Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 38. Заломлення світла

Закон заломлення світла. Повне відбиття. Пригадаймо закон заломлення світла:

падаючий промінь, заломлений промінь та перпендикуляр до межі поділу середовищ, проведений у точці падіння, лежать в одній площині; відношення синуса кута падіння α до синуса кута заломлення γ світла є величиною сталою, яка дорівнює відносному показнику заломлення двох середовищ, де n1 і n2 — абсолютні показники заломлення першого і другого середовищ; n — відносний показник заломлення.

Закон заломлення світла дає змогу пояснити цікаве й практично важливе явище — повне відбиття світла.

Якщо промінь світла поширюється від точкового джерела з оптично більш густого в оптично менш густе середовище, то кут заломлення більший за кут падіння. Зі збільшенням кута падіння світлового променя збільшується і кут заломлення, водночас, інтенсивність заломленого променя зменшується (мал. 173). Досягши певного значення кута падіння α0, промінь взагалі не перетинає межу поділу середовищ — кут заломлення становить 90°. Коли кут падіння α > α0світло не переходить у друге середовище, а лише відбивається від його межі, тобто відбувається явище повного внутрішнього відбиття.

Мал. 173. Визначення умови повного відбиття

Явище, за якого світло, поширюючись у більш густому середовищі, відбивається від межі поділу з менш густим середовищем, не заломлюючись, називається явищем повного відбиття.

Саме повне відбиття спричиняє яскравий блиск краплинок роси, уламків скла тощо. Це явище використовують, огранюючи та шліфуючи дорогоцінне каміння. Оброблювальному камінцеві надають такої форми, щоб більшість падаючих на нього променів після заломлення відбивались від внутрішніх граней.

Волоконна оптика. Явище повного відбиття використовують у волоконній оптиці. Термін волоконна оптика з'явився у 50-х роках XX ст. Основним елементом волоконної оптики є оптичне волокно (мал. 174) (найчастіше тонка прозора скляна нитка). Зазнаючи повного внутрішнього відбиття, світло поширюється всередині світловоду і здатне передавати оптичні сигнали без зменшення інтенсивності на великі відстані.

Мал. 174. Оптичні волокна

Явище повного відбиття використовують у біноклях, перископах, катафотах засобів дорожнього руху тощо.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Поясніть суть явища повного внутрішнього відбиття світла. Що називають граничним кутом повного внутрішнього відбиття світла? Чому він дорівнює? 2. Яке практичне застосування повного внутрішнього відбиття світла? Що таке волоконна оптика?

Приклади розв'язування задач

Задача 1. Монохроматичний промінь падає під кутом α1 = 60° на бічну поверхню скляної рівнобедреної призми. Кут при вершині призми φ = 40°. На який кут відхилиться промінь, що виходить із призми, якщо показник заломлення матеріалу призми n = 1,54?

Виведіть формулу для визначення кута зміщення променя для випадку, коли кут падіння на поверхню призми та заломний кут призми φ — малі.

Мал. 175

Задача 2. Промінь падає на плоскопаралельну скляну пластинку під кутом α = 30° (мал. 176). Показник заломлення скла n = 1,5. Визначте товщину пластинки, якщо зміщення променя (відрізок CD) дорівнює 3,88 см.

Мал. 176

Вправа 29

1. На нижню грань плоскопаралельної скляної пластинки нанесено риску. Спостерігач, що дивиться згори, бачить риску на відстані 4 см від верхньої грані пластинки. Яка товщина пластинки?

2. Промінь падає під кутом 60° на скляну пластинку завтовшки 2 см з паралельними гранями. Визначте зміщення променя, який вийшов із пластини. Визначте зміщення за умови, що промінь під таким же кутом падає на цю саму скляну пластинку, розташовану у воді.

3. Маємо дві плоскопаралельні пластинки, притиснені щільно одна до одної. Товщина першої — 16 мм, показник заломлення — 1,5, товщина другої — 24 мм, показник заломлення — 1,8. На поверхню першої пластинки падає світло під кутом 48°. Визначте зміщення променя після виходу його з пластинок.

4. Чи може промінь, пройшовши крізь пластинку з паралельними гранями, зміститися так, щоб відстань між ним та його початковим напрямком була більшою за товщину пластинки?

5. Промінь SN падає на прямокутну скляну призму ВАС (мал. 177) перпендикулярно до грані АВ. Заломиться промінь на грані АС в точці N його падіння чи зазнає повного відбиття, якщо кут А = 30°?

6. За якого найменшого значення заломного кута А скляної призми ВАС (мал. 177) промінь SN зазнаватиме повного відбиття?

Мал. 177

7. Промінь падає під кутом 50° на пряму трикутну скляну призму із заломленим кутом 60°. Визначте кут заломлення променя в точці виходу з призми.

8. Промінь падає перпендикулярно на бічну грань прямої скляної призми, в основі якої лежить рівнобедрений трикутник з кутом при вершині 20°. На скільки градусів відхилиться промінь, вийшовши з призми, від початкового напрямку, якщо промінь усередині призми падає: а) на другу бічну грань; б) на основу?

9. Визначте заломний кут призми зі скла з показником заломлення 1,56, якщо промінь падає перпендикулярно на одну її грань і виходить уздовж другої.

10. Визначте кут відхилення променя скляної призмою, заломний кут якої 3°, якщо кут падіння променя на передню грань дорівнює нулю.

11. Промінь світла виходить із призми під тим самими кутом, під яким входить у неї, причому відхиляється від початкового напрямку на кут 15°. Заломний кут призми — 45°. Визначте показник заломлення матеріалу лінзи.