Закони заломлення світла

Головна | Про нас | Зворотній зв'язок

include ( "include / m336.php");

1. Падаючий промінь, перпендикуляр до межі поділу двох середовищ у точці падіння і переломлений промінь лежать в одній площині.
2. Ставлення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для даної пари середовищ. Ця постійна називається показником преломленіяn21 другого середовища відносно першого:.
3. Промінь світла, що падає на поверхню розділу двох середовищ перпендикулярно поверхні, проходить в інше середовище, що не заломлюючись.
4. Падаючий і заломлений промені оборотні: якщо падаючий промінь направити по шляху переломленого променя (ріс.1d), то переломлений промінь піде по шляху падаючого променя (мал.1а).

Фізичний сенс показника заломлення. Світло переломлюється внаслідок зміни швидкості його поширення при переході з одного середовища в іншу. Показник заломлення другого середовища відносно першого чисельно дорівнює відношенню швидкості світла в першому середовищі до швидкості світла в другому середовищі:

Таким чином, показник заломлення показує, у скільки разів швидкість світла в тому середовищі, з якої промінь виходить, більше (менше) швидкості світла в тому середовищі, в яку він входить.

Оскільки швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі постійна, доцільно визначити показники заломлення різних середовищ щодо вакууму. Ставлення швидкості з поширення світла у вакуумі до швидкості поширення його в даному середовищі називається абсолютним показником заломлення даної речовини () і є основною характеристикою його оптичних властивостей,

тобто показник заломлення другого середовища відносно першого дорівнює відношенню абсолютних показників цих середовищ.

Зазвичай оптичні властивості речовини характеризуються показником заломлення n щодо повітря, який мало відрізняється від абсолютного показника заломлення. При цьому середовище, у якій абсолютний показник більше, називається оптично більш щільною.

Граничний кут заломлення. Якщо світло переходить із середовища з меншим показником заломлення в середу з великим показником заломлення (n1

Мал. 3. Заломлення світла при переході

виготовлених з оптично менш густого середовища в середу

оптично більш щільну.

При збільшенні кута падіння до im = 90 ° (промінь 3, рис.2) світло в другому середовищі поширюватиметься тільки в межах кута Rпр. званого граничним кутом заломлення. В область другого середовища в межах кута, додаткового до граничному куту заломлення (90 ° - iпр), світло не проникає (на рис.3 ця область заштрихована).

Граничний кут заломлення Rпр визначається згідно з умовою:

. але sin im = 1, отже.

Явище повного внутрішнього відображення. Коли світло переходить із середовища з більшим показником заломлення n1> n2 (рис.4), то кут заломлення більше кута падіння. Світло переломлюється (переходить в другу середу) тільки в межах кута падіння iпр. який відповідає куту заломлення rm = 90 °.

Мал. 4. Заломлення світла при переході з оптично більш щільного середовища в середу

оптично менш щільну.

Світло, що падає під великим кутом, повністю відбивається від межі середовищ (рис. 4 промінь 3). Це явище називається повним внутрішнім віддзеркаленням, а кут падіння iпр - граничним кутом повного внутрішнього відображення.

Граничний кут повного внутрішнього відображення iпр визначається згідно з умовою:

. то sin rm = 1, отже,.

Якщо світло йде з будь-якої середовища в вакуум або в повітря, то

Внаслідок оборотності ходу променів для двох даних середовищ граничний кут заломлення при переході з першої середовища в другу дорівнює граничному куту повного внутрішнього відображення при переході променя з другого середовища в першу.

Граничний кут повного внутрішнього відображення для скла менше 42 °. Тому промені, що йдуть в склі і падаючі на його поверхню під кутом 45 °, повністю відображаються. Це властивість скла використовується в поворотних (рис.5а) і оборотних (рис. 4б) призмах, часто застосовуються в оптичних приладах.

Мал. 5: а - поворотна призма; б - зворотний призма.

Волоконна оптика. Повне внутрішнє віддзеркалення використовується при влаштуванні гнучких світловодів. Світло, потрапляючи всередину прозорого волокна, оточеного речовиною з меншим показником заломлення, багаторазово відбивається і поширюється вздовж цього волокна (рис.6).

Рис.6. Проходження світла всередині прозорого волокна, оточеного речовиною

з меншим показником заломлення.

Для передачі великих світлових потоків і збереження гнучкості светопроводящая системи окремі волокна збираються в пучки - світловоди. Розділ оптики, в якому розглядають передачу світла і зображення по светопроводов, називають волоконної оптикою. Цим же терміном називають і самі волоконно-оптичні деталі і прилади. У медицині світлопроводи використовують для освітлення холодним світлом внутрішніх порожнин і передачі зображення.

Прилади для визначення показника заломлення речовин називаються рефрактометрами (рис.7).

Рис.7. Оптична схема рефрактометра.

1 дзеркало, 2 - вимірювальна головка, 3 - система призм для усунення дисперсії, 4 - об'єктив, 5 - поворотна призма (поворот променя на 90 0), 6 - шкала (в деяких рефрактометрі

є дві шкали: шкала показників заломлення і шкала концентрації розчинів),

Основною частиною рефрактометра є вимірювальна головка, що складається з двох призм: освітлювальної, яка знаходиться в відкидний частини головки, і вимірювальної.

На виході освітлювальної призми її матова поверхня створює розсіяний пучок світла, який проходить через досліджувану рідину (2-3 краплі) між призмами. На поверхню вимірювальної призми промені падають під різними кутами, в тому числі і під кутом в 90 0. У вимірювальної призмі промені збираються в області граничного кута заломлення, чим і пояснюється утворення кордону світла - тіні на екрані приладу.

Рис.8. Хід променя в вимірювальної голівці:

1 - освітлювальна призма, 2 - досліджувана рідина,

3 - вимірювальна призма, 4 - екран.