Введем несколько определений. Углом падения луча назовем угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча (угол a). Углом отражения луча назовем угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча (угол b).
При отражении света всегда выполняются две закономерности: Первая. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности в точке излома луча всегда лежат в одной плоскости. Вторая. Угол падения равен углу отражения. Эти два утверждения выражают суть закона отражения света.
На левом рисунке лучи и перпендикуляр к зеркалу не лежат в одной плоскости. На правом рисунке угол отражения не равен углу падения. Поэтому такое отражение лучей нельзя получить на опыте.
Закон отражения является справедливым как для случая зеркального, так и для случая рассеянного отражения света. Обратимся еще раз к чертежам на предыдущей странице. Несмотря на кажущуюся беспорядочность в отражении лучей на правом чертеже, все они расположены так, что углы отражения равны углам падения. Взгляните, шероховатую поверхность правого чертежа мы «разрезали» на отдельные элементы и провели перпендикуляры в точках излома лучей.
1. В основе явления распространения света лежат три закона: закон прямолинейного распространения света, закон отражения света и закон преломления света.
Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно . Однородная среда - это среда, состоящая из одного и того же вещества, например, воздух, вода, стекло, масло и пр. Наблюдать прямолинейное распространение света можно в затемненной комнате, в которую через небольшое отверстие проникает луч света.
Следствием прямолинейного распространения света является то, что свет не проникает за экраны, ширмы и другие преграды. Однако если преграда очень мала, например, если это волос, тонкая нить и т.п., то за неё свет будет проникать, т.е. свет в определённых условиях
свет отклоняется от прямолинейного распространения.
Прямолинейное распространение света объясняет образование тени от предметов. На рисунке 97 показано распространение света от точечного источника.
Точечный источник
- это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя. На рисунке видно, что на экране образуется чёткая
тень предмета.
На рисунке 98 показано распространение света от протяжённого источника.
В этом случае на экране образуются область тени и область полутени. Тень - область, в которую свет не попадает, в область полутени свет попадает от одной части источника света.
Зная, как образуется тень, можно объяснить солнечные и лунные затмения.
2. Если среда, в которой распространяется свет неоднородная, т.е. свет падает на границу раздела двух сред, то свет изменяет направление распространения. На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение света от границы раздела сред, преломление и поглощение веществом (рис. 99).
На рисунке 99 АО - падающий луч, ОВ - отражённый луч, ОС - преломлённый луч; угол (\(\alpha \) между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела сред - угол падения луча, угол \(\beta \) между отражённым лучом и перпендикуляром к границе раздела сред - угол отражения, угол \(\gamma \) между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела сред - угол преломления.
При изменении угла падения изменяется угол отражения, но при этом отражение света подчиняется закону отражения:
- угол отражения света равен углу падения \((\beta=\alpha) \) ,
- лучи падающий и отражённый, а также перпендикуляр, восставленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
Из закона отражения света следует, что падающий и отражённый лучи обратимы.
Если свет отражается от гладкой поверхности, то отражение называется зеркальным. В этом случае, если на поверхность падают параллельные лучи, то отражённые лучи тоже будут параллельными (рис. 100).
Если параллельные лучи падают на шероховатую поверхность, то отражённые лучи будут направлены в разные стороны. Это отражение называют рассеянным или диффузным.
3. На рисунке 101 приведено построение изображения в плоском зеркале. Как показывают опыт и построение изображения предмета в плоском зеркале на основе закона отражения:
- плоское зеркало дает прямое изображение предмета;
- изображение имеет те же размеры, что и предмет;
- расстояние от предмета до зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения.
Иными словами предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.
Изображение предмета в плоском зеркале является мнимым. Мнимое изображение - это такое изображение, которое формируется глазом. В точке \(S’ \) собираются не сами лучи, а их продолжение, энергия в эту точку не поступает.
4. Изменение направления распространения света при переходе в другую среду называют преломлением света.
Эксперименты свидетельствуют о том, что при увеличении угла падения увеличивается угол преломления. Из опытов также следует, что соотношение углов падения и преломления зависит от оптической плотности среды.
Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Так, оптическая плотность воздуха меньше, чем стекла, масла и пр., поскольку скорость света в этих средах меньше, чем в воздухе.
Явление преломления света подчиняется следующим закономерностям:
- если свет переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения \((\gamma<\alpha) \) ;
- если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения \((\gamma>\alpha) \) ;
- лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
При переходе света из одной среды в другую его интенсивность несколько уменьшается. Это связано с тем, что свет частично поглощается средой.
Часть 1
1. На рисунке изображены точечный источник света \(L \) , предмет \(K \) и экран, на котором получают тень от предмета. При мере удаления предмета от источника света и приближения его к экрану (см. рисунок)
1) размеры тени будут уменьшаться
2) размеры тени будут увеличиваться
3) границы тени будут размываться
4) границы тени будут становиться более чёткими
2. Размеры изображения предмета в плоском зеркале
1) больше размеров предмета
2) равны размерам предмета
3) меньше размеров предмета
4) больше, равны или меньше размеров предмета в зависимости от расстояния между предметом и зеркалом
3. Луч света падает на плоское зеркало. Угол между падающим лучом и отражённым увеличили на 30°. Угол между зеркалом и отражённым лучом
1) увеличился на 30°
2) увеличился на 15°
3) уменьшился на 30°
4) уменьшился на 15°
4. Какое из изображений - А, Б, В или Г - соответствует предмету MN, находящемуся перед зеркалом?
1) А
2) Б
3) В
4) Г
5. Предмет, расположенный перед плоским зеркалом, приблизили к нему на 5 см. Как изменилось расстояние между предметом и его изображением?
1) увеличилось на 5 см
2) уменьшилось на 5 см
3) увеличилось на 10 см
4) уменьшилось на 10 см
6. Предмет, расположенный перед плоским зеркалом, удалили от него так, что расстояние между предметом и его изображением увеличилось в 2 раза. Во сколько раз увеличилось расстояние между предметом и зеркалом?
1) в 0,5 раза
2) в 2 раза
3) в 4 раза
4) в 8 раз
7. Чему равен угол падения луча на границе вода - воздух, если известно, что угол преломления равен углу падения?
1) 90°
2) 60°
3) 45°
4) 0°
8. Луч света переходит из стекла в воздух, преломляясь на границе раздела двух сред. Какое из направлений 1-4 соответствует преломлённому лучу?
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
9. Свет распространяется из масла в воздух, преломляясь на границе раздела этих сред. Па каком рисунке правильно представлены падающий и преломлённый лучи?
10. Световой луч падает на границу раздела двух сред. Скорость света во второй среде
1) равна скорости света в первой среде
2) больше скорости света в первой среде
3) меньше скорости света в первой среде
4) используя один луч, нельзя дать точный
11. Для каждого примера из первого столбца подберите соответствующее физическое явление из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
A) изображение стоящих на берегу деревьев в «зеркале» воды
Б) видимое изменение положения камня на дне озера
B) эхо в горах
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
1) отражение света
2) преломление света
3) дисперсия света
4) отражение звуковых волн
5) преломление звуковых волн
12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу
1) угол преломления равен углу падения, если оптическая плотность двух граничащих сред одинакова
2) чем больше показатель преломления среды, тем больше скорость света в ней
3) полное внутреннее отражение происходит при переходе света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную
4) угол преломления всегда меньше угла падения
5) угол преломления всегда равен углу падения
Ответы
Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.
Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью ) и исходным лучом называется углом падения , а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.
Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).
Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.
Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.
Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.
ТЕНЬ ПЛАМЕНИ
Осветите горящую свечу мощной электрической лампой. На экране из белого листа бумаги появится не только тень свечи, но и тень ее пламени
На первый взгляд кажется странным, что сам источник света может иметь собственную тень. Объясняется это тем, что в пламени свечи есть непрозрачные раскаленные частицы и что очень велика разница в яркости пламени свечи и освещающего ее мощного источника света. Этот опыт очень хорошо наблюдать, когда свечу освещают яркие лучи Солнца.
ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА
Для этого опыта нам понадобятся: небольшое прямоугольное зеркало и два длинных карандаша.
Положите на стол лист бумаги и проведите на нем прямую линию. Поставьте на бумагу перпендикулярно проведенной линии зеркало. Чтобы зеркало не упало, позади него положите книги.
Для проверки строгой перпендикулярности нарисованной на бумаге линии к зеркалу проследите, чтобы
и эта линия и ее отражение в зеркале были прямолинейными, без излома у поверхности зеркала. Это мы с вами создали перпендикуляр.
В роли световых лучей в нашем опыте выступят карандаши. Положите карандаши на листок бумаги по разные стороны от начерченной линии концами друг к другу и к той точке, где линия упирается в зеркало.
Теперь проследите, чтобы отражения карандашей в зеркале и карандаши, лежащие перед зеркалом, образовывали прямые линии, без излома. Один из карандашей будет играть роль падающего луча, другой - луча отраженного. Углы между карандашами и начерченным перпендикуляром получаются равными друг другу.
Если теперь вы повернете один из карандашей (например, увеличивая угол падения), то обязательно нужно повернуть и второй карандаш, чтобы не было излома между первым карандашом и его продолжением в зеркале.
Всякий раз, изменяя угол между одним карандашом и перпендикуляром, нужно проделывать это и с другим карандашом, чтобы не нарушить прямолинейности светового луча, который карандаш изображает.
ЗЕРКАЛЬНОЕ ОТРАЖЕНИЕ
Бумага бывает разных сортов и отличается своей гладкостью. Но даже очень гладкая бумага не способна отражать, как зеркало, она совсем не похожа на зеркало. Если такую гладкую бумагу рассматривать через увеличительное стекло, то сразу можно увидеть ее волокнистое строение, разглядеть впадинки и бугорки на ее поверхности. Свет, падающий на бумагу, отражается и бугорками, и впадинками. Эта беспорядочность отражений создает рассеянный свет.
Однако и бумагу можно заставить отражать световые лучи по-другому, чтобы не получался рассеянный свет. Правда, даже очень гладкой бумаге далеко до настоящего зеркала, но все-таки и от нее можно добиться некоторой зеркальности.
Возьмите лист очень гладкой бумаги и, прислонив его край к переносице, повернитесь к окну (этот опыт надо делать в яркий, солнечный день). Ваш взгляд должен скользить по бумаге. Вы увидите на ней очень бледное отражение неба смутные силуэты деревьев, домов. И чем меньше будет угол между направлением взгляда и листом бумаги, тем яснее будет отражение. Подобным образом можно получить на бумаге зеркальное отражение свечи или электрической лампочки.
Чем же объяснить, что на бумаге, хоть и плохо, все-таки можно видеть отражение?
Когда вы смотрите вдоль листа, все бугорки бумажной поверхности загораживают впадинки и превращаются как бы в одну сплошную поверхность. Беспорядочных лучей от впадин мы уже не видим, они нам теперь не мешают видеть то, что отражают бугорки.
ОТРАЖЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧЕЙ
Положите на расстоянии двух метров от настольной лампы (на одном с ней уровне) лист плотной белой бумаги. На одном краю бумаги укрепите расческу с крупными зубьями. Сделайте так, чтобы свет от лампы проходил на бумагу сквозь зубья расчески. Около самой расчески получится полоска тени от ее «спинки». На бумаге от этой теневой полоски должны идти параллельные полоски света, прошедшие между зубьями расчески
Возьмите небольшое прямоугольное зеркало и поставьте его поперек светлых полосок. На бумаге появятся полоски отраженных лучей.
Поверните зеркало, чтобы лучи падали на него под некоторым углом. Отраженные лучи тоже повернутся. Если мысленно провести перпендикуляр к зеркалу в месте падения какого-нибудь луча, то угол между этим перпендикуляром и падающим лучом будет равен углу отраженного луча. Как бы вы ни изменяли угол падения лучей на отражающую поверхность, как бы ни поворачивали зеркало, всегда отраженные лучи будут выходить под таким же углом.
Если нет маленького зеркала, его можно заменить блестящей стальной линейкой или лезвием безопасной бритвы. Результат будет несколько хуже, чем с зеркалом, но все-таки опыт провести можно.
С бритвой или линейкой возможно проделать еще и такие опыты. Согните линейку или бритву и поставьте на пути параллельных лучей. Если лучи попадут на вогнутую поверхность, то они, отразившись, соберутся в одной точке.
Попав на выпуклую поверхность, лучи отразятся от нее веером. Для наблюдения этих явлений очень пригодится та тень, которая получилась от «спинки» расчески.
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ
Интересное явление происходит с лучом света, который выходит из более плотной среды в менее плотную, например, из воды в воздух. Лучу света не всегда удается это сделать. Все зависит от того, под каким углом он пытается выйти из воды. Здесь угол - это угол, который луч образует с перпендикуляром к поверхности, через которую он хочет пройти. Если этот угол равен нулю, то он свободно выходит наружу. Так, если положить на дно чашки пуговицу и смотреть на нее точно сверху, то пуговица хорошо видна.
Если же увеличивать угол, то может наступить момент, когда нам будет казаться, что предмет исчез. В этот момент лучи полностью отразятся от поверхности, уйдут в глубину и до наших глаз не дойдут. Такое явление называется полным внутренним отражением или полным отражением.
Опыт 1
Сделайте из пластилина шарик диаметром 10- 12 мм и воткните в него спичку. Из плотной бумаги или картона вырежьте кружок диаметром 65 мм. Возьмите глубокую тарелку и натяните на ней параллельно диаметру две нитки на расстоянии трех сантиметров друг от друга. Концы ниток закрепите на краях тарелки пластилином или лейкопластырем.
Затем, проткнув шилом кружок в самом центре, вставьте в отверстие спичку с шариком. Расстояние между шариком и кружком сделайте около двух миллиметров. Положите кружок шариком вниз на натянутые нитки в центре тарелки. Если посмотреть сбоку, шарик должен быть виден. Теперь налейте в тарелку воду до самого кружка. Шарик исчез. Световые лучи с его изображением уже не дошли до наших глаз. Они, отразившись от внутренней поверхности воды, ушли в глубь тарелки. Произошло полное отражение.
Опыт 2
Надо найти шарик из металла с ушком или отверстием, подвесить его на кусочке проволоки и покрыть копотью (лучше всего поджечь кусочек ваты, смоченный скипидаром, машинным или растительным маслом). Дальше налейте в тонкий стакан воды и, когда шарик остынет, опустите его в воду. Виден будет блестящий шарик с «черной косточкой». Это происходит потому, что частицы сажи удерживают воздух, который создает вокруг шарика газовую оболочку.
Опыт 3
Налейте в стакан воду и погрузите в нее стеклянную пипетку. Если ее рассматривать сверху, немного наклонив в воде, чтобы хорошо была видна ее стеклянная часть, она будет так сильно отражать световые лучи, что станет словно зеркальной, будто сделана из серебра. Но стоит нажать на резинку пальцами и набрать в пипетку воду, как сразу же иллюзия исчезнет, и мы увидим только стеклянную пипетку - без зеркального наряда. Зеркальной ее делала поверхность воды, соприкасавшаяся со стеклом, за которым был воздух. От этой границы между водой и воздухом (стекло в данном случае не учитывается) отражались полностью световые лучи и создавали впечатление зеркальности. Когда же пипетка наполнилась водой, воздух в ней исчез, полное внутреннее отражение лучей прекратилось, потому что они просто стали проходить в воду, заполнившую пипетку.
Обратите внимание на пузырьки воздуха, которые иногда бывают в воде на внутренней стороне стакана. Блеск этих пузырьков тоже результат полного внутреннего отражения света от границы воды и воздуха в пузырьке.
ХОД СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ В СВЕТОВОДЕ
Хотя световые лучи распространяются от источника света по прямым линиям, можно заставить их идти и по кривому пути. Сейчас изготовляют тончайшие световоды из стекла, по которым световые лучи проходят большие расстояния с различными поворотами.
Простейший световод можно сделать довольно просто. Это будет струя воды. Свет, идя по такому световоду, встретив поворот, отражается от внутренней поверхности струи, не может вырваться наружу и идет дальше внутри струи до самого ее конца. Частично вода рассеивает небольшую долю света, и поэтому в темноте мы все-таки увидим слабо светящуюся струю. Если вода слегка забелена краской, светиться струя будет сильнее.
Возьмите шарик для настольного тенниса и проделайте в нем три отверстия: для крана, для короткой резиновой трубки и против этого отверстия третье - для лампочки от карманного фонаря. Лампочку вставьте внутрь шарика цоколем наружу и прикрепите к нему два провода, которые потом присоедините к батарейке от карманного фонаря. Шарик укрепите на кране с помощью изоляционной ленты. Все места соединений промажьте пластилином. Затем обмотайте шарик темной материей.
Откройте кран, но не очень сильно. Струя воды, вытекающая из трубки, должна, изгибаясь, падать недалеко от крана. Свет погасите. Присоедините провода к батарейке. Лучи света от лампочки пройдут через воду в отверстие, из которого вытекает вода. Свет пойдет по струе. Вы увидите лишь ее слабое свечение. Основной поток света идет по струе, не вырывается из нее даже там, где она изгибается.
ОПЫТ С ЛОЖКОЙ
Возьмите блестящую ложку. Если она хорошо отполирована, то даже кажется немножко зеркальной, что-то отражает. Закоптите ее над пламенем свечи, да почернее. Теперь ложка ничего уже не отражает. Копоть поглощает все лучи.
Ну, а теперь опустите закопченную ложку в стакан с водой. Смотри: заблестела, как серебро! Куда же копоть-то девалась? Отмылась, что ли? Вынимаешь ложку - черна по-прежнему...
Дело здесь в том, что частички копоти плохо смачиваются водой. Поэтому вокруг закопченной ложки образуется как бы пленка, как бы «водяная кожа». Словно мыльный пузырь, натянутый на ложку, как перчатка! Но мыльный пузырь ведь блестит, он отражает свет. Вот и этот пузырь, окружающий ложку, тоже отражает.
Можете, например, закоптить над свечой яйцо и погрузить его в воду. Оно будет там блестеть, как серебряное.
Чем чернее, тем светлее!
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Вы знаете, что луч света прямолинеен. Вспомните хотя бы луч, пробившийся сквозь щелку в ставне или в занавесе. Золотой луч, полный кружащихся пылинок!
Но… физики привыкли все проверять на опыте. Опыт со ставнями, конечно, очень нагляден. А что вы скажите об опыте с гривенником в чашке? Не знаете, этого опыта? Сейчас мы с вами его сделаем. Положите гривенник в пустую чашку и присядьте так, чтобы он перестал быть виден. Лучи от гривенника шли бы прямо в глаз, да край чашки загородил им дорогу. Но я сейчас устрою так, что вы снова увидите гривенник.
Вот я наливаю в чашку воду… Осторожно, потихоньку, чтобы гривенник не сдвинулся… Больше, больше…
Смотрите, вот он, гривенник!
Появился, словно бы всплыл. Или, вернее, он лежит на дне чашки. Но дно это будто бы поднялось, чашка «обмелела». Прямые лучи от гривенника к вам не доходили. Теперь лучи доходят. Но как же они огибают край чашки? Неужели гнутся или ломаются?
Можно в ту же чашку или в стакан наклонно опустить чайную ложечку. Смотрите, сломалась! Конец, погруженный в воду, переломился вверх! Вынимаем ложечку - она и целая, и прямая. Значит, лучи действительно ломаются!
Источники: Ф. Рабиза "Опыты без приборов", "Здравствуй физика" Л.Гальперштейн
Следует отметить, что изображение, которое мы видим по ту сторону зеркала, создано не самими лучами, а их мысленным продолжением. Такое изображение называется мнимым. Его глазом видно, но на экране его невозможно получить, так как оно создано не лучами, а их мысленным продолжением.
При отражении также соблюдается принцип наименьшего времени распространения света. Для того, чтобы попасть после отражения в глаз наблюдателя, свет должен прийти именно тот путь, который указывает ему закон отражения. Именно распространяясь по такому пути, свет на свой путь потратит наименьшее время из всех возможных вариантов.
Закон преломления света
Как нам уже известно, свет может распространяться не только в вакууме, но и в других прозрачных средах. В этом случае свет будет испытать преломление. При переходе из менее плотной среды в более плотную, луч света при преломлении прижимается к перпендикуляру, проведённому к точке падения, а при переходе из более плотной среды в менее плотную, он наоборот: отклоняется от перпендикуляра.
При этом имеются два закона преломления:
Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый к точке падения, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синусов углов падения и преломления равно обратному отношению показателей преломления:
sin a = n2
sin g n1
Представляет интерес прохождения луча света через трёхгранную призму. При этом, в любом случае наблюдается отклонение луча после прохождения через призму от первоначального направления:
У различных прозрачных тел показатель преломления различен. У газов он очень мало отличается от единицы. С повышением давления он возрастает, следовательно, показатель преломления газов зависит и от температуры. Вспомним, что если смотреть на отдалённые предметы сквозь горячий воздух, поднимающийся от костра, то видим, что всё, что вдали выглядит как колышащееся марево. У жидкостей показатель преломления зависит не только от самой жидкости, но и от концентрации растворённых в ней веществ. Ниже приводится небольшая таблица показателей преломления некоторых веществ.
Полное внутреннее отражение света.
Волоконная оптика
Следует отметить, что световой луч, распространяясь в пространстве, обладает свойством обратимости. Это значит, что по какому пути луч распространяется от источника в пространстве, по такому же пути он пойдёт обратно, если источник и точку наблюдения поменять местами.
Представим себе, что луч света распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Тогда, по закону преломления, он при преломлении должен выйти, отклонившись от перпендикуляра. Рассмотрим лучи, исходящие от точечного источника света, находящегося в оптически более плотной среде, например, в воде.
Из данного рисунка видно, что первый луч падает на поверхность раздела перпендикулярно. При этом луч от первоначального направления не отклоняется. Часто его энергии отражается от границы раздела и возвращается на источник. Остальная часть его энергии выходит наружу. Остальные лучи частично отражаются, частично выходят наружу. При увеличении угла падения растёт соответственно и угол преломления, что соответствует закону преломления. Но когда угол падения принимает такое значение, что, согласно закону преломления, угол выхода луча должен составить 90 градусов, то луч на поверхность вообще не выйдет: все 100% энергии луча отразятся от границы раздела. Все остальные лучи, падающие на поверхность раздела под углом, большим, чем этот, будут полностью отражены от поверхности раздела. Этот угол называется предельным углом , а явление называется полным внутренним отражением. То есть, поверхность раздела в данном случае выступает как идеальное зеркало. Значение предельного угла для границы с вакуумом или воздухом можно подсчитать по формуле:
Sin aпр = 1/n Здесь n – показатель преломления более плотной среды.
Явление полного внутреннего отражения широко используется в различных оптических приборах. В частности, используется в приборе для определения концентрации растворённых веществ в воде (рефрактометр). Там измеряется предельный угол полного внутреннего отражения, по которому определяется показатель преломления и потом по таблице определяют концентрацию растворённых веществ.
Особенно ярко проявляется явление полного внутреннего отражения в волоконной оптике. Ниже на рисунке изображено одно стекловолокно в разрезе:
Возьмём тонкое стеклянное волокно и в один из торцов запустим луч света. Поскольку волокно очень тонкое, то любой луч, вошедший в торец волокна, будет падать на его боковую поверхность под углом, значительно превышающий предельный угол и будет полностью отражён. Таким образом, вошедший луч будет многократно отражаться от боковой поверхности и выйдет из противоположного конца практически без потерь. Внешне это будет выглядеть так, как будто противоположный торец волокна ярко светится. К тому же совсем необязательно, чтобы стекловолокно было прямолинейным. Оно может изгибаться как угодно, причём, никакие изгибы не повлияют распространению света по волокну.
В связи с этим, учёным пришла идея: а что, если взять не одно волокно, а целый их пучок. Но при этом надо, чтобы все волокна в жгуте находились в строгом взаимном порядке и на обеих сторонах жгута торцы всех волокон находились в одной плоскости. И если при этом на один торец жгута с помощью линзы подать изображение, то каждое волокно в отдельности передаст на противоположный торец жгута одну маленькую частичку изображения. Все вместе волокна на противоположном торце жгута воспроизведут то же самое изображение, что было создано линзой. Причём, изображение будет в естественном свете. Таким образом, был создан прибор, названный позже фиброгастроскопом . Этим прибором можно осмотреть внутреннюю поверхность желудка, не производя оперативного вмешательства. Фиброгастроскоп вводят через пищевод в желудок и осматривают внутреннюю поверхность желудка. В принципе, данным прибором можно осмотреть не только желудок, но и другие органы изнутри. Данный прибор используется не только в медицине, но и в различных областях техники для осмотра недоступных областей. И при этом сам жгут может иметь всевозможные изгибы, которые при этом никак не влияют на качество изображения. Единственный недостаток данного прибора – это растровая структура изображения: то есть изображение состоит из отдельных точек. Для того, чтобы изображение было более чётким, нужно иметь ещё большее количество стекловолокон, причём они должны быть ещё более тонкими. А это значительно увеличивает стоимость прибора. Но с дальнейшим развитием технических возможностей данная проблема вскоре будет решена.
Линза
Для начала рассмотрим линзу. Линза – это прозрачное тело, ограниченное либо двумя сферическими поверхностями, либо сферической поверхностью и плоскостью.
Рассмотрим линзы в поперечном разрезе. Линза искривляет прошедший через неё световой пучок. Если пучок, после полхождения через линзу будет собираться в точку, то такая линза называется собирающей. Если же падающий параллельный световой пучок после прохождении через линзу будет расходиться, то такая линза называется рассеивающей.
Ниже изображены собирающие и рассеивающие линзы и их условные обозначения:
Из данного рисунка видно, что все параллельно падающие на линзу лучи сходятся в одной точке. Эта точка называется фокусом (F ) линзы. Расстояние от фокуса до самой линзы называется фокусным расстоянием линзы. Оно в системе СИ измеряется в метрах. Но существует ещё одна единица, характеризующая линзу. Эта величина называется оптической силой и является величиной, обратной фокусному расстоянию и называетсядиоптрией . (Дп ). Обозначается буквой D. D = 1/F. У собирающей линзы значение оптической силы имеет знак плюс. Если на линзу пустить свет, отражённый от какого-либо протяжённого объекта, то каждый элемент объекта отобразится в плоскости, проходящей через фокус в виде изображения. При этом изображение будет перевёрнутым. Поскольку это изображение будет создано самими лучами, то оно будет называться действительным.
Это явление используют в современных фотоаппаратах. Действительное изображение создаётся на фотоплёнке.
Рассеивающая линза действует противоположно собирающей линзе. Если на неё по нормали падает параллельный пучок света, то после прохождении через линзу, пучок света будет расходиться так, как будто все лучи выходят из некоторой мнимой точки, расположенной по другую сторону линзы. Эта точка называется мнимым фокусом и фокусное расстояние будет со знаком минус. Следовательно, оптическая сила такой линзы будет выражаться также в диоптрия, но её значение будет со знаком минус. При рассматривании окружающих предметов через рассеивающую линзу, все предметы, видимые через линзу, будут казаться уменьшенными в размерах