Что такое скользящий луч

Полное внутреннее отражение: что это такое, формула, пример расчета, применение

Вам интересно, почему полное отражение электромагнитных волн зависит от различных сред и углов? А как можно вычислить угол, при которым происходит полное внутреннее отражение? Именно об этом вы узнаете далее из моей статьи.

Описание явления и формула

Свет, то есть электромагнитная волна в диапазоне от 380 нм до 780 нм, достигая границы сред, может претерпевать два явления: отражение и преломление (рис. 1.).

Рис. 1. Свет, падающий на границу между средами с различными показателями преломления, может претерпевать два явления: отражение и преломление.

Однако иногда случается, что явление преломления не происходит. Давайте рассмотрим это подробнее. В первой среде, показатель преломления которой будет больше, чем во второй, поместим источник света под малым углом падения. Затем вы заметите, что оба явления имеют место. Теперь давайте постепенно увеличивать угол падения. В определенный момент мы достигнем ситуации, когда угол преломления будет равен 90° и свет будет «скользить» через границу сред (рис. 2.). Угол падения в этом случае называется предельным углом.

Рис. 2. Свет, падающий на границу сред под граничным углом, «скользит» через границу

Предельный угол α_пр (или критический угол) — максимальный угол падения света на границе двух сред, при котором происходит явление преломления.

Если продолжать увеличивать угол падения, то явление преломления не произойдет. Мы будем наблюдать только отражение. Это называется полным внутренним отражением. Это явление было описано в первой половине 19 века независимо друг от друга Жаком Бабинэ и Жаном-Даниэлем Колладоном.

Если n1 > n2 и угол падения больше предельного угла α_пр, то преломление отсутствует, т.е. происходит полное внутреннее отражение (см. рисунок 3).

Таким образом, если световая волна падает на границу двух сред таким образом, что угол падения больше arcsin ( n₂ / n₁ ), то мы говорим о полном внутреннем отражении света.

Но как именно можно определить, является ли среда оптически более плотной или менее плотной?

Закон преломления света можно использовать для описания изменения направления электромагнитных волн при их прохождении через различные среды. Прежде всего, необходимо дать некоторые определения.

В случае полного внутреннего отражения угол падения или предельный угол α_пр равен отношению показателя преломления оптически более плотной среды к оптически менее плотной среде.

Примеры расчёта

Давайте перейдем от теории к практике и проиллюстрируем, как можно рассчитать предельный угол полного внутреннего отражения. В примере электромагнитная волна из воды попадает в воздух.

На основе определенного предельного угла можно определить три результирующие области:

Если свет проникает через воду и попадает в оптически менее плотную среду — воздух под углом меньше 48,6°, то можно заметить, что часть света отражается, а часть преломляется в пограничном слое (см. рисунок 4).

Рис. 4. Переход света из воды в воздух α

Однако если свет падает на воздух с определенным предельным углом равным 48,6°, часть электромагнитной волны пройдет точно на границе раздела сред. Другая часть отразится (см. рисунок 5).

Рис. 5. Переход света из воды в воздух с α=48,6 градусов

Однако существуют некоторые ограничения, чтобы не нарушить общее отражение. Оптически менее плотная среда должна иметь определенную минимальную толщину. Кроме того, оптически менее плотная среда не должна быть абсорбирующей.

Применение

Далее рассматриваются некоторые примеры практического применения принципа полного внутреннего отражения электромагнитных волн.

Эффект полного внутреннего отражения особенно полезен для оптических волокон, таких как оптоволоконные кабели. Оптоволоконные кабели состоят из сердечника и оболочки. Сердечник из стекловолокна является оптически плотной средой, а оболочка — оптически менее плотной средой. Благодаря полному внутреннему отражению, свет внутри оптоволоконного кабеля почти полностью отражается от оболочки и остается в сердцевине.

Известный всем кабельный интернет также передается с помощью оптоволоконных кабелей. Здесь электрические сигналы преобразуются в электромагнитные импульсы с помощью электрооптических преобразователей.

Призмы часто используются в оптике. Эти призмы обладают физическим эффектом дисперсии. Благодаря различным частотам электромагнитных волн, призмы могут быть использованы для разделения света на его спектр или спектральные цвета.

Другой важной областью, в которой явление полного внутреннего отражения нашло ряд применений, является медицина. Здесь в первую очередь следует отметить возможность заглянуть внутрь тела без хирургического вмешательства. Для этой цели служит устройство, состоящее из нескольких оптических волокон, объединенных вместе. Это нашло применение прежде всего в эндоскопии, которая позволяет проводить неинвазивное обследование, а также брать биопсию и проводить небольшие хирургические вмешательства.

Одно из самых популярных и известных применений этого явления — ювелирная промышленность. Он заключается в придании полированному камню соответствующей формы и покрытии его симметричными плоскостями, так что внутри камня происходит полное внутреннее отражение, и около 80% лучей преломляются. Это позволяет наблюдать характерный блеск бриллиантов

Список использованной литературы

При написании статьи использовались следующие источники информации:

Источник

Что такое скользящий луч

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду при увеличении угла падения направление преломленного луча приближается к границе раздела двух сред (рис. 6.14). Когда угол падения превосходит некоторое предельное значение, падающий на границу раздела свет полностью отражается. Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения, при котором угол преломления равен , называется предельным углом. Согласно (6.1) при переходе луча из оптически более плотной среды с показателем преломления в оптически менее плотную среду с показателем преломления () величина предельного угла определится из следующего соотношения:

Луч, соответствующий случаю, когда преломленный луч – скользящий, выделен на рис. 6.15 желтым цветом. При углах падения, больших предельного (лучи красного цвета), преломленный световой поток отсутствует, вся переносимая этим лучом энергия остается в отраженном потоке. Для красного луча имеет место явление полного внутреннего отражения.

На рис. 6.16–6.18 рассмотрено преломление светового луча на границе раздела алмаз-воздух. Если угол падения меньше предельного, мы имеем и отраженный, и преломленный луч (рис. 6.16). Предельный угол равен , в этом случае преломленный луч скользит по границе раздела (рис. 6.17). Если угол падения больше критического, преломленный луч отсутствует (рис. 6.18).

Во многих приборах, например, в биноклях, полное внутреннее отражение используется при отражении света в призмах. Преимущество состоит в том, что при этом отражается почти 100 % света, и изображение получается более ярким.

Если нырнуть под воду и посмотреть вверх, то можно пронаблюдать явление полного внутреннего отражения: на зеркальной поверхности воды будет видно круглое отверстие, выделяющее область углов падения, меньших предельного. За пределами этого круга ныряльщик увидит отражение берега и дна водоема.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в технике. На этом явлении основано применение гибких оптических волокон, по которым проходят световые лучи, многократно отражаясь от стенок.

Источник

Полное внутреннее отражение

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с бо́льшим показателем преломления.

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Этот оптический феномен наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения включая и рентгеновский диапазон.

В рамках геометрической оптики объяснение явления тривиально: опираясь на закон Снелла и учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Содержание

Пример

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом преломления.

Красный луч падает под углом , то есть на границе сред он раздваивается — частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом .

Зелёный луч падает и полностью отражается .

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Фата-моргана, эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре. Здесь отражения возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней объясняется полным внутренним отражением, в результате которого каждый вошедший в кристалл луч образует большое количество достаточно ярких вышедших лучей, окрашенных в результате дисперсии.

Блеск алмазов, выделяющий их из прочих драгоценных камней, также определяется этим феноменом. Из-за высокого коэффициента преломления (n ≈ 2) алмаза оказывается большим и число внутренних отражений, которые претерпевает луч света с меньшими потерями энергии, по сравнению со стеклом и другими материалами с меньшим показателем преломления.

Полное внутреннее отражение звуковых волн в толще океана, связанное с изменениями свойств воды с глубиной, приводит к распространению некоторых, особенно сверхнизкочастотных звуков на тысячи километров.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдаеться не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Светоделительная призма

Непосредственно за первой граничной поверхностью, то есть на расстоянии максимум, равной длине волны света, вторая граничная поверхность имеет тот же коэффициент преломления n₁. Электромагнитная волна света проникает через полосу с коэффициентом преломления n₂ и попадает во вторую граничную поверхность с коэффициентом преломления n₁, но с меньшим значением энергии. Наблюдается раздвоение луча света, часть которого проникла в зону с коэффициентом преломления n₂. В конечном результате луч раздваивается : часть распространяется дальше в первоначальном направлении, в то время как другая часть отражается. Потеря интенсивности в среде n₂ проходит экспоненциально по формуле:

Световод

Эффект полного внутреннего отражения использвуется в световодах. Осевая часть волокна создаётся из стекла с высоким показателем преломления и погружается в оптически менее плотную среду (пластиковая облочка волокна, специальная жидкость, воздух). Такие световоды используются для построения оптоволоконных кабелей

Отражение рентгеновских лучей

При рентгеновском излучении согласно общей формуле значений коэффициента преломления:

вытекает, что вакуум — оптически более плотная среда, чем любое вещество. Значения коэффициента прохождении рентгеновских лучей лежат в области между − 6 и − 5 и зависят от квантовой энергии излучения, констант кристаллической решётки и плотности вещества.

При небольших углах падения, наблюдается эффект скольжения, преломления рентгеновских лучей с отражением под углом, равным углу падения (θ). Углы скольжения для «жёстких» рентгеновских лучей составляют доли градуса, для «мягких» — примерно 10-20 градусов. [1] [2]

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М. А. Кумаховым, разработавшим рентгеновское зеркало, и теоретически обосновано Артуром Комптоном в 1923 году.

Другие волновые явления

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов. [3]

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Полное внутреннее отражение» в других словарях:

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — отражение эл. магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. П. в. о. осуществляется, когда угол падения i превосходит нек рый предельный (критический) угол … Физическая энциклопедия

Полное внутреннее отражение — Полное внутреннее отражение. При прохождении света из среды с n1 > n2 происходит полное внутреннее отражение, если угол падения a2 > aпр; при угле падения a1 Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полное внутреннее отражение — отражение оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим преломления показателем… … Большая советская энциклопедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — электромагнитных волн, происходит при прохождении их из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2 под углом падения a, превышающим предельный угол aпр, определяемый соотношением sinaпр=n2/n1. Полным… … Современная энциклопедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ, ОТРАЖЕНИЕ без ПРЕЛОМЛЕНИЯ света на границе. При прохождении света из более плотной среды (например, стекло) в менее плотную (вода или воздух) существует зона углов преломления, в которой свет не проходит через границу … Научно-технический энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение — Отражение света от среды оптически менее плотной с полным возвращением в среду, из которой он падает. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики… … Справочник технического переводчика

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — электромагнитных волн происходит при их наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол… … Большой Энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение — электромагнитных волн, происходит при наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол iпр … Энциклопедический словарь

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — эл магн. волн, происходит при наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол iпр.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение — visiškasis vidaus atspindys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. total internal reflection vok. innere Totalreflexion, f rus. полное внутреннее отражение, n pranc. réflexion intégrée interne, f; réflexion totale interne, f … Fizikos terminų žodynas

Источник

Краткая теория. Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения

Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу раздела двух средсо стороны оптически более плотной среды n₂ (рис. 1.4). Для углов падения r, меньших некоторого r’ (луч 1), часть светового потока, преломляясь, проникает в менее плотную среду n₁ (луч 1»), а часть отражается от границы раздела (луч 1′). При углах падения r’ n₁

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча. Оптическая схема рефрактометра показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Оптическая схема рефрактометра Аббе

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 1.6. Свет проникает в призму Р₁ через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0° £ i₁ £ 90°) падает на сторону AC призмы Р₂. Скользящему лучу в жидкости (i₁= 90°) соответствует предельный угол преломления r₁. Преломленные лучи с углами больше r₁ не возникают. В связи с этим угол i₂ выхода лучей из грани AB может изменяться лишь в интервале от некоторого значения i₂ до 90°.

Рис. 1.6. Ход луча в призмах при использовании метода скользящего луча

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму Р₂ освещают со стороны грани BС (рис. 1.7) через специальное отверстие в кожухе прибора.

Рис. 1.7. Ход лучей при использовании метода полного внутреннего отражения

Грань BС делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела AC под всевозможными углами. При r₁ > r’₁ наступает полное внутреннее отражение, при r₁

2. Осторожно открыть верхнюю часть рефрактометра и на гладкую поверхность нижней призмы аккуратно, чтобы не поцарапать поверхность призмы, при помощи пипетки поместить несколько капель исследуемой жидкости.

3. Закрыть прибор и, смотря в окуляр, добиться хорошего освещения поля зрения, поворачивая рефрактометр против света.

4. Если в поле зрения окуляра нечетко видны деления, осторожно поворачивая окуляр, установить четкую видимость шкалы по своему глазу.

5. Если граница светотени имеет радужную окраску, то, вращая рукоятку компенсатора, добиться исчезновения радужной окраски.

6. Для определения показателя преломления (левая шкала) или процентного содержания сахара в растворе (правая шкала) вращением правой рукоятки добиться совпадения трёх чёрточек с границей светотени.

7. Измерения проделать не менее трёх раз.

8. После измерений осторожно, чтобы не поцарапать поверхность призмы, очистить поверхность ватой, смоченной дистиллированной водой.

9. Результаты измерений для всех растворов занести в табл.1.2.

10. Построить график зависимости показателя преломления n от концентрации раствора.

Контрольные вопросы к заданию 1.2

1. Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?

2. Что такое полное внутреннее отражение?

3. Что называется предельным углом полного внутреннего отражения?

4. Как зависит показатель преломления раствора от концентрации?

5. Что представляет собой оптическая схема рефрактометра?

Рекомендуемая литература: [2], [5], [6], [7], [10], [12]

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник