اثر بازتاب کل زاویه بحرانی یا زاویه محدود c و بازتاب داخلی کل. بازتاب درونی کامل در طبیعت و فناوری

ابتدا بیایید کمی تصور کنیم. یک روز گرم تابستان قبل از میلاد را تصور کنید، مردی بدوی از نیزه برای شکار ماهی استفاده می کند. او متوجه موقعیت آن می شود، هدف می گیرد و به دلایلی به جایی می زند که اصلاً ماهی قابل مشاهده نبود. از دست رفته؟ نه، ماهیگیر طعمه ای در دست دارد! مسئله این است که جد ما به طور شهودی موضوعی را که اکنون مطالعه خواهیم کرد درک کرد. در زندگی روزمره، می بینیم که قاشقی که در یک لیوان آب فرو می رود، کج به نظر می رسد، اشیا کج به نظر می رسند. همه این سوالات را در درس بررسی خواهیم کرد که موضوع آن این است: «شکست نور. قانون شکست نور. بازتاب داخلی کامل."

در درس های قبلی، در مورد سرنوشت یک پرتو در دو مورد صحبت کردیم: اگر یک پرتو نور در یک محیط شفاف همگن منتشر شود، چه اتفاقی می افتد؟ پاسخ صحیح این است که در یک خط مستقیم پخش می شود. چه اتفاقی می‌افتد وقتی یک پرتو نور روی رابط بین دو رسانه می‌افتد؟ در آخرین درس که در مورد پرتو بازتابی صحبت کردیم، امروز به قسمتی از پرتو نور که توسط محیط جذب می شود نگاه می کنیم.

سرنوشت پرتویی که از اولین محیط شفاف نوری به محیط شفاف نوری دوم نفوذ کرد چه خواهد بود؟

برنج. 1. شکست نور

اگر یک پرتو روی سطح مشترک بین دو محیط شفاف بیفتد، بخشی از انرژی نور به محیط اول باز می گردد و یک پرتو بازتابی ایجاد می کند و قسمت دیگر به سمت داخل به محیط دوم می رود و به طور معمول جهت خود را تغییر می دهد.

تغییر جهت انتشار نور هنگام عبور نور از سطح مشترک بین دو محیط نامیده می شود شکست نور(عکس. 1).

برنج. 2. زوایای فرود، شکست و انعکاس

در شکل 2 می بینیم که یک پرتو تابشی با α نشان داده می شود. پرتویی که جهت پرتو شکست نور را تعیین می کند، پرتوی شکست نامیده می شود. زاویه بین عمود بر سطح مشترک، که از نقطه تابش بازسازی می شود، و پرتو شکسته شده، زاویه شکست نامیده می شود. برای تکمیل تصویر، تصویری از پرتو منعکس شده و بر این اساس، زاویه انعکاس β ارائه می دهیم. چه رابطه ای بین زاویه تابش و زاویه شکست وجود دارد؟ معلوم است که ممکن است!

ما قانونی به دست می آوریم که به طور کمی رابطه بین زاویه تابش و زاویه شکست را توصیف می کند. بیایید از اصل هویگنز استفاده کنیم که انتشار امواج را در یک محیط تنظیم می کند. قانون از دو بخش تشکیل شده است.

پرتو فرودی، پرتو شکسته و عمود بر نقطه تابش در یک صفحه قرار دارند..

نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست یک مقدار ثابت برای دو محیط داده شده است و برابر است با نسبت سرعت نور در این محیط ها.

این قانون به افتخار دانشمند هلندی که اولین بار آن را تدوین کرد، قانون اسنل نامیده می شود. علت شکست، تفاوت سرعت نور در محیط های مختلف است. شما می توانید اعتبار قانون شکست را با هدایت تجربی یک پرتو نور در زوایای مختلف به سطح مشترک بین دو محیط و اندازه گیری زوایای تابش و شکست تأیید کنید. اگر این زوایا را تغییر دهیم، سینوس ها را اندازه گیری کنیم و نسبت سینوس های این زوایا را پیدا کنیم، مطمئن می شویم که قانون شکست واقعاً معتبر است.

اثبات قانون شکست با استفاده از اصل هویگنس تأیید دیگری بر موجی بودن نور است.

ضریب شکست نسبی n 21 نشان می دهد که چند برابر سرعت نور V 1 در محیط اول با سرعت نور V 2 در محیط دوم متفاوت است.

ضریب شکست نسبی نشان دهنده این واقعیت است که دلیل تغییر جهت نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر، سرعت متفاوت نور در دو محیط است. مفهوم "چگالی نوری محیط" اغلب برای توصیف خواص نوری یک محیط استفاده می شود (شکل 3).

برنج. 3. چگالی نوری محیط (α > γ)

اگر یک پرتو از محیطی با سرعت نور بیشتر به محیطی با سرعت نور کمتر بگذرد، همانطور که از شکل 3 و قانون شکست نور می توان دید، بر روی عمود فشار داده می شود. ، زاویه شکست کمتر از زاویه تابش است. در این مورد گفته می شود که پرتو از یک محیط نوری با چگالی کمتر به یک محیط نوری تراکم تر عبور کرده است. مثال: از هوا به آب; از آب به لیوان

وضعیت برعکس نیز ممکن است: سرعت نور در محیط اول کمتر از سرعت نور در محیط دوم است (شکل 4).

برنج. 4. چگالی نوری محیط (α< γ)

سپس زاویه شکست بزرگتر از زاویه تابش خواهد بود، و چنین انتقالی از محیطی که از نظر اپتیکی چگال تر به محیطی با چگالی نوری کمتر (از شیشه به آب) انجام می شود، گفته می شود.

چگالی نوری دو رسانه می تواند کاملاً متفاوت باشد، بنابراین وضعیت نشان داده شده در عکس ممکن می شود (شکل 5):

برنج. 5. تفاوت در چگالی نوری رسانه

توجه کنید که چگونه سر نسبت به بدن در مایع جابجا می شود، در محیطی با چگالی نوری بالاتر.

با این حال، ضریب شکست نسبی همیشه یک مشخصه مناسب برای کار نیست، زیرا به سرعت نور در محیط اول و دوم بستگی دارد، اما می‌تواند تعداد زیادی از این ترکیبات و ترکیبات دو رسانه (آب - هوا، شیشه - الماس، گلیسیرین - الکل، شیشه - آب و غیره). جداول بسیار دست و پا گیر خواهند بود، کار کردن ناخوشایند خواهد بود و سپس یک رسانه مطلق را معرفی کردند که در مقایسه با آن سرعت نور در رسانه های دیگر مقایسه می شود. خلاء به عنوان مطلق انتخاب شد و سرعت نور با سرعت نور در خلاء مقایسه شد.

ضریب شکست مطلق محیط n- این کمیتی است که چگالی نوری محیط را مشخص می کند و برابر با نسبت سرعت نور است. بادر خلاء به سرعت نور در یک محیط معین.

ضریب شکست مطلق برای کار راحت‌تر است، زیرا ما همیشه سرعت نور در خلاء را برابر با 3·10 8 m/s می‌دانیم و یک ثابت فیزیکی جهانی است.

ضریب شکست مطلق به پارامترهای خارجی بستگی دارد: دما، چگالی و همچنین به طول موج نور، بنابراین جداول معمولاً میانگین ضریب شکست را برای یک محدوده طول موج معین نشان می دهند. اگر ضریب شکست هوا، آب و شیشه را با هم مقایسه کنیم (شکل 6)، می بینیم که هوا دارای ضریب شکست نزدیک به واحد است، بنابراین در حل مسائل آن را به عنوان واحد در نظر می گیریم.

برنج. 6. جدول ضریب شکست مطلق برای محیط های مختلف

به دست آوردن رابطه بین ضریب شکست مطلق و نسبی رسانه کار دشواری نیست.

ضریب شکست نسبی، یعنی برای پرتوی که از محیط یک به متوسط ​​دو می گذرد، برابر است با نسبت ضریب شکست مطلق در محیط دوم به ضریب شکست مطلق در محیط اول.

مثلا: = ≈ 1,16

اگر ضریب شکست مطلق دو محیط تقریباً یکسان باشد، به این معنی است که ضریب شکست نسبی هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر برابر با واحد خواهد بود، یعنی پرتو نور در واقع شکست نمی‌شود. به عنوان مثال، هنگام عبور از روغن انیسون به سنگ بریل، نور عملاً خم نمی شود، یعنی مانند هنگام عبور از روغن انیسون رفتار می کند، زیرا ضریب شکست آنها به ترتیب 1.56 و 1.57 است، بنابراین سنگ قیمتی می تواند باشد. اگر در یک مایع پنهان شده باشد، به سادگی قابل مشاهده نخواهد بود.

اگر آب را در یک لیوان شفاف بریزیم و از دیواره لیوان به نور نگاه کنیم، به دلیل پدیده انعکاس کلی درونی، درخششی نقره ای رنگ بر روی سطح مشاهده خواهیم کرد که اکنون به آن پرداخته خواهد شد. هنگامی که یک پرتو نور از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط نوری با چگالی کمتر عبور می کند، اثر جالبی را می توان مشاهده کرد. برای قطعیت، فرض می کنیم که نور از آب به هوا می آید. اجازه دهید فرض کنیم که در اعماق مخزن یک منبع نقطه ای نور S وجود دارد که پرتوهایی را در همه جهات ساطع می کند. به عنوان مثال، یک غواص چراغ قوه را می تاباند.

پرتو SO 1 با کوچکترین زاویه روی سطح آب می افتد، این پرتو تا حدی شکسته می شود - پرتو O 1 A 1 و تا حدی به داخل آب منعکس می شود - پرتو O 1 B 1. بنابراین بخشی از انرژی پرتو تابشی به پرتو شکسته و باقی انرژی به پرتو بازتابی منتقل می شود.

برنج. 7. بازتاب داخلی کل

پرتو SO 2 که زاویه تابش آن بیشتر است نیز به دو پرتو تقسیم می شود: شکسته و انعکاس شده، اما انرژی پرتو اصلی بین آنها متفاوت توزیع می شود: پرتو شکست O 2 A 2 از O 1 کم نورتر خواهد بود. پرتو 1 ، یعنی سهم کمتری از انرژی دریافت می کند ، و بر این اساس پرتو منعکس شده O 2 B 2 از پرتو O 1 B 1 روشن تر خواهد بود ، یعنی سهم بیشتری از انرژی دریافت می کند. با افزایش زاویه تابش، همان الگو مشاهده می شود - سهم فزاینده ای از انرژی پرتو فرودی به پرتو منعکس شده و سهم کوچکتر و کوچکتر به پرتو شکسته می شود. پرتو شکسته تیره تر و کم نورتر می شود و در نقطه ای به طور کامل ناپدید می شود که این ناپدید شدن زمانی رخ می دهد که به زاویه فرود می رسد که مطابق با زاویه انکسار 90 است. در این وضعیت، پرتو شکسته OA باید به موازات سطح آب می رفت، اما چیزی برای رفتن باقی نمانده بود - تمام انرژی پرتو فرودی SO به طور کامل به پرتو بازتابی OB رفت. طبیعتاً با افزایش بیشتر زاویه تابش، پرتو شکسته وجود ندارد. پدیده توصیف شده بازتاب داخلی کامل است ، یعنی یک محیط نوری متراکم تر در زوایای در نظر گرفته شده پرتوهایی از خود ساطع نمی کند ، همه آنها در داخل آن منعکس می شوند. زاویه ای که این پدیده در آن رخ می دهد نامیده می شود زاویه محدود بازتاب داخلی کل

مقدار زاویه محدود را می توان به راحتی از قانون شکست پیدا کرد:

= => = آرکسین، برای آب ≈ 49 0

جالب ترین و محبوب ترین کاربرد پدیده انعکاس کلی داخلی، به اصطلاح موجبرها یا فیبر نوری است. این دقیقاً همان روش ارسال سیگنال است که توسط شرکت های مخابراتی مدرن در اینترنت استفاده می شود.

ما قانون شکست نور را به دست آوردیم، مفهوم جدیدی را معرفی کردیم - ضریب شکست نسبی و مطلق، و همچنین پدیده بازتاب داخلی کل و کاربردهای آن، مانند فیبر نوری را درک کردیم. می توانید با تجزیه و تحلیل تست ها و شبیه سازهای مربوطه در بخش درس، دانش خود را تثبیت کنید.

اجازه دهید با استفاده از اصل هویگنس، اثباتی برای قانون شکست نور به دست آوریم. درک این نکته مهم است که علت شکست تفاوت در سرعت نور در دو محیط مختلف است. اجازه دهید سرعت نور را در محیط اول V 1 و در محیط دوم V 2 نشان دهیم (شکل 8).

برنج. 8. اثبات قانون شکست نور

اجازه دهید یک موج نور سطحی روی یک رابط صاف بین دو رسانه، به عنوان مثال از هوا به آب، بیفتد. سطح موج AS بر پرتوها عمود است و ابتدا پرتو به سطح مشترک MN رسانه می رسد و پرتو پس از یک بازه زمانی Δt به همان سطح می رسد که برابر است با مسیر SW تقسیم بر سرعت نور در محیط اول

بنابراین، در لحظه ای از زمانی که موج ثانویه در نقطه B شروع به برانگیختن می کند، موج از نقطه A در حال حاضر شکل یک نیمکره با شعاع AD را دارد که برابر با سرعت نور در محیط دوم در Δ است. t: AD = ·∆t، یعنی اصل هویگنس در عمل بصری. سطح موج یک موج شکسته را می توان با رسم یک سطح مماس بر تمام امواج ثانویه در محیط دوم، که مراکز آن در حد فاصل بین رسانه قرار دارند، به دست آورد، در این مورد این صفحه BD است، آن پوشش است. امواج ثانویه زاویه تابش α پرتو برابر با زاویه CAB در مثلث ABC است، اضلاع یکی از این زاویه ها بر اضلاع دیگری عمود است. در نتیجه، SV برابر با سرعت نور در محیط اول با ∆t خواهد بود

CB = ∆t = AB sin α

به نوبه خود، زاویه شکست برابر با زاویه ABD در مثلث ABD خواهد بود، بنابراین:

АD = ∆t = АВ sin γ

با تقسیم عبارات ترم بر ترم، به دست می آید:

n مقدار ثابتی است که به زاویه تابش بستگی ندارد.

ما قانون شکست نور را به دست آوردیم، سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست یک مقدار ثابت برای این دو محیط است و برابر است با نسبت سرعت نور در دو محیط داده شده.

یک ظرف مکعبی با دیواره های مات به گونه ای قرار می گیرد که چشم ناظر کف آن را نبیند، اما دیواره سی دی ظرف را کاملاً ببیند. چه مقدار آب باید در ظرف ریخته شود تا ناظر بتواند جسم F را در فاصله b = 10 سانتی متر از زاویه D ببیند؟ لبه رگ α = 40 سانتی متر (شکل 9).

چه چیزی در هنگام حل این مشکل بسیار مهم است؟ حدس بزنید از آنجایی که چشم ته ظرف را نمی بیند، اما نقطه منتهی الیه دیواره کناری را می بیند و ظرف مکعبی است، زاویه برخورد پرتو بر روی سطح آب زمانی که آن را می ریزیم، خواهد بود. برابر با 45 0.

برنج. 9. تکلیف یکپارچه آزمون دولتی

پرتو در نقطه F می افتد، این بدان معنی است که ما جسم را به وضوح می بینیم، و خط نقطه چین سیاه مسیر پرتو را در صورت نبود آب نشان می دهد، یعنی به نقطه D. از مثلث NFK، مماس زاویه است. β، مماس زاویه شکست، نسبت ضلع مقابل به مجاور یا بر اساس شکل، h منهای b تقسیم بر h است.

tg β = =، h ارتفاع مایعی است که ریختیم.

شدیدترین پدیده بازتاب داخلی کل در سیستم های فیبر نوری استفاده می شود.

برنج. 10. فیبر نوری

اگر یک پرتو نور به انتهای یک لوله شیشه ای جامد هدایت شود، پس از انعکاس کلی داخلی چندگانه، پرتو از طرف مقابل لوله خارج می شود. معلوم می شود که لوله شیشه ای رسانای یک موج نور یا یک موجبر است. این بدون در نظر گرفتن مستقیم یا خمیده بودن لوله اتفاق می افتد (شکل 10). اولین راهنماهای نور، این نام دوم باعثرها است، برای روشن کردن مکان های صعب العبور (در طول تحقیقات پزشکی، زمانی که نور به یک سر راهنمای نور می رسد و انتهای دیگر مکان مورد نظر را روشن می کند) استفاده می شود. کاربرد اصلی پزشکی، تشخیص عیب موتورها است، اما چنین موجبرهایی بیشترین کاربرد را در سیستم های انتقال اطلاعات دارند. فرکانس حامل هنگام ارسال سیگنال توسط یک موج نوری یک میلیون بار بیشتر از فرکانس سیگنال رادیویی است، به این معنی که مقدار اطلاعاتی که می توانیم با استفاده از یک موج نوری ارسال کنیم میلیون ها بار بیشتر از مقدار اطلاعات ارسال شده است. توسط امواج رادیویی این یک فرصت عالی برای انتقال انبوهی از اطلاعات به روشی ساده و کم هزینه است. به طور معمول، اطلاعات از طریق یک کابل فیبر با استفاده از تابش لیزر منتقل می شود. فیبر نوری برای انتقال سریع و باکیفیت سیگنال کامپیوتری حاوی مقدار زیادی اطلاعات ارسالی ضروری است. و اساس همه اینها پدیده ای ساده و معمولی مانند شکست نور است.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. فیزیک (سطح پایه) - M.: Mnemosyne، 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. فیزیک پایه دهم. - M.: Mnemosyne، 2014.
3. Kikoin I.K.، Kikoin A.K. فیزیک - 9، مسکو، آموزش و پرورش، 1990.

1. Edu.glavsprav.ru ().
2. Nvtc.ee().
3. Raal100.narod.ru ().
4. Optika.ucoz.ru ().

مشق شب

1. انکسار نور را تعریف کنید.
2. علت شکست نور را نام ببرید.
3. محبوب ترین کاربردهای بازتاب کلی داخلی را نام ببرید.

روی تصویر آیک پرتو معمولی را نشان می دهد که از سطح مشترک هوا و پلکسی می گذرد و هنگام عبور از دو مرز بین پلکسی و هوا، بدون هیچ گونه انحرافی از صفحه پلکسی خارج می شود.روی تصویر بپرتویی از نور را نشان می دهد که به طور معمول بدون انحراف وارد یک صفحه نیم دایره می شود، اما یک زاویه y با حالت عادی در نقطه O در داخل صفحه پلکسی گلاس ایجاد می کند. هنگامی که پرتو از یک محیط متراکم تر (پلکسی گلاس) خارج می شود، سرعت انتشار آن در محیطی با چگالی کمتر (هوا) افزایش می یابد. بنابراین، شکسته می شود و یک زاویه x نسبت به حالت عادی در هوا ایجاد می کند که بزرگتر از y است.



بر اساس این واقعیت که n = sin (زاویه ای که تیر با نرمال در هوا می سازد) / sin (زاویه ای که پرتو با نرمال در محیط می سازد)، پلکسی n n = sin x/sin y. اگر چندین اندازه گیری x و y انجام شود، ضریب شکست پلکسی را می توان با میانگین گیری نتایج برای هر جفت مقادیر محاسبه کرد. زاویه y را می توان با حرکت دادن منبع نور در یک قوس دایره ای در مرکز نقطه O افزایش داد.

تأثیر این کار افزایش زاویه x تا رسیدن به موقعیت نشان داده شده در شکل است V، یعنی تا x برابر 90 o شود. واضح است که زاویه x نمی تواند بزرگتر باشد. زاویه ای که پرتو اکنون با معمولی داخل پلکسی می سازد نامیده می شود زاویه بحرانی یا محدود کننده با(این زاویه تابش بر روی مرز از یک محیط چگال تر به یک محیط کم تر است، زمانی که زاویه شکست در محیط کمتر چگال 90 درجه باشد).

معمولاً یک پرتو بازتابی ضعیف مشاهده می شود، همانطور که یک پرتو روشن که در امتداد لبه مستقیم صفحه شکسته می شود. این نتیجه بازتاب جزئی داخلی است. همچنین توجه داشته باشید که وقتی از نور سفید استفاده می شود، نوری که در امتداد لبه مستقیم ظاهر می شود به رنگ های طیف تقسیم می شود. اگر منبع نور مانند شکل بیشتر در اطراف قوس حرکت کند جی، به طوری که I در داخل پلکسی از زاویه بحرانی c بزرگتر می شود و در مرز دو محیط شکست رخ نمی دهد. در عوض، پرتو بازتاب داخلی کامل را در یک زاویه r نسبت به حالت عادی تجربه می کند، جایی که r = i.

برای تحقق آن بازتاب داخلی کلزاویه تابش i باید در داخل یک محیط متراکم تر (پلکسی گلاس) اندازه گیری شود و باید از زاویه بحرانی c بیشتر باشد. توجه داشته باشید که قانون بازتاب برای تمام زوایای تابش بزرگتر از زاویه بحرانی نیز معتبر است.

زاویه بحرانی الماستنها 24 درجه 38 است." بنابراین "شعله ور شدن" آن بستگی به سهولت بازتاب کلی چندگانه داخلی دارد که توسط نور روشن می شود، که تا حد زیادی به برش و پرداخت ماهرانه بستگی دارد که این اثر را افزایش می دهد. قبلاً مشخص شده بود. که n = 1 /sin c، بنابراین اندازه گیری دقیق زاویه بحرانی c n را تعیین می کند.

مطالعه 1. n را برای پلکسی با پیدا کردن زاویه بحرانی تعیین کنید

یک تکه پلکسی نیم دایره را در مرکز یک تکه کاغذ سفید بزرگ قرار دهید و طرح کلی آن را با دقت ترسیم کنید. نقطه وسط O لبه مستقیم صفحه را پیدا کنید. با استفاده از یک نقاله، یک NO معمولی عمود بر این لبه مستقیم در نقطه O بسازید. صفحه را دوباره در طرح کلی خود قرار دهید. منبع نور را در اطراف قوس به سمت چپ NO حرکت دهید، همیشه پرتو فرودی را به نقطه O هدایت کنید. هنگامی که پرتو شکسته در امتداد لبه مستقیم می رود، همانطور که در شکل نشان داده شده است، مسیر پرتو فرودی را با سه نقطه مشخص کنید. P 1، P 2، و P 3.



به طور موقت صفحه را بردارید و این سه نقطه را با یک خط مستقیم که باید از O عبور کند به هم وصل کنید. با استفاده از نقاله، زاویه بحرانی c بین پرتو تابشی ترسیم شده و معمولی را اندازه بگیرید. صفحه را دوباره با دقت در طرح کلی خود قرار دهید و کاری را که قبلا انجام داده بودید تکرار کنید، اما این بار منبع نور را در اطراف قوس به سمت راست NO حرکت دهید، به طور مداوم پرتو را به نقطه O هدایت کنید. دو مقدار اندازه گیری شده c را در قسمت ثبت کنید. جدول نتایج و تعیین مقدار میانگین زاویه بحرانی c. سپس ضریب شکست n n را برای پلکسی با استفاده از فرمول n n = 1 /sin s تعیین کنید.


دستگاه برای مطالعه 1 همچنین می تواند برای نشان دادن اینکه برای پرتوهای نوری که در یک محیط متراکم تر (پلکسی گلاس) منتشر می شوند و در زوایای بزرگتر از زاویه بحرانی c روی سطح مشترک پلکسی گلاس- هوا می تابند، زاویه تابش i برابر با زاویه است استفاده شود. بازتاب ر.

مطالعه 2. قانون بازتاب نور را برای زوایای تابش بیشتر از زاویه بحرانی بررسی کنید

صفحه پلکسی نیم دایره ای را روی یک کاغذ سفید بزرگ قرار دهید و طرح کلی آن را با دقت ترسیم کنید. مانند حالت اول، نقطه میانی O را پیدا کنید و NO معمولی را بسازید. برای پلکسی، زاویه بحرانی c = 42 درجه است، بنابراین، زاویه برخورد i > 42 درجه بیشتر از زاویه بحرانی است. با استفاده از یک نقاله، پرتوهایی را در زوایای 45 درجه، 50 درجه، 60 درجه، 70 درجه و 80 درجه نسبت به NO معمولی بسازید.

صفحه پلکسی گلاس را با احتیاط دوباره در طرح اصلی خود قرار دهید و پرتو نور را از منبع نور در امتداد خط 45 درجه هدایت کنید. پرتو به نقطه O می رود، منعکس می شود و در سمت کمانی صفحه در سمت دیگر حالت عادی ظاهر می شود. سه نقطه P 1، P 2 و P 3 را روی پرتو بازتاب شده علامت بزنید. به طور موقت صفحه را بردارید و سه نقطه را با یک خط مستقیم که باید از نقطه O عبور کند به هم وصل کنید.



با استفاده از یک نقاله، زاویه انعکاس r بین پرتو بازتاب شده را اندازه بگیرید و نتایج را در جدول ثبت کنید. بشقاب را با دقت در طرح اصلی خود قرار دهید و این کار را برای زوایای 50 درجه، 60 درجه، 70 درجه و 80 درجه نسبت به حالت عادی تکرار کنید. مقدار r را در فضای مناسب در جدول نتایج ثبت کنید. نموداری از زاویه انعکاس r در مقابل زاویه تابش i رسم کنید. یک نمودار خط مستقیم که در محدوده زوایای فرود از 45 درجه تا 80 درجه ترسیم شده است برای نشان دادن اینکه زاویه i برابر با زاویه r است کافی است.

اگر n 1 >n 2 پس >α، یعنی. اگر نور از محیطی که از نظر نوری چگال تر است به محیطی که از نظر نوری چگالی کمتری دارد عبور کند، آنگاه زاویه شکست بزرگتر از زاویه برخورد است (شکل 3).

زاویه تابش را محدود کنید اگر α=α p،=90˚ و پرتو در امتداد فصل مشترک هوا و آب می لغزد.

اگر α’>α p، آنگاه نور به محیط شفاف دوم عبور نخواهد کرد، زیرا کاملا منعکس خواهد شد. این پدیده نامیده می شود انعکاس کامل نور. زاویه تابش αn، که در آن پرتو شکسته در امتداد سطح مشترک بین رسانه می لغزد، زاویه محدود بازتاب کلی نامیده می شود.

بازتاب کلی را می توان در یک منشور شیشه ای مستطیلی متساوی الساقین مشاهده کرد (شکل 4) که به طور گسترده در پریسکوپ، دوربین دوچشمی، رفرکتومتر و غیره استفاده می شود.

الف) نور عمود بر وجه اول می افتد و بنابراین در اینجا دچار شکست نمی شود (α=0 و =0). زاویه تابش در وجه دوم α=45˚ یعنی>α p است (برای شیشه α p=42˚). بنابراین نور به طور کامل بر روی این چهره منعکس می شود. این یک منشور دوار است که پرتو را 90 درجه می‌چرخاند.

ب) در این حالت نور داخل منشور بازتاب کلی دو برابری را تجربه می کند. این نیز یک منشور دوار است که پرتو را 180 درجه می‌چرخاند.

ج) در این حالت منشور از قبل معکوس شده است. هنگامی که پرتوها از منشور خارج می شوند، موازی با پرتوهای فرودی هستند، اما پرتو تابشی بالایی به پایین و پرتوی پایینی به پرتو بالایی تبدیل می شود.

پدیده بازتاب کامل کاربرد فنی گسترده ای در راهنماهای نور پیدا کرده است.

راهنمای نور تعداد زیادی رشته شیشه ای نازک است که قطر آنها حدود 20 میکرون و طول هر کدام حدود 1 متر است. این رزوه ها موازی یکدیگر هستند و از نزدیک قرار دارند (شکل 5)

اطراف هر نخ را یک پوسته نازک شیشه ای احاطه کرده است که ضریب شکست آن کمتر از خود نخ است. راهنمای نور دارای دو انتهای است.

اگر یک شی را در یک انتهای راهنمای نور قرار دهید و آن را روشن کنید، در انتهای دیگر راهنمای نور، تصویری از این جسم ظاهر می شود.

تصویر به این دلیل به دست می آید که نور از ناحیه کوچکی از جسم وارد انتهای هر یک از رشته ها می شود. با تجربه انعکاس کلی بسیاری، نور از انتهای مخالف نخ خارج می شود و انعکاس را به ناحیه کوچک معینی از جسم منتقل می کند.

زیرا ترتیب رشته ها نسبت به یکدیگر کاملاً یکسان است، سپس تصویر مربوطه از جسم در انتهای دیگر ظاهر می شود. وضوح تصویر به قطر نخ ها بستگی دارد. هرچه قطر هر نخ کمتر باشد، تصویر جسم واضح تر خواهد بود. تلفات انرژی نور در طول مسیر پرتو نور معمولاً در بسته‌ها (الیاف) نسبتاً کم است، زیرا با بازتاب کل ضریب بازتاب نسبتاً بالا است (~ 0.9999). از دست دادن انرژی عمدتاً ناشی از جذب نور توسط ماده داخل فیبر است.

به عنوان مثال، در قسمت قابل مشاهده طیف در یک فیبر به طول 1 متر، 30-70٪ از انرژی از بین می رود (اما در یک بسته نرم افزاری).

بنابراین، برای انتقال شارهای بزرگ نور و حفظ انعطاف‌پذیری سیستم هدایت نور، الیاف جداگانه در بسته‌های (بسته‌ای) جمع‌آوری می‌شوند - راهنمای نور

راهنمای نور به طور گسترده ای در پزشکی برای روشن کردن حفره های داخلی با نور سرد و انتقال تصاویر استفاده می شود. آندوسکوپ– دستگاه مخصوص بررسی حفره های داخلی (معده، راست روده و غیره). با استفاده از راهنماهای نوری، اشعه لیزر برای اثرات درمانی روی تومورها منتقل می شود. و شبکیه چشم انسان یک سیستم فیبر نوری بسیار سازمان یافته است که از 130x10 8 فیبر تشکیل شده است.

در زاویه تابش معینی از نور $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$ که نامیده می شود محدود کردن زاویه، زاویه شکست برابر است با $\frac(\pi )(2)،\ $در این حالت پرتو شکست در امتداد رابط بین رسانه می لغزد، بنابراین، هیچ پرتوی شکستی وجود ندارد. سپس از قانون شکست می توانیم بنویسیم که:

تصویر 1.

در مورد بازتاب کل، معادله به صورت زیر است:

هیچ راه حلی در ناحیه مقادیر واقعی زاویه شکست ($(\alpha)_(pr)$) ندارد. در این مورد، $cos((\alpha )_(pr))$ یک کمیت کاملاً خیالی است. اگر به فرمول های فرنل رجوع کنیم، ارائه آنها به شکل زیر راحت است:

در جایی که زاویه تابش $\alpha $ نشان داده می شود (برای اختصار)، $n$ ضریب شکست محیطی است که نور در آن منتشر می شود.

از فرمول های فرنل مشخص است که ماژول های $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right |=\ left|E_(otr//)\right|$، به این معنی که انعکاس "پر" است.

یادداشت 1

لازم به ذکر است که موج ناهمگن در محیط دوم ناپدید نمی شود. بنابراین، اگر $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ نقض قانون حفاظت انرژی در یک مورد معین شماره از آنجایی که فرمول های فرنل برای یک میدان تک رنگ، یعنی برای یک فرآیند حالت پایدار معتبر هستند. در این حالت، قانون بقای انرژی ایجاب می کند که میانگین تغییر انرژی در طول دوره در محیط دوم برابر با صفر باشد. موج و کسر متناظر از انرژی از طریق رابط دوم به عمق کمی از مرتبه طول موج نفوذ می کند و در آن به موازات سطح مشترک با سرعت فازی کمتر از سرعت فاز موج در آن حرکت می کند. رسانه دوم در نقطه ای که نسبت به نقطه ورودی آفست شده است، به رسانه اول باز می گردد.

نفوذ موج به محیط دوم را می توان به صورت تجربی مشاهده کرد. شدت موج نور در محیط دوم فقط در فواصل کوتاهتر از طول موج قابل توجه است. در نزدیکی سطح مشترکی که موج نور روی آن می‌افتد و تحت بازتاب کامل قرار می‌گیرد، در صورت وجود ماده فلورسنت در محیط دوم، درخشش یک لایه نازک در کنار محیط دوم قابل مشاهده است.

انعکاس کلی باعث ایجاد سراب در هنگام گرم شدن سطح زمین می شود. بنابراین، انعکاس کامل نوری که از ابرها می آید منجر به این تصور می شود که گودال هایی روی سطح آسفالت گرم شده وجود دارد.

در بازتاب معمولی، روابط $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ و $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ همیشه واقعی هستند . در بازتاب کامل آنها پیچیده هستند. این بدان معنی است که در این حالت فاز موج دچار یک پرش می شود، در حالی که با صفر یا $\pi $ متفاوت است. اگر موج عمود بر صفحه تابش قطبی شود، می توانیم بنویسیم:

جایی که $(\delta )_(\bot )$ پرش فاز مورد نظر است. اجازه دهید دو قسمت واقعی و خیالی را برابر کنیم، داریم:

از عبارت (5) بدست می آوریم:

بر این اساس، برای موجی که در صفحه تابش قطبی شده است، می توان به دست آورد:

پرش های فاز $(\delta )_(//)$ و $(\delta )_(\bot )$ یکسان نیستند. موج منعکس شده به صورت بیضی قطبی خواهد شد.

اعمال بازتاب کل

فرض کنید دو رسانه یکسان با یک شکاف هوای نازک از هم جدا شده اند. موج نوری با زاویه ای بزرگتر از محدود کننده روی آن می افتد. ممکن است اتفاق بیفتد که به صورت موجی غیر یکنواخت در شکاف هوا نفوذ کند. اگر ضخامت شکاف کم باشد، این موج به مرز دوم ماده می رسد و خیلی ضعیف نمی شود. پس از عبور از شکاف هوا به ماده، موج دوباره به یک موج همگن تبدیل می شود. چنین آزمایشی توسط نیوتن انجام شد. دانشمند منشور دیگری را که به صورت کروی آسیاب شده بود به وجه هیپوتنوز منشور مستطیلی فشار داد. در این مورد، نور نه تنها در جایی که آنها لمس می کنند، بلکه در یک حلقه کوچک در اطراف تماس، در جایی که ضخامت شکاف با طول موج قابل مقایسه است، به منشور دوم منتقل می شود. اگر مشاهدات در نور سفید انجام می شد، لبه حلقه یک رنگ مایل به قرمز داشت. این همان طور است که باید باشد، زیرا عمق نفوذ متناسب با طول موج است (برای پرتوهای قرمز بیشتر از پرتوهای آبی است). با تغییر ضخامت شکاف، می توانید شدت نور عبوری را تغییر دهید. این پدیده اساس تلفن سبک را تشکیل داد که توسط زایس ثبت شد. در این دستگاه یکی از رسانه ها یک غشای شفاف است که تحت تأثیر صدایی که بر روی آن می ریزد به ارتعاش در می آید. نوری که از یک شکاف هوایی می گذرد در زمان با تغییر شدت صدا، شدت آن را تغییر می دهد. هنگامی که به فتوسل برخورد می کند، جریان متناوب تولید می کند که مطابق با تغییرات شدت صدا تغییر می کند. جریان حاصل تقویت شده و بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

پدیده های نفوذ موج از شکاف های نازک مختص اپتیک نیست. اگر سرعت فاز در شکاف بیشتر از سرعت فاز در محیط باشد، برای موجی با هر ماهیتی این امکان وجود دارد. این پدیده در فیزیک هسته ای و اتمی از اهمیت بالایی برخوردار است.

پدیده انعکاس کلی داخلی برای تغییر جهت انتشار نور استفاده می شود. برای این منظور از منشور استفاده می شود.

مثال 1

ورزش:مثالی از پدیده انعکاس کلی که مکررا رخ می دهد، بیاورید.

راه حل:

می توانیم مثال زیر را بیان کنیم. اگر بزرگراه بسیار گرم باشد، دمای هوا در نزدیکی سطح آسفالت حداکثر است و با افزایش فاصله از جاده کاهش می یابد. این بدان معنی است که ضریب شکست هوا در سطح حداقل است و با افزایش فاصله افزایش می یابد. در نتیجه اشعه هایی که نسبت به سطح بزرگراه زاویه کمی دارند کاملا منعکس می شوند. اگر حین رانندگی در خودرو، در قسمت مناسبی از سطح بزرگراه، توجه خود را متمرکز کنید، می‌توانید خودرویی را مشاهده کنید که بسیار جلوتر و وارونه می‌رود.

مثال 2

ورزش:اگر زاویه محدود بازتاب کل برای یک پرتو معین در سطح مشترک هوا و کریستال 400 باشد، زاویه بروستر برای پرتو نوری که روی سطح کریستال می افتد چقدر است؟

راه حل:

\[(tg(\alpha)_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\راست).\]

از عبارت (2.1) داریم:

بیایید سمت راست عبارت (2.3) را با فرمول (2.2) جایگزین کرده و زاویه مورد نظر را بیان کنیم:

\[(\alpha)_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha)_(pred)\right)\ ))\right).\]

بیایید محاسبات را انجام دهیم:

\[(\alpha)_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\حدود 57()^\circ .\]

پاسخ:$(\alpha)_b=57()^\circ .$