Във видео урок по физика от Академията за забавни науки, професор Даниил Едисонович продължава разговора за светлината, започнат в предишния епизод на програмата. Телевизионните зрители вече знаят какво е отражение на светлината, но какво е пречупване на светлината? Именно пречупването на светлината обяснява някои от странните оптични явления, които можем да наблюдаваме в ежедневието си.
Явлението пречупване на светлината
Защо краката на хората, стоящи във водата, изглеждат по-къси, отколкото са в действителност, а ако погледнете дъното на реката, изглежда по-близо? Всичко е свързано с явлението пречупване на светлината. Светлината винаги се опитва да се движи по права линия, по най-краткия път. Но преминавайки от една физическа среда в друга, част от слънчевите лъчи променя посоката си. В този случай имаме работа с явлението пречупване на светлината. Ето защо лъжица в чаша с чай изглежда счупена - светлината от частта на лъжицата, която е в чая, достига до очите ни под различен ъгъл от светлината от частта на лъжицата, която е над повърхността на течността. . Пречупването на светлината в този случай става на границата на въздуха и водата. При отражение светлинният лъч преминава по най-късия път, а при пречупване се движи най-бързо. Използвайки законите за отражение и пречупване на светлината, хората са създали много неща, без които животът ни днес е немислим. Телескопи, перископи, микроскопи, лупи, всичко това би било невъзможно да се създаде без познаване на законите за пречупване и отражение на светлината. Лупата увеличава, защото, преминавайки през нея, светлинните лъчи влизат в окото под ъгъл, по-голям от лъчите, отразени от самия обект. За да направите това, обектът трябва да бъде поставен между лупата и нейния оптичен фокус. Оптичен фокус; това е точката, в която първоначално успоредните лъчи се пресичат (фокусират) след преминаване през събирателна система (или където техните удължения се пресичат, ако системата е разсейваща). Една леща (като леща за очила) има две страни, така че светлинният лъч се пречупва два пъти - докато влиза и излиза от лещата. Повърхността на лещата може да бъде извита, вдлъбната или плоска, което определя как точно ще се случи явлението пречупване на светлината в нея. Ако двете страни на лещата са изпъкнали, това е събирателна леща. Пречупени в такава леща, светлинните лъчи се концентрират в една точка. Това се нарича основен фокус на лещата. Леща с вдлъбнати страни се нарича разсейваща леща. На пръв поглед му липсва фокус, тъй като лъчите, преминаващи през него, се разпръскват и се разминават настрани. Но ако пренасочим тези лъчи обратно, тогава те, преминавайки отново през лещата, ще се съберат в точка, която ще бъде фокусът на тази леща. В човешкото око има леща, тя се нарича леща. Може да се сравни с филмов проектор, който проектира изображение върху екран - задната стена на окото (ретината). Така се оказва, че езерото е гигантска леща, която предизвиква явлението пречупване на светлината. Ето защо краката на стоящите в него рибари изглеждат къси. Дъгите също се появяват в небето благодарение на лещите. Тяхната роля се изпълнява от малки капчици вода или снежни частици. Дъгите възникват, когато слънчевата светлина се пречупва и отразява от капчици вода (дъжд или мъгла), плаващи в атмосферата. Тези капчици огъват светлината от различни цветове по различен начин. В резултат на това бялата светлина се разлага на спектър (възниква дисперсия на светлината). Наблюдател, който стои с гръб към източника на светлина, вижда многоцветно сияние, което излиза от космоса в кръгове (дъги).
Процесите, които са свързани със светлината, са важен компонент на физиката и ни заобикалят навсякъде в ежедневието ни. Най-важните в тази ситуация са законите за отражение и пречупване на светлината, на които се основава съвременната оптика. Пречупването на светлината е важна част от съвременната наука.
Ефект на изкривяване
Тази статия ще ви разкаже какво представлява явлението пречупване на светлината, както и как изглежда законът за пречупване и какво следва от него.
Основи на физическото явление
Когато лъч падне върху повърхност, която е разделена от две прозрачни вещества с различна оптична плътност (например различни стъкла или във вода), част от лъчите ще бъдат отразени, а други ще проникнат във втората структура (например, те ще се размножават във вода или стъкло). Когато преминава от една среда в друга, лъчът обикновено променя посоката си. Това е явлението пречупване на светлината.
Отражението и пречупването на светлината е особено видимо във водата.
Ефект на изкривяване във водата
Гледайки нещата във вода, те изглеждат изкривени. Това е особено забележимо на границата между въздух и вода. Визуално подводните обекти изглеждат леко отклонени. Описаният физичен феномен е именно причината всички обекти да изглеждат изкривени във водата. Когато лъчите ударят стъклото, този ефект е по-малко забележим.
Пречупването на светлината е физическо явление, което се характеризира с промяна в посоката на движение на слънчевия лъч в момента на преминаването му от една среда (структура) в друга.
За да подобрим нашето разбиране за този процес, разгледайте пример за лъч, който удря вода от въздух (подобно за стъкло). Чрез начертаване на перпендикулярна линия по дължината на интерфейса може да се измери ъгълът на пречупване и връщането на светлинния лъч. Този индекс (ъгъл на пречупване) ще се промени, когато потокът проникне във водата (вътре в стъклото).
Забележка! Този параметър се разбира като ъгъл, образуван от перпендикуляр, изтеглен към разделянето на две вещества, когато лъч прониква от първата структура към втората.
Проход на лъча
Същият показател е характерен и за други среди. Установено е, че този показател зависи от плътността на веществото. Ако лъчът пада от по-малко плътна към по-плътна структура, тогава създаденият ъгъл на изкривяване ще бъде по-голям. И ако е обратното, тогава е по-малко.
В същото време промяната в наклона на спада също ще повлияе на този показател. Но връзката между тях не остава постоянна. В същото време съотношението на техните синуси ще остане постоянна стойност, което се отразява от следната формула: sinα / sinγ = n, където:
- n е постоянна стойност, която се описва за всяко конкретно вещество (въздух, стъкло, вода и др.). Следователно каква ще бъде тази стойност може да се определи с помощта на специални таблици;
- α – ъгъл на падане;
- γ – ъгъл на пречупване.
За да се определи това физическо явление, е създаден законът за пречупването.
Физически закон
Законът за пречупване на светлинните потоци ни позволява да определим характеристиките на прозрачните вещества. Самият закон се състои от две разпоредби:
- Първа част. Лъчът (инцидент, модифициран) и перпендикулярът, който е възстановен в точката на падане на границата, например на въздух и вода (стъкло и др.), ще бъдат разположени в една и съща равнина;
- Втората част. Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на същия ъгъл, образуван при пресичане на границата, ще бъде постоянна стойност.
Описание на закона
В този случай, в момента, в който лъчът излезе от втората структура в първата (например, когато светлинният поток преминава от въздуха, през стъклото и обратно във въздуха), също ще се появи ефект на изкривяване.
Важен параметър за различни обекти
Основният индикатор в тази ситуация е съотношението на синуса на ъгъла на падане към подобен параметър, но за изкривяване. Както следва от описания по-горе закон, този показател е постоянна стойност.
Освен това, когато стойността на наклона на спада се промени, същата ситуация ще бъде типична за подобен индикатор. Този параметър е от голямо значение, тъй като е неразделна характеристика на прозрачните вещества.
Индикатори за различни обекти
Благодарение на този параметър можете доста ефективно да разграничите видовете стъкло, както и различни скъпоценни камъни. Също така е важно за определяне на скоростта на светлината в различни среди.
Забележка! Най-високата скорост на светлинния поток е във вакуум.
При преминаване от едно вещество към друго скоростта му ще намалява. Например в диаманта, който има най-висок индекс на пречупване, скоростта на разпространение на фотона ще бъде 2,42 пъти по-висока от тази на въздуха. Във вода те ще се разпространяват 1,33 пъти по-бавно. За различните видове стъкла този параметър варира от 1,4 до 2,2.
Забележка! Някои стъкла имат индекс на пречупване 2,2, което е много близко до диаманта (2,4). Следователно не винаги е възможно да се различи парче стъкло от истински диамант.
Оптична плътност на веществата
Светлината може да проникне през различни вещества, които се характеризират с различна оптична плътност. Както казахме по-рано, с помощта на този закон можете да определите характеристиката на плътността на средата (структурата). Колкото по-плътен е, толкова по-бавна е скоростта, с която светлината ще се разпространява през него. Например, стъклото или водата ще бъдат оптически по-плътни от въздуха.
В допълнение към факта, че този параметър е постоянна стойност, той също отразява съотношението на скоростта на светлината в две вещества. Физическото значение може да се покаже като следната формула:
Този индикатор показва как скоростта на разпространение на фотоните се променя при преминаване от едно вещество към друго.
Друг важен показател
Когато светлинният поток преминава през прозрачни обекти, е възможна неговата поляризация. Наблюдава се при преминаване на светлинен поток от диелектрични изотропни среди. Поляризацията възниква, когато фотоните преминават през стъкло.
Поляризационен ефект
Частична поляризация се наблюдава, когато ъгълът на падане на светлинния поток на границата на два диелектрика е различен от нула. Степента на поляризация зависи от това какви са били ъглите на падане (закон на Брустър).
Пълно вътрешно отражение
Завършвайки нашата кратка екскурзия, все още е необходимо да се вземе предвид такъв ефект като пълно вътрешно отражение.
Феноменът на пълното показване
За да се прояви този ефект, е необходимо да се увеличи ъгълът на падане на светлинния поток в момента на прехода му от по-плътна към по-малко плътна среда на границата между веществата. В ситуация, в която този параметър надвишава определена ограничаваща стойност, тогава фотоните, падащи на границата на този участък, ще бъдат напълно отразени. Всъщност това ще бъде нашият желан феномен. Без него беше невъзможно да се направи оптика.
Заключение
Практическото приложение на поведението на светлинния поток даде много, създавайки различни технически устройства за подобряване на живота ни. В същото време светлината все още не е разкрила всичките си възможности пред човечеството и нейният практически потенциал все още не е напълно реализиран.
Как да направите лампа от хартия със собствените си ръце
Как да проверите ефективността на LED лента
1. Провеждаме експерименти върху пречупването на светлината
Нека проведем такъв експеримент. Нека насочим тесен лъч светлина към повърхността на водата в широк съд под определен ъгъл спрямо повърхността. Ще забележим, че в местата на падане лъчите не само се отразяват от повърхността на водата, но и частично преминават във водата, променяйки посоката си (фиг. 3.33).
- Промяната в посоката на разпространение на светлината, когато тя преминава през интерфейса между две среди, се нарича пречупване на светлината.
Първото споменаване на пречупването на светлината може да се намери в произведенията на древногръцкия философ Аристотел, който се чудеше: защо пръчката изглежда счупена във водата? А в един от древногръцките трактати е описан следният експеримент: „Трябва да застанете така, че плоският пръстен, поставен на дъното на съда, да е скрит зад ръба му. След това, без да променяте позицията на очите, налейте вода в съда.
Ориз. 3.33 Схема на експеримент за демонстриране на пречупването на светлината. Преминавайки от въздух към вода, светлинният лъч променя посоката си, измествайки се към перпендикуляра, установен в точката на падане на лъча
2. Съществуват следните зависимости между ъгъла на падане и ъгъла на пречупване:
а) ако ъгълът на падане се увеличи, ъгълът на пречупване също се увеличава;
б) ако светлинен лъч преминава от среда с по-ниска оптична плътност към среда с по-висока оптична плътност, тогава ъгълът на пречупване ще бъде по-малък от ъгъла на падане;
в) ако лъч светлина преминава от среда с по-висока оптична плътност към среда с по-ниска оптична плътност, тогава ъгълът на пречупване ще бъде по-голям от ъгъла на падане.
(Трябва да се отбележи, че в гимназията, след като вземете курс по тригонометрия, ще се запознаете по-добре с пречупването на светлината и ще научите за него на нивото на законите.)
4. С пречупването на светлината обясняваме някои оптични явления
Когато ние, застанали на брега на резервоар, се опитваме да определим дълбочината му с око, той винаги изглежда по-малък, отколкото е в действителност. Това явление се обяснява с пречупването на светлината (фиг. 3.37).
Ориз. 3. 39. Оптични устройства, чиято работа се основава на явлението пречупване на светлината
- Тестови въпроси
1. Какво явление наблюдаваме, когато светлината преминава през интерфейса между две среди?
Л. И. Манделщам изучава разпространението на електромагнитни вълни, предимно видима светлина. Той открива редица ефекти, някои от които сега носят неговото име (комбинационно разсейване, ефектът на Манделщам-Брилуен и др.).
Опция 1. Оборудване:устройство за изучаване на законите на геометричната оптика, токоизправител VS-24 или VS 4-12, плоско огледало, направено от части на устройството.
Когато подготвяте устройство за геометрична оптика за работа, регулирайте осветеността на екрана. За да направите това, разхлабете сферичната става и завъртете или преместете осветителя, докато средната ивица светлина премине през целия екран (по диаметъра му). Осветителят е фиксиран в това положение. Ако в същото време лентата от светлина е замъглена и не е остра, тогава, като освободите винта, фиксиращ електрическия патрон в осветителя, завъртете, спуснете или повдигнете електрическия патрон, докато на екрана се получи ясна ивица светлина. Ако страничните ивици светлина не достигат до ръба на екрана, тогава наклонът на осветителя трябва да се промени. След настройката всички винтове са здраво затегнати.
Инсталацията е сглобена съгласно фигура 278. С помощта на скоба се монтира плоско огледало от набор от оптични части, така че отразяващата му повърхност да съвпада с хоризонталната ос. Остава само един среден лъч. Те променят ъгъла на падане от 0 до 90°, отбелязват ъгъла на отражение, сравняват тези ъгли и правят заключение.
Експериментът се повтаря, демонстрирайки свойствата на обратимостта на светлинните лъчи, за които осветителят се прехвърля от една част на диска в друга. (Когато демонстрирате експерименти с геометрична оптика, стаята трябва да бъде затъмнена.)
Ориз. 278 Фиг. 280
Опит 2. Пречупване на светлината
Опция 1. Оборудване:
Върху екрана се поставя прозрачен полуцилиндър с матовата страна към екрана и плоския разрез нагоре, така че да съвпада с хоризонталната ос. Центърът на полуцилиндъра е подравнен с центъра на екрана с помощта на маркировки върху матовата повърхност на полуцилиндъра (фиг. 280).
Когато демонстрирате експеримента, използвайте средния лъч. Лъчът е насочен към центъра на полуцилиндъра перпендикулярно на равнината (лъчът преминава без промяна на посоката). Отклонете падащия лъч от перпендикуляра и забележете, че пречупеният лъч излиза от полуцилиндъра под различен ъгъл. Сравняват се ъглите на падане и пречупване и се прави заключение.
Повторете експеримента при различен ъгъл на падане. (По време на експеримента трябва да обърнете внимание на бифуркацията на светлинния лъч на границата между двете среди.)
Опит 3. Явлението пълно отражение на светлината
Опция 1. Оборудване:устройство за изучаване на законите на геометричната оптика, токоизправител VS-24 или VS 4-12, полуцилиндър от набор от оптични части.
След като се обърна внимание на съотношението на ъглите на падане и пречупване в предишния експеримент (фиг. 280), позицията на полуцилиндъра се променя. Неговата изпъкнала страна е монтирана към осветителя (плоският разрез съвпада с хоризонталната ос). Ъглите на падане се променят в сравнение с ъглите на пречупване и се прави заключение.
Съотношението на ъглите на падане и пречупване се сравнява в зависимост от съотношението на оптичната плътност на средата (резултатите от този и предишни експерименти). Те правят заключение.
Уверете се, че с увеличаване на ъгъла на падане яркостта на отразения лъч се увеличава, а на пречупения лъч намалява. Увеличете ъгъла на падане, докато пречупеният лъч изчезне. При по-нататъшно увеличаване на ъгъла на падане ще се наблюдава само отразеният лъч. Наблюдава се явлението пълно отражение на светлината.
Въпрос.Какъв е граничният ъгъл на пълно отражение? (Отговорете на една значима цифра.)
Вариант 2. Оборудване:прожекционно устройство, аквариум.
Инсталацията се сглобява съгласно фигура 281. Слой вода с дебелина 7-8 cm се излива в стъклена вана (аквариум) и се оцветява с боров концентрат. Пред кондензатора на проекционния апарат е монтиран хоризонтален прорез, а върху рамката на обектива е поставено плоско огледало. Лъч светлина се насочва към страничната стена на стъклената вана. Наблюдава се пречупване на светлинен лъч във вода, пълно отражение от повърхността на водата и пречупване при излизане на лъча от ваната. Чрез промяна на ъгъла на падане могат да се наблюдават множество пълни отражения на светлинния лъч от повърхността на водата и дъното на ваната.
