Полное отражение в физике - формулы и определения с примерами

Содержание:

Полное отражение:

Приведем несколько фактов, на первый взгляд, совсем не связанных друг с другом: когда по телевизору показывают подводные съемки, поверхность воды над подводниками в тихую погоду кажется зеркальной (рис. 3.40): ювелиры огранивают драгоценные камни, чтобы увеличить их привлеки тельность: в настоящее время все большее применение получают так называемые оптические линии связи. Оказывается, между этими фактами все таки есть общее: все они связаны с одним физическим явлением — полным внутренним отражением света.

Формулируем гипотезу полного отражения

Чтобы разобраться в причинах этого физического явления и понять основы его практического применения, необходимо вернуться к материалу предыдущего параграфа, где мы экспериментировали с преломлением светового луча. Вспомним: если пучок света переходит из среды с большей оптической плотностью в ту, оптическая плотность которой меньше, угол преломления будет всегда большим, чем угол падения.

Представим теперь, как будет изменяться угол преломления светового пучка в случае увеличения угла его падения. Для этого схематически изобразим падение пучка света на поверхность раздела сред под разными углами, причем угол падения пучка света будем последовательно увеличивать (рис. 3.41). Сравнивая рис. 3.41, а и рис. 3.41, б, мы видим, как преломленный пучок приближается к границе раздела двух сред. Логически рассуждая, в случае дальнейшего увеличения угла падения угол преломления наконец превысит 90° (рис. 3.41. в). Однако угол больше 90° — это уже не преломление пучка света, а его возвращение в первую среду! «Возвращение в первую сроду* означает на самом деле отражение, причем отражение полное, так как весь падающий пучок света должен возвратиться в первую среду.

Таким образом, на основании только знания преломления света и размышлений мы сделали предположение о существовании нового для вас явления.

Теперь сформулируем наше предположение в виде гипотезы.

Если направить под большим углом падения пуч ки света из среды с большей оптической плотное шью в ту. оптическая плотность которой меньше, то падающий пучок не будет проходить во вторую среду, а полностью отразится от границы раздела.

Проверим нашу гипотезу с помощью эксперимента.

• Заказать решение задач по физике

Проверка гипотезы полного отражения

Для эксперимента вам нужен тонкостенный стеклянный сосуд, например стакан, примерно наполовину заполненный холодной водопроводной водой. Для удобства проведения опыта выбранный сосуд должен быть без рисунка на стенках. Объектом наблюдения может быть, например, корпус пластмассовой ручки яркого цвета, желательно с надписью.

Предлагаемый опыт необходимо проводить в хорошо освещенной комнате (при солнечном или искусственном освещении).

Погрузите корпус ручки в стакан с водой и, держа стакан в руке, расположите его над головой — приблизительно на расстоянии 25—30 см (рис. 3.42). В ходе опыта вы должны следить за объектом.

Сначала, подняв голову, вы будете видеть весь корпус ручки (как ту часть, которая в воде, так и надводную часть). Теперь медленно передвигайте от себя бокал, не изменяя высоты. Такое движение бокала соотносится с увеличением угла падения пучка света, о чем мы говорили в нашей гипотезе. Попробуйте самостоятельно нарисовать схему распространения света (аналог — см. рис. 3.41).

Когда бокал будет достаточно отдален от наблюдателя, т. е. от ваших глаз (соответственно, угол падения пучка света будет достаточно большим), поверхность воды станет для вас зеркальной и вы перестанете видеть часть ручки, которая над водой. Вместо этого вы увидите зеркальное отображение части корпуса, расположенной под водой. Убедиться в том, что это в самом деле «подводная» часть, вам поможет надпись на корпусе ручки.

Итак, в результате эксперимента мы успешно подтвердили сформулированную в начале параграфа гипотезу и встретились с новым физическим явлением, которое называют полное отражение. «Полное» — так как в этом явлении весь световой пучок отражается от границы раздела двух сред. Проще всего наблюдать это явление, находясь в пределах среды с большей оптической плотностью. Любители подводного плавания смогут подтвердить все это собственными наблюдениями, всем другим советуем внимательно следить за экраном телевизора, когда показывают подводные съемки (см. рис. 3.40).

Обратите внимание, что описанное явление возможно только тогда, когда пучок света переходит из среды с большей оптической плотностью в ту оптическая плотность которой меньше. Для противоположного случая (переход из среды с меньшей оптической плотностью в ту, оптическая плотность которой больше) угол преломления будет меньше, чем угол падения. Значит, явление полного внутреннего отражения наблюдаться не будет.

Ювелиры на протяжении веков используют явление полного внутреннего отражения света, чтобы повысить привлекательность и ценность драгоценных камней. Природные камни обрабатывают — огранивают, другими словами, создают на поверхности камня много плоскостей (граней). Люди обычно рассматривают драгоценные камни при ярком свете. Независимо от местоположения источника света некоторые грани камня будут выполнять роль «внутренних зеркал», и камень «заиграет* в лучах (рис. 3.43). Если камень повернуть, то внутренними зеркалами станут другие грани.

Волоконная оптика

Интенсивное практическое применение явления полного отражения началось только в последние 20—30 лет. Связано оно с созданием волоконных оптических систем.

Если в торец стеклянной пластинки направить пучок света, то после многоразового отражения свет выйдет на противоположной стороне пластинки (рис. 3.44). К тому же, это состоится независимо от того, какой будет пластинка: изогнутой или прямой. Поэтому первые световоды (гибкие нити, которые проводят свет на основе явления полного внутреннего отражения) люди стали использовать для подсвечивания труднодоступных мест. Источник света (например фонарик) направляет свет на один конец гибкого световода, а второй конец этого световода освещает нужное труднодоступное место. Эту технологию используют в медицине для исследования внутренних органов (эндоскопия). Применяют ее и в технике, скажем, для определения дефектов внутри моторов без их разборки.

Позднее жгуты световодов стали использовать как источники солнечного освещения закрытых помещений. Например, один конец световода размещают на крыше, а второй — в комнате без окон; в результате в солнечный день естественный свет заливает эту комнату.

Световоды широко используют в индустрии развлечений — для подсвечивания сцен различных шоу, украшения витрин, в детских игрушках.

Однако больше всего световоды применяются как кабели для передачи информации. Если превратить определенную информацию в пакет световых сигналов, то с помощью световодов ее можно передать на большое расстояние практически без искажений. Поставив на другом конце системы обратный преобразователь (световых сигналов — в определенную информацию), в результате получают высокоэффективный кабель, который является намного более дешевым и более легким, чем стандартный медный, практически не изменяет своих свойств под влиянием окружающей среды, позволяет передавать больше информации и т. п.

Благодаря своим преимуществам такие кабели стремительно вытесняют традиционные провода. Если еще в середине 70-х годов прошлого столетия эти системы «-были довольно экзотическими, то уже в 1988 году по дну Атлантического океана проложен первый волоконно-оптический кабель. Сегодня ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) — это телефонная связь между крупнейшими городами Украины, Интернет и многое другое.