- dette er elektromagnetiske bølger med en oscillationsfrekvens i området fra 4 ∙ 10 14 til 7,5 ∙ 10 14 Hz. Elektromagnetiske bølger er tværgående: vektorerne E og H for styrkerne af de elektriske og magnetiske felter er indbyrdes vinkelrette og ligger i planet vinkelret på vektoren for bølgeudbredelseshastigheden.

På grund af det faktum, at både de kemiske og biologiske virkninger af lys hovedsageligt er forbundet med den elektriske komponent af den elektromagnetiske bølge, vektoren E intensiteten af ​​dette felt kaldes lys vektor, og svingningsplanet for denne vektor er lysbølgens svingningsplan.

I enhver lyskilde udsendes bølger af mange atomer og molekyler, disse bølgers lysvektorer er placeret i forskellige planer, og oscillationerne forekommer i forskellige faser. Som følge heraf ændrer oscillationsplanet for lysvektoren for den resulterende bølge kontinuerligt sin position i rummet (fig. 1). Dette lys kaldes naturlig, eller upolariseret.

Ris. 1. Skematisk repræsentation af stråle og naturligt lys.

Hvis vi vælger to indbyrdes vinkelrette planer, der passerer gennem en stråle af naturligt lys og projicerer vektorerne E på planet, så vil disse projektioner i gennemsnit være de samme. Således er det praktisk at skildre en stråle af naturligt lys som en lige linje, hvor det samme antal af disse og andre projektioner i form af streger og prikker er placeret:

Når lys passerer gennem krystaller, er det muligt at opnå lys, hvis plan af bølgesvingninger indtager en konstant position i rummet. Dette lys kaldes flad- eller lineært polariseret... På grund af det ordnede arrangement af atomer og molekyler i det rumlige gitter, transmitterer krystallen kun vibrationer af lysvektoren, der forekommer i et bestemt plan, der er karakteristisk for det givne gitter.

Det er praktisk at afbilde en planpolariseret lysbølge som følger:

Lyspolarisering kan også være delvis. I dette tilfælde overstiger amplituden af ​​lysvektorens svingninger i et hvilket som helst plan væsentligt amplituderne af svingninger i de resterende planer.

Delvist polariseret lys kan konventionelt afbildes som følger: osv. Forholdet mellem antallet af streger og prikker i dette tilfælde bestemmer graden af ​​polarisering af lyset.

I alle metoder til at konvertere naturligt lys til polariseret lys er komponenter med en veldefineret orientering af polariseringsplanet helt eller delvist valgt fra naturligt lys.

Fremgangsmåder til opnåelse af polariseret lys: a) refleksion og brydning af lys ved grænsen af ​​to dielektrika; b) transmission af lys gennem optisk anisotrope enaksede krystaller; c) transmission af lys gennem medier, hvis optiske anisotropi er kunstigt skabt ved påvirkning af et elektrisk eller magnetisk felt såvel som på grund af deformation. Disse måder er baseret på fænomenet anisotropi.

Anisotropi- dette er afhængigheden af ​​en række egenskaber (mekaniske, termiske, elektriske, optiske) af retningen. Legemer, hvis egenskaber er ens i alle retninger, kaldes isotropisk.

Polarisering observeres også med lysspredning. Graden af ​​polarisering er jo højere, jo mindre størrelsen er på de partikler, hvorpå spredningen sker.

Enheder designet til at producere polariseret lys kaldes polarisatorer.

Polarisering af lys ved refleksion og brydning ved grænsefladen mellem to dielektrika. Når naturligt lys reflekteres og brydes ved grænsefladen mellem to isotrope dielektrika, er det lineært polariseret. Ved en vilkårlig indfaldsvinkel er polariseringen af ​​det reflekterede lys delvis. Oscillationer vinkelret på indfaldsplanet er fremherskende i den reflekterede stråle, mens de i den brudte stråle er parallelle med den (fig. 2).

Ris. 2. Delvis polarisering af naturligt lys ved refleksion og brydning

Hvis indfaldsvinklen opfylder betingelsen tan i B = n 21, så polariseres det reflekterede lys fuldstændigt (Brewsters lov), og den brydte stråle er ikke fuldt polariseret, men maksimalt (fig. 3). I dette tilfælde er de reflekterede og brudte stråler indbyrdes vinkelrette.

Er det relative brydningsindeks for de to medier, i B er Brewster-vinklen.

Ris. 3. Fuldstændig polarisering af den reflekterede stråle under refleksion og brydning

ved grænsefladen mellem to isotrope dielektrika.

Dobbelt brydning. Der er en række krystaller (calcit, kvarts osv.), hvori en lysstråle, der brydes, er opdelt i to stråler med forskellige egenskaber. Calcit (islandsk spar) er en krystal med et sekskantet gitter. Symmetriaksen for det sekskantede prisme, der danner dens celle, kaldes den optiske akse. Den optiske akse er ikke en linje, men en retning i en krystal. Enhver lige linje parallel med denne retning er også en optisk akse.

Hvis en plade skæres ud af en calcitkrystal, så dens kanter er vinkelrette på den optiske akse, og en lysstråle rettes langs den optiske akse, vil der ikke ske ændringer i den. Hvis du retter strålen i en vinkel til den optiske akse, så vil den opdeles i to stråler (fig. 4), hvoraf den ene kaldes almindelig, den anden ekstraordinær.

Ris. 4. Dobbeltbrydning, når lys passerer gennem en calcitplade.

MN er den optiske akse.

En almindelig stråle ligger i indfaldsplanet og har et brydningsindeks, der er normalt for et givet stof. Den ekstraordinære stråle ligger i det plan, der passerer gennem den indfaldende stråle og krystallens optiske akse, tegnet ved indfaldspunktet for strålen. Dette fly kaldes krystallens hovedplan... Brydningsindekserne for almindelige og ekstraordinære stråler er forskellige.

Både almindelige og ekstraordinære stråler er polariserede. Svingningsplanet for almindelige stråler er vinkelret på hovedplanet. Oscillationer af ekstraordinære stråler forekommer i krystallens hovedplan.

Fænomenet dobbeltbrydning skyldes anisotropien af ​​krystaller. Lysbølgens hastighed for de almindelige og ekstraordinære stråler er den samme langs den optiske akse. I andre retninger er hastigheden af ​​den ekstraordinære bølge i calcit større end den almindelige. Den største forskel mellem hastighederne af begge bølger sker i retningen vinkelret på den optiske akse.

Ifølge Huygens' princip opstår der i tilfælde af dobbeltbrydning, i hvert punkt på overfladen af ​​en bølge, der når krystalgrænsen, to elementære bølger samtidigt (ikke én, som i almindelige medier!), som forplanter sig i krystallen.

Udbredelseshastigheden af ​​en bølge i alle retninger er den samme, dvs. bølgen har en sfærisk form og kaldes almindelig... Udbredelseshastigheden af ​​en anden bølge i retningen af ​​krystallens optiske akse er den samme som hastigheden af ​​en almindelig bølge og adskiller sig fra den i retningen vinkelret på den optiske akse. Bølgen har en ellipsoid form og kaldes ekstraordinær(fig. 5).

Ris. 5. Udbredelse af almindelige (o) og ekstraordinære (e) bølger i en krystal

med dobbeltbrydning.

Nicolas prisme. For at opnå polariseret lys anvendes et Nicolas polariserende prisme. Et prisme af en bestemt form og størrelse skæres ud af calcit, derefter saves det på et diagonalt plan og limes med canadisk balsam. Når en lysstråle falder på oversiden langs prismets akse (fig. 6), falder en ekstraordinær stråle på limplanet i en mindre vinkel og passerer igennem, næsten uden at ændre retning. En almindelig stråle falder i en vinkel, der er større end vinklen for total refleksion for canadisk balsam, reflekteres fra limplanet og absorberes af prismets sorte overflade. Nicolas-prismet producerer fuldt polariseret lys, hvis svingningsplan ligger i prismets hovedplan.

Ris. 6. Nicolas prisme. Ordning for passage af en alm

og ekstraordinære stråler.

Dikroisme. Der er krystaller, der absorberer almindelige og ekstraordinære stråler på forskellige måder. Så hvis en stråle af naturligt lys er rettet mod en turmalinkrystal vinkelret på retningen af ​​den optiske akse, vil en almindelig stråle blive fuldstændig absorberet med en pladetykkelse på kun et par millimeter, og kun en ekstraordinær stråle vil komme ud. af krystallen (fig. 7).

Ris. 7. Passage af lys gennem en krystal af turmalin.

Den forskellige karakter af absorptionen af ​​almindelige og ekstraordinære stråler kaldes anisotropi af absorption, eller dikroisme. Turmalinkrystaller kan således også bruges som polarisatorer.

Polaroid. I øjeblikket er polarisatorer meget brugt polaroids. For at lave en polaroid limes en gennemsigtig film mellem to plader af glas eller plexiglas, som indeholder krystaller af et dikroisk stof, der polariserer lys (for eksempel iodquinonsulfat). Under produktionen af ​​filmen er krystallerne orienteret, så deres optiske akser er parallelle. Hele dette system er fastgjort i rammen.

Polaroidernes billighed og muligheden for at fremstille plader med et stort areal sikrede deres brede anvendelse i praksis.

Analyse af polariseret lys. For at studere arten og graden af ​​polarisering af lys, kaldes enheder analysatorer. Som analysatorer bruges de samme enheder, der tjener til at opnå lineært polariseret lys - polarisatorer, men tilpasset til rotation omkring længdeaksen. Analysatoren passerer kun vibrationer, der falder sammen med dens hovedplan. Ellers passerer kun den vibrationskomponent, der falder sammen med dette plan, gennem analysatoren.

Hvis lysbølgen, der kommer ind i analysatoren, er lineært polariseret, er intensiteten af ​​bølgen, der forlader analysatoren, sand Malus lov:

,

hvor I 0 er intensiteten af ​​det indkommende lys, φ er vinklen mellem planerne af det indkommende lys og det lys, der transmitteres af analysatoren.

Passagen af ​​lys gennem polarisator-analysesystemet er vist skematisk i fig. otte.

Ris. 8. Skema for lyspassage gennem polarisator-analysesystemet (P - polarisator,

A - analysator, E - skærm):

a) hovedplanerne for polarisatoren og analysatoren falder sammen;

b) hovedplanerne for polarisatoren og analysatoren er placeret i en bestemt vinkel;

c) hovedplanerne for polarisatoren og analysatoren er indbyrdes vinkelrette.

Hvis polarisatorens og analysatorens hovedplaner falder sammen, passerer lyset fuldstændigt gennem analysatoren og oplyser skærmen (fig. 7a). Hvis de er placeret i en bestemt vinkel, passerer lyset gennem analysatoren, men dæmpes (fig. 7b) jo mere, jo tættere denne vinkel er på 90 0. Hvis disse planer er indbyrdes vinkelrette, så slukkes lyset fuldstændigt af analysatoren (fig. 7c)

Rotation af oscillationsplanet for polariseret lys. Polarimetri. Nogle krystaller såvel som opløsninger af organiske stoffer har den egenskab, at de roterer oscillationsplanet for polariseret lys, der passerer gennem dem. Disse stoffer kaldes optisk-en aktiv... Disse omfatter sukkerarter, syrer, alkaloider osv.

For størstedelen af ​​optisk aktive stoffer blev der fundet to modifikationer, som roterer polariseringsplanet henholdsvis med uret og mod uret (for en observatør, der kigger mod strålen). Den første modifikation kaldes højredrejende eller positiv, sekund - venstredrejende, eller negativ.

Den naturlige optiske aktivitet af et stof i en ikke-krystallinsk tilstand skyldes molekylernes asymmetri. I krystallinske stoffer kan optisk aktivitet også skyldes de særlige kendetegn ved arrangementet af molekyler i gitteret.

I faste stoffer er rotationsvinklen φ af polarisationsplanet direkte proportional med længden d af lysstrålens bane i kroppen:

hvor α - rotationskapacitet (specifik rotation), afhængig af stoftype, temperatur og bølgelængde. For venstre- og højredrejende modifikationer er rotationsevnerne de samme i størrelsesorden.

For løsninger, rotationsvinklen for polariseringsplanet

,

hvor α er den specifikke rotation, c er koncentrationen af ​​det optisk aktive stof i opløsningen. Værdien af ​​α afhænger af arten af ​​det optisk aktive stof og opløsningsmiddel, lysets temperatur og bølgelængde. Specifik rotation- dette er rotationsvinklen øget med 100 gange for en opløsning med en tykkelse på 1 dm ved en koncentration på 1 gram pr. 100 cm 3 af en opløsning ved en temperatur på 20 0 C og ved en bølgelængde af lys λ = 589 nm . En meget følsom metode til at bestemme koncentrationen af ​​c, baseret på dette forhold, kaldes polarimetri (sakkarimetri).

Afhængigheden af ​​rotationen af ​​polarisationsplanet af lysets bølgelængde kaldes rotationsspredning. I den første tilnærmelse, Bios lov:

hvor A er en koefficient afhængig af stoffets beskaffenhed og temperatur.

I et klinisk miljø, metoden polarimetri bruges til at bestemme koncentrationen af ​​sukker i urinen. Enheden, der bruges til dette, kaldes sakkarimeter(fig. 9).

Ris. 9. Optisk skema for saccharimeteret:

Og - en kilde til naturligt lys;

C - lysfilter (monokromator), der sikrer koordinering af enhedens drift

med Bios lov;

L - samlelinse, der giver en parallel lysstråle ved udgangen;

P - polarisator;

K - rør med testopløsning;

A - analysator monteret på en roterende skive D med inddelinger.

Når der udføres en undersøgelse, indstilles først analysatoren til maksimal mørklægning af synsfeltet uden testopløsningen. Derefter anbringes et rør med en opløsning i apparatet, og ved at dreje analysatoren opnås mørkere synsfeltet igen. Den mindste af de to vinkler, som det er nødvendigt at dreje analysatoren igennem, er teststoffets rotationsvinkle. Vinklen bruges til at beregne koncentrationen af ​​sukker i opløsningen.

For at forenkle beregningerne er røret med opløsningen lavet af en sådan længde, at analysatorens rotationsvinkel (i grader) er numerisk lig med koncentrationen med opløsning (i gram pr. 100 cm 3). Glucoseslangen er 19 cm lang.

Polariserende mikroskopi. Metoden er baseret på anisotropi nogle komponenter af celler og væv, der vises, når de ses i polariseret lys. Strukturer, der består af molekyler arrangeret parallelt, eller skiver arrangeret i en stak, udviser, når de indføres i et medium med et brydningsindeks, der adskiller sig fra brydningsindekset for strukturens partikler, evnen til at dobbeltbrydning. Det betyder, at strukturen kun vil transmittere polariseret lys, når polariseringsplanet er parallelt med partiklernes lange akser. Dette gælder, selv når partiklerne ikke udviser iboende dobbeltbrydning. Optisk anisotropi observeret i muskler, bindevæv (kollagen) og nervefibre.

Selve navnet på skeletmuskulaturen" stribet" forbundet med forskellen i de optiske egenskaber af individuelle sektioner af muskelfiberen. Den består af skiftevis mørkere og lysere områder af vævsstof. Dette giver fiberen en tværstribe. Undersøgelse af muskelfiberen i polariseret lys afslører, at de mørkere områder er anisotropisk og har egenskaberne dobbeltbrydning mens de mørkere områder er det isotropisk. Kollagen fibrene er anisotrope, deres optiske akse er placeret langs fiberaksen. Miceller i pulp neurofibriller er også anisotrope, men deres optiske akser er placeret i radiale retninger. Et polariserende mikroskop bruges til histologisk undersøgelse af disse strukturer.

Den vigtigste komponent i et polariserende mikroskop er polarisatoren, som er placeret mellem lyskilden og kondensatoren. Derudover har mikroskopet et roterende trin eller prøveholder, en analysator placeret mellem objektivet og okularet, som kan installeres, så dets akse er vinkelret på polarisatoraksen, og en kompensator.

Når polarisatoren og analysatoren krydses, og objektet er fraværende eller er isotropisk, marken ser ensartet mørk ud. Hvis der er et objekt med dobbeltbrydning, og det er placeret således, at dets akse er i en anden vinkel til polarisationsplanet end 0 0 eller 90 0, vil det opdele det polariserede lys i to komponenter - parallelt og vinkelret på planet af analysatoren. Som følge heraf vil noget af lyset passere gennem analysatoren, hvilket resulterer i et lyst billede af objektet mod en mørk baggrund. Når objektet roterer, vil lysstyrken af ​​dets billede ændre sig og nå et maksimum i en vinkel på 45 0 i forhold til polarisatoren eller analysatoren.

Polariserende mikroskopi bruges til at studere orienteringen af ​​molekyler i biologiske strukturer (for eksempel muskelceller), samt under observation af strukturer, der er usynlige ved brug af andre metoder (f.eks. den mitotiske spindel under celledeling), identifikation af en spiralstruktur.

Polariseret lys bruges under simulerede forhold til at vurdere mekaniske belastninger i knoglevæv. Denne metode er baseret på fænomenet fotoelasticitet, som består i udseendet af optisk anisotropi i oprindeligt isotropiske faste stoffer under påvirkning af mekaniske belastninger.

BESTEMMELSE AF LYSBØLGELÆNGDEN VED HJÆLP AF ET DIFFRAKTIONSNET

Lys interferens. Lysinterferens er et fænomen, der opstår, når lysbølger overlejres og er ledsaget af deres forstærkning eller dæmpning. Et stabilt interferensmønster opstår, når kohærente bølger overlejres. Kohærente bølger er bølger med ens frekvenser og de samme faser eller med en konstant faseforskydning. Forstærkning af lysbølger under interferens (maksimal tilstand) sker, når Δ passer til et lige antal halve bølgelængder:

hvor k - rækkefølgen af ​​maksimum, k = 0, ± 1, ± 2, ±,... ± n;

λ - længden af ​​lysbølgen.

Dæmpning af lysbølger under interferens (minimumstilstand) observeres, hvis et ulige antal halve bølgelængder passer ind i den optiske vejforskel Δ:

hvor k Er rækkefølgen af ​​minimum.

Den optiske vejforskel for to stråler er forskellen mellem afstandene fra kilderne til observationspunktet for interferensmønsteret.

Interferens i tynde film. Interferens i tynde film kan observeres i sæbebobler, i en plet af petroleum på overfladen af ​​vandet, når det er oplyst af sollys.

Lad stråle 1 falde på overfladen af ​​en tynd film (se fig. 2). Strålen, der brydes ved luft-film-grænsefladen, passerer gennem filmen, reflekteres fra dens indre overflade, nærmer sig den ydre overflade af filmen, brydes ved film-luft-grænsefladen, og strålen kommer ud. Ved udgangspunktet for strålen dirigerer vi stråle 2, som passerer parallelt med stråle 1. Stråle 2 reflekteres fra filmens overflade, overlejret på strålen, og begge stråler interfererer.

Når filmen belyses med polykromatisk lys, får vi et regnbuebillede. Dette skyldes, at filmen ikke er ensartet i tykkelsen. Følgelig opstår der vejforskelle af forskellig størrelse, som svarer til forskellige bølgelængder (farvede sæbefilm, iriserende farver på vingerne på nogle nasomaner og fugle, film af olie eller olier på vandoverfladen osv.).

Lysinterferens bruges i enheder - interferometre. Interferometre er optiske enheder, med hvilke du rumligt kan adskille to stråler og skabe en vis vejforskel mellem dem. Interferometre bruges til at bestemme bølgelængder med en høj grad af nøjagtighed for korte afstande, brydningsindekser for stoffer og bestemme kvaliteten af ​​optiske overflader.

Til hygiejniske og hygiejniske formål bruges interferometeret til at bestemme indholdet af skadelige gasser.

Kombinationen af ​​et interferometer og et mikroskop (interferensmikroskop) bruges i biologien til at måle brydningsindekset, koncentrationen af ​​tørstof og tykkelsen af ​​gennemsigtige mikroobjekter.

Huygens-Fresnel princippet. Ifølge Huygens er hvert punkt i mediet, som den primære bølge når på et givet tidspunkt, en kilde til sekundære bølger. Fresnel forfinede denne Huygens position og tilføjede, at de sekundære bølger er sammenhængende, dvs. når de overlejres, vil de give et stabilt interferensmønster.

Let diffraktion. Diffraktion af lys refererer til fænomenet af afvigelse af lys fra retlinet udbredelse.

Diffraktion i parallelle stråler fra en spalte. Lad målet bredt v en parallel stråle af monokromatisk lys falder (se fig. 3):

En linse er installeret i strålernes bane L , i det brændplan, som skærmen er placeret i NS ... De fleste af strålerne diffrakterer ikke, dvs. ændrer ikke deres retning, og de fokuseres af linsen L i midten af ​​skærmen, der danner et centralt eller nulte-ordens maksimum. Bjælker diffrakteret ved lige diffraktionsvinkler φ , vil danne maksimum 1,2,3, ..., n - Ordre:% s.

Således er diffraktionsmønsteret opnået fra en spalte i parallelle stråler under belysning med monokromatisk lys en lysstribe med maksimal belysning i midten af ​​skærmen, derefter følger en mørk strimmel (minimum af 1. orden), derefter kommer en lysstribe ( maksimum af 1. orden), mørk stribe (minimum 2. orden), maksimalt 2. orden mv. Diffraktionsmønsteret er symmetrisk omkring det centrale maksimum. Når spalten belyses med hvidt lys, dannes der et system af farvede striber på skærmen, kun det centrale maksimum vil bevare farven på det indfaldende lys.

Betingelser max og min diffraktion. Hvis den optiske vej forskel Δ et ulige antal lige store segmenter passer, så observeres en stigning i lysintensiteten ( max diffraktion):

hvor k - rækkefølgen af ​​maksimum; k = ± 1, ± 2, ±…, ± n;

λ Er bølgelængden.

Hvis den optiske vej forskel Δ et lige antal lige store segmenter passer, så observeres en svækkelse af lysintensiteten ( min diffraktion):

hvor k Er rækkefølgen af ​​minimum.

Diffraktionsgitter. Diffraktionsgitteret består af vekslende striber, der er uigennemsigtige for lystransmission med striber (spalter) af samme bredde, som er transparente for lys.

Det vigtigste kendetegn ved et diffraktionsgitter er dets periode d ... perioden for diffraktionsgitteret er den samlede bredde af de gennemsigtige og uigennemsigtige bånd:

Et diffraktionsgitter bruges i optiske instrumenter for at forbedre opløsningen af ​​instrumentet. Opløsningen af ​​diffraktionsgitteret afhænger af rækkefølgen af ​​spektret k og på antallet af slag N :

hvor R - løsning.

Udledning af formlen for diffraktionsgitteret. Lad os rette to parallelle stråler til diffraktionsgitteret: 1 og 2, så afstanden mellem dem er lig med gitterperioden d .

På punkter EN og V stråle 1 og 2 diffrakterer og afviger fra den retlinede retning i en vinkel φ Er diffraktionsvinklen.

Bjælker og fokuseret med linse L på skærmen placeret i objektivets brændplan (fig. 5). Hver spalte i gitteret kan betragtes som en kilde til sekundære bølger (Huygens - Fresnel-princippet). På skærmen ved punkt D observerer vi maksimum af interferensmønsteret.

Fra punkt EN pr. bjælke vi slipper vinkelret og får punkt C. Betragt trekanten ABC : rektangulær trekant, LBAC = lφ som vinkler med indbyrdes vinkelrette sider. Fra Δ ABC:

hvor AB = d (ved konstruktion),

SV = Δ - optisk vejforskel.

Da vi i punkt D observerer maksimal interferens, altså

hvor k - rækkefølgen af ​​maksimum,

λ - længden af ​​lysbølgen.

Udskiftning af værdier AB = d, ind i formlen for sinφ :

Herfra får vi:

I generel form er formlen for diffraktionsgitteret:

± tegnene indikerer, at interferensmønsteret på skærmen er symmetrisk omkring det centrale maksimum.

Fysiske grundlag for holografi. Holografi er en metode til at optage og rekonstruere et bølgefelt, som er baseret på fænomenerne diffraktion og interferens af bølger. Hvis kun intensiteten af ​​de bølger, der reflekteres fra objektet, optages i et almindeligt fotografi, registreres bølgernes faser desuden på hologrammet, som giver yderligere information om objektet og giver dig mulighed for at få et tredimensionelt billede af objektet. objekt.