Оптика – раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом.

Свет имеет двойственную природу, он обладает волновыми и корпускулярными свойствами:

Свет – поток частиц (фотонов); корпускулярная природа проявляется при излучении и поглощении света (например, явление фотоэффекта).

Свет – электромагнитная волна; на шкале ЭМВ – положение между радиоволнами и рентгеновским излучением – оптический диапазон:

1. Видимый свет: длина волны 380-760 нм.

   Инфракрасный свет: длина волны 760 нм – 1 мм.

   Ультрафиолетовое излучение: 10 – 380 нм.

Электромагнитная природа обнаруживается в процессе распространения света – явления интерференции, дифракции, поляризации, отражения и преломления.

Рефрактометрия – наиболее точный и простой метод количественного определения белков сыворотки крови – общего белка и процентного соотношения его фракций (альбуминов, глобулинов и фибриногена). Также данный метод используется для определения чистоты воды, для идентификации различных веществ и т.д.

Свет, как и любая электромагнитная волна, от источника распространяется в пространстве во все стороны. Электромагнитные волны распространяются в любых средах, в том числе и в вакууме. При этом скорость волны зависит от диэлектрических и магнитных свойств среды:

- относительная диэлектрическая проницаемость среды

- диэлектрическая постоянная

- магнитная постоянная

- относительная магнитная проницаемость среды

- скорость света (и электромагнитной волны) в вакууме.

Луч – любое произвольное направление распространения световой волны. В однородной среде свет распространяется прямолинейно с постоянной скоростью.

Отражение света – изменение направления распространения световой волны на границе раздела двух сред, при котором волна возвращается в первую среду, не изменяя своей скорости.

Законы отражения:

Преломление света – изменение направления распространения световой волны на границе двух сред, при котором волна проходит во вторую среду и её скорость изменяется.

Законы преломления:

, где

- показатель преломления второй среды относительно первой (относительный показатель преломления)

и - абсолютные показатели преломления первой и второй сред, т.е. показатели преломления каждой из этих сред относительно вакуума.

Физический смысл показателя преломления: абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде:

Из формулы скорости электромагнитной волны следует:

Таким образом, абсолютный показатель преломления
, т.е. зависит от свойств среды. Аналогично, относительный показатель преломления равен отношению скорости света в первой среде к его скорости во второй среде:

При переходе света из одной среды в другую скорость может, как увеличиться, так и уменьшиться, в зависимости от свойств данных сред. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной, с большим – оптически более плотной.

Особенности отражения и преломления света на границе двух сред разной оптической плотности:

При переходе света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения .

При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления. Максимальному углу падения
соответствует угол преломления
. Таким образом, лучи, падающие на границу раздела двух сред под любыми углами от 0 0 до 90 0 , проходят во вторую среду, то есть имеет место полное преломление света. Угол преломления, соответствующий углу падения в 90 0 , называется предельным углом полного преломления (). Величину этого угла можно определить, исходя из закона преломления:

При переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления больше угла падения :

При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления. При некотором значении угла падения (
) угол преломления достигает максимального значения в 90 0 , т.е. преломлённый луч скользит по границе раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения (
) луч света не проходит во вторую среду, а полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения, которому соответствует угол преломления в 90 0 , называется предельным углом полного внутреннего отражения (
). Величину этого угла также можно определить, исходя из закона преломления:

При переходе луча света из среды с показателем
в воздух, показатель преломления которого приближённо равен единице,

.

Условия полного внутреннего отражения:

Свет переходит из оптически более плотной среды в менее плотную.

Угол падения больше или равен предельному углу полного внутреннего отражения.

В целом, на границе раздела сред явления отражения и преломления света происходят совместно. Интенсивность падающего света равна сумме интенсивностей света отражённого и преломлённого:
. По мере увеличения угла падения интенсивность преломлённого луча уменьшается, а отражённого увеличивается. При полном внутреннем отражении вся энергия световой волны возвращается в первую среду.

Рефрактометр – прибор для определения показателя преломления вещества. Его работа в проходящем свете основана на определении предельного угла преломления, зависящего от показателя преломления исследуемой жидкости. Главной частью рефрактометра являются две стеклянные призмы (1 и 2), которые соприкасаются гипотенузными гранями. Между этими гранями имеется зазор размером около 0,1 мм, куда помещается исследуемая жидкость. Гипотенузная грань верхней призмы (1) – матовая. Свет, попадая на эту грань, рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на гипотенузную грань нижней призмы (2) под разными углами от 0 0 до 90 0 . Показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, поэтому все лучи входят в нижнюю призму (2) под углами от 0 0 до предельного угла преломления (). На пути выходящих из второй призмы лучей стоит зрительная трубка. Поле зрения трубки разделено на 2 части: светлую и тёмную. Граница света и тени соответствует лучу, проходящему под предельным углом преломления: пространство внутри этого угла освещённое, вне его – тёмное.

Измерив и зная показатель преломления N стекла призмы, показатель преломления n исследуемой жидкости можно найти по формуле:
.

Для удобства пользования прибором измерительная шкала градуируется сразу по показателю преломления.

При определении показателя преломления мутных и окрашенных жидкостей измерения проводят в отражённом свете, чтобы уменьшить потери энергии при прохождении света через жидкость. Луч света от источника проходит через матовую боковую грань нижней призмы (2). При этом свет рассеивается и падает на её гипотенузную грань, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под разными углами от 0 0 до 90 0 . Лучи, падающие на жидкость под углами, меньшими предельного, проходят в неё, а лучи, падающие под большими, испытывают полное внутреннее отражение и выходят через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения также разделено на светлую и тёмную части, но положение границы раздела в этом случае определяется предельным углом полного отражения.

Однако с помощью данного прибора можно измерить лишь показатель преломления веществ, у которых он меньше показателя преломления стекла измерительных призм.

Важной составной частью рефрактометра является компенсатор дисперсии (так как работа в белом свете, для устранения дисперсии, т.е. спектральной полосы) – призма Амичи, устанавливающаяся перед объективом зрительной трубы. Призма Амичи состоит из 3 призм, подобранных так, чтобы дисперсия в них была равна по величине но противоположная по знаку дисперсии в призмах 1 и 2. Таким образом, общая дисперсия сводится к нулю. Единственный не отклонённый после призмы Амичи луч – жёлтый. Цветные лучи на выходе из призмы собираются в пучок белого света, соответствующий направлению жёлтого луча.

Потоком Ф энергии называется энергия Е, проходящая через какую-либо поверхность в единицу времени:

[Вт]

Если на тело падает поток энергии Ф 0 , то в общем случае часть этого потока Ф отр отражается от поверхности тела, часть Ф пр проходит сквозь тело и часть Ф погл поглощается частицами тела. Таким образом, общий баланс энергии: Ф 0 = Ф отр + Ф погл + Ф пр. Разделив обе части на Ф 0 получим:

Отношение
- коэффициент отражения, причём он от 0 до 1.

Отношение
- коэффициент поглощения, причём он от 0 до 1.

Отношение
- коэффициент пропускания, причём он от 0 до 1.

Если тело абсолютно прозрачно, т.е. не поглощает излучение, и
, тогда
. Если же тело абсолютно непрозрачно, т.е.
, тогда
. Если
, то тело поглощает все попадающие на него лучи.

Указанные коэффициенты зависят от длины волны света и абсолютной температуры тела:

Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания при определённой длине волны называются монохроматическими. В записи это отмечается обычно нижним индексом «» при соответствующей характеристике, например, .

Законы ослабления света при его прохождении через вещество.

Интенсивность излучения – величина, численно равная
, где

S – площадь перпендикулярной направлению распространения волны поверхности, через которую переносится энергия E.

Пусть I 0 – интенсивность света, падающего на некий поглощающий слой, I X – интенсивность света после прохождения слоя, толщиной X. В каждом тонком слое dX поглощается dI = - kIdX (знак «-» указывает на уменьшение интенсивности). Разделив переменные получим:

. Решим дифференциальное уравнение:

Последнее уравнение – закон поглощения Бугера. Коэффициент пропорциональности k в законе Бугера зависит от длины волны света:
- и для данной волны называется монохроматическим натуральным показателем поглощения. Кроме того, k зависит от рода вещества.

Физический смысл натурального показателя поглощения: это величина, обратная толщине поглощающего слоя вещества, при прохождении которого интенсивность света уменьшится в e раз. Размерность k в системе единиц СИ – [м -1 ].

Для достаточно разбавленных растворов, в которых поглощает только растворённое вещество (но не растворитель), справедливо соотношение, называемое законом Бера:
, где

С – молярная концентрация поглощающих центров (молекул-хромофоров);

- натуральный молярный показатель поглощения, т.е. показатель поглощения раствора единичной концентрации. Размерность – [моль -1 метр -1 ].

Согласно закону Бера, показатель поглощения прямо пропорционален концентрации растворённого вещества (молярный показатель, в отличие от k, от концентрации не зависит).

При подстановке закона Бера в уравнение закона Бугера, получим объединённый закон Ламберта-Бугера-Бера:

.

Однако на практике обычно берут основанием не e, а 10:

, где молярный показатель поглощения
, так как
. В спектроскопии молярный показатель поглощения называют молярной экстинкцией.

Спектры поглощения света. Концентрационная калориметрия.

Величина, равная десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания – оптическая плотность раствора:

.

Зависимость от или
от - спектр поглощения данного вещества. Оптическую плотность можно измерить на практике с помощью прибора спектрофотометра. это позволяет определить неизвестную концентрацию раствора вещества-хромофора по известной концентрации раствора того же вещества. Измерив оптические плотности D 0 раствора известной концентрации C 0 и D X раствора неизвестной концентрации С Х при одной и той же толщине поглощающего слоя (толщине кюветы), получим пропорцию:

, откуда

В медицине данный метод широко применяется, так как позволяет работать с малыми концентрациями вещества (10 -8 – 10 -12 М). В частности, используется в судебной медицине.

Тест по физике Преломление света, Закон преломления света для учащихся 8 класса с ответами. Тест включает в себя 13 заданий с выбором ответа.

1. Оптически более плотная среда — это среда, в которой

1) скорость распространения света больше
2) скорость распространения света меньше
3) плотность ее вещества больше
4) плотность ее вещества меньше

2. Преломлением света называют явление

1) его перехода через границу раздела двух сред
2) распространения света сначала в одном, а потом в другом веществе
3) изменения направления светового луча на границе раздела сред, имеющих разные оптические плотности

3. Угол преломления — это угол между

1) преломленным лучом и границей раздела сред
2) преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред в точке падения на нее светового луча
3) преломленным лучом и продолжением падающего луча

4. Если свет переходит из среды менее оптически плотной в оптически более плотную среду, то угол преломления светового луча всегда

1) равен углу падения (α = γ)
2) меньше угла падения (α > γ)
3) больше угла падения (α

5. Когда свет распространяется в оптически плотной среде и переходит в среду, менее оптически плотную, то угол преломления светового луча всегда

1) равен углу падения (α = γ)
2) меньше угла падения (α > γ)
3) больше угла падения (α

6. На каком рисунке изображен переход светового луча в оптически менее плотную среду?

1) №1
2) №2
3) №3

7. В каком веществе — с большей оптической плотностью или с меньшей — скорость света больше?

1) С большей
2) С меньшей
3) Скорость света везде одинакова

8. Когда свет, падающий на границу прозрачных веществ с разными оптическими плотностями, переходит через нее, не преломляясь?

1) Когда падающие лучи перпендикулярны этой границе
2) При угле падения лучей на границу раздела веществ, рав­ном 90°
3) Когда свет переходит в вещество с большей оптической плотностью
4) В случае перехода света в вещество с меньшей оптической плотностью

9. Показатель преломления -это постоянная для данных двух сред величина

1) не зависящая от угла падения луча света и характеризую­щая преломляющие свойства этих двух сред
2) не зависящая от угла падения луча света и характеризую­щая прозрачность сред
3) зависящая от угла падения и показывающая степень этой зависимости
4) определяющая зависимость преломляющих свойств двух сред от их прозрачности

10. Какая формула выражает закон преломления света?

1) U /R = I
2) A /t = N
3) α = γ
4) sinα/sinγ = n

11. Луч света переходит из воды в воздух. Пунктирными линия­ми на рисунке намечены три направления: 1 , 2 и 3 . Какое из них может приблизительно соответствовать преломленному в этом случае лучу?

1) 1
2) 2
3) 3

12. На рисунке показаны падающий и преломленный лучи света. В какой среде — I или II — скорость света меньше?

1) В I
2) В II
3) Скорость света во всех средах одинакова

13. В сосуде находятся две жидкости, оптические плотности ко­торых одинаковы. На границу их раздела сверху падает луч света. По какому из намеченных пунктиром направлений он пойдет в жидкости, находящейся внизу сосуда?

1) 1
2) 2
3) 3

Ответы на тест по физике Преломление света, Закон преломления света
1-2
2-3
3-2
4-2
5-3
6-2
7-2
8-1
9-1
10-4
11-3
12-1
13-2

Среду с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотной . Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (например, из воздуха в воду или стекло), то угол падения больше угла преломления.

Тепловое излучение

1 Что называют энергитической светимостьюRЭ (интегральная энергетическая светимость) - энергетическая светимость определяет количество энергии, излучаемой с единичной поверхности за единицу времени во всем интервале частот от 0 до ∞ при данной температуре Т.

2 что называют испускательной способностью

Суммарный поток энергии излучения с единицы поверхности тела по всему диапазону частот

Называется интегральной испускательной способностью тела или его энергетической светимостью. В системе СИ энергетическая светимость измеряется в Вт/м 2 , а спектральная испускательная способность имеет размерность Дж/м 2 .

Испускательную способность тела можно представить и как функцию длины волны излучения , которая связана с частотой через скорость света в вакууме по формуле . Действительно, выделяя потоки излучения, приходящиеся на интервал частот и на соответствующий ему интервал длин волн , и приравнивая их друг другу, находим, что

3 поглащательная способность

Поглощательная способность тела - это безразмерная величина, показывающая какую часть излучения в интервале длин волн от до падающих на единицу поверхности тела, в единицу времени тело поглощает.

4 отражательная способность

Отражательная способность - величина, описывающая способность какой-либо поверхности или границы раздела двух сред отражать падающий на неё поток электромагнитного излучения. Широко используется в оптике, количественно характеризуется коэффициентом отражения. Для характеризации диффузного отражения используется величина, называемая альбедо.

Способность материалов отражать излучение зависит от угла падения, от поляризации падающего излучения, а также егоспектра. Зависимость отражательной способности поверхности тела от длины волны света в области видимого света глаз человека воспринимает как цвет тела.

Зависимость отражательной способности материалов от длины волны имеет важное значение при построении оптических систем. Для получения нужных свойств материалов по отражению и пропусканию света иногда используют просветление оптики как, например, при производстве диэлектрических зеркал или интерференционных фильтров.

7 закон стефана больцмана

где ε - степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно черного тела ε = 1). При помощи законаПланка для излучения, постоянную σ можно определелить как

где - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, c - скорость света.

Численное значение Дж · с -1 · м -2 · К -4 .

10 Закон смешения вина

квантоваяфизика

чему равна масса покоя фотона =0

10. назовите 3 основных элемента из которых состоит оптический квантовый луч

Оптический квантовый генератор состоит из трех основных элементов: активного вещества, являющегося источником индуцированного излучения; источника возбуждения (подкачки), который снабжает внешней энергией активное вещество; резонансной системы, обеспечивающей фокусирование излучения.  

11 назовите характерные для лазерного излучения свойства

Особыми свойствами лазерного света являются монохроматичность, когерентность, поляризация и малая расходимость луча.

Диэлектрики металлы полупроводники

1 Работа выхода электрона из метала

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

W p = -eφ, где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля.

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми E F . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми.

A вых = eφ" - E F

где φ" – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

2Назовите насителя тока в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа - неосновными .

3.какие примесные полупроводники называются проводниками n типа

Полупроводники n-типа - полупроводник, в котором основные носители заряда - электроны проводимости.

4 какие примесные полупроводники называются проводниками p типа

Полупроводник p-типа - полупроводник, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Полупроводники p-типа получают методом легирования собственных полупроводников акцепторами. Для полупроводников четвёртой группы периодической таблицы, таких как кремний и германий, акцепторами могут быть примеси химических элементов третьей группы - бор, алюминий

5 вольт амперная характеристика полупроводникового диода

Рассмотрим, как меняется направление луча при переходе его из воздуха в воду. В воде скорость света меньше, чем в воздухе. Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой.

Таким образом, оптическая плотность среды характеризуется различной скоростью распространения света .

Это значит, что скорость распространения света больше в оптически менее плотной среде. Например, в вакууме скорость света равна 300 000 км/с, а в стекле - 200 000 км/с. Когда световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды с разной оптической плотностью, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе сред (рис. 144). Это явление называется преломлением света .

Рис. 144. Преломление света при переходе луча из воздуха в воду

Рассмотрим преломление света подробнее. На рисунке 145 показаны: падающий луч АО, преломлённый луч ОВ и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, проведённый в точку падения О. Угол АОС - угол падения (α) , угол DOB - угол преломления (γ) .

Рис. 145. Схема преломления луча света при переходе из воздуха в воду

Луч света при переходе из воздуха в воду меняет своё направление, приближаясь к перпендикуляру CD.

Вода - среда оптически более плотная, чем воздух. Если воду заменить какой-либо иной прозрачной средой, оптически более плотной, чем воздух, то преломлённый луч также будет приближаться к перпендикуляру. Поэтому можно сказать, что если свет идёт из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения (см. рис. 145):

Луч света, направленный перпендикулярно к границе раздела двух сред, проходит из одной среды в другую без преломления.

При изменении угла падения меняется и угол преломления. Чем больше угол падения, тем больше угол преломления (рис. 146). При этом отношение между углами не сохраняется. Если составить отношение синусов углов падения и преломления, то оно остаётся постоянным.

Рис. 146. Зависимость угла преломления от угла падения

Для любой пары веществ с различной оптической плотностью можно написать:

где n - постоянная величина, не зависящая от угла падения. Она называется показателем преломления для двух сред. Чем больше показатель преломления, тем сильнее преломляется луч при переходе из одной среды в другую.

Таким образом, преломление света происходит по следующему закону: лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Темы кодификатора ЕГЭ: закон преломления света, полное внутреннее отражение.

На границе раздела двух прозрачных сред наряду с отражением света наблюдается его преломление - свет, переходя в другую среду, меняет направление своего распространения.

Преломление светового луча происходит при его наклонном падении на поверхность раздела (правда, не всегда - читайте дальше про полное внутреннее отражение). Если же луч падает перпендикулярно поверхности, то преломления не будет - во второй среде луч сохранит своё направление и также пойдёт перпендикулярно поверхности.

Закон преломления (частный случай).

Мы начнём с частного случая, когда одна из сред является воздухом. Именно такая ситуация присутствует в подавляющем большинстве задач. Мы обсудим соответствующий частный случай закона преломления, а уж затем дадим самую общую его формулировку.

Предположим, что луч света, идущий в воздухе, наклонно падает на поверхность стекла, воды или какой-либо другой прозрачной среды. При переходе в среду луч преломляется, и его дальнейший ход показан на рис. 1 .

В точке падения проведён перпендикуляр (или, как ещё говорят, нормаль ) к поверхности среды. Луч , как и раньше, называется падающим лучом , а угол между падающим лучом и нормалью - углом падения. Луч - это преломлённый луч ; угол между преломлённым лучом и нормалью к поверхности называется углом преломления .

Всякая прозрачная среда характеризуется величиной , которая называется показателем преломления этой среды. Показатели преломления различных сред можно найти в таблицах. Например, для стекла , а для воды . Вообще, у любой среды ; показатель преломления равен единице только в вакууме. У воздуха , поэтому для воздуха с достаточной точностью можно полагать в задачах (в оптике воздух не сильно отличается от вакуума).

Закон преломления (переход "воздух–среда") .

1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно показателю преломления среды:

. (1)

Поскольку из соотношения (1) следует, что , то есть - угол преломления меньше угла падения. Запоминаем: переходя из воздуха в среду, луч после преломления идёт ближе к нормали.

Показатель преломления непосредственно связан со скоростью распространения света в данной среде. Эта скорость всегда меньше скорости света в вакууме: . И вот оказывается,что

. (2)

Почему так получается, мы с вами поймём при изучении волновой оптики. А пока скомбинируем формулы . (1) и (2) :

. (3)

Так как показатель преломления воздуха очень близок единице, мы можем считать, что скорость света в воздухе примерно равна скорости света в вакууме . Приняв это во внимание и глядя на формулу . (3) , делаем вывод: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в воздухе к скорости света в среде.

Обратимость световых лучей.

Теперь рассмотрим обратный ход луча: его преломление при переходе из среды в воздух. Здесь нам окажет помощь следующий полезный принцип.

Принцип обратимости световых лучей. Траектория луча не зависит от того, в прямом или обратном направлении распространяется луч. Двигаясь в обратном направлении, луч пойдёт в точности по тому же пути, что и в прямом направлении.

Согласно принципу обратимости, при переходе из среды в воздух луч пойдёт по той же самой траектории, что и при соответствующем переходе из воздуха в среду (рис. 2 ) Единственное отличие рис. 2 от рис. 1 состоит в том, что направление луча поменялось на противоположное.

Раз геометрическая картинка не изменилась, той же самой останется и формула (1) : отношение синуса угла к синусу угла по-прежнему равно показателю преломления среды. Правда, теперь углы поменялись ролями: угол стал углом падения, а угол - углом преломления.

В любом случае, как бы ни шёл луч - из воздуха в среду или из среды в воздух - работает следующее простое правило. Берём два угла - угол падения и угол преломления; отношение синуса большего угла к синусу меньшего угла равно показателю преломления среды.

Теперь мы целиком подготовлены для того, чтобы обсудить закон преломления в самом общем случае.

Закон преломления (общий случай).

Пусть свет переходит из среды 1 с показателем преломления в среду 2 с показателем преломления . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной ; соответственно, среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной .

Переходя из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, световой луч после преломления идёт ближе к нормали (рис. 3 ). В этом случае угол падения больше угла преломления: .

Рис. 3.

Наоборот, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, луч отклоняется дальше от нормали (рис. 4 ). Здесь угол падения меньше угла преломления:

Рис. 4.

Оказывается, оба этих случая охватываются одной формулой - общим законом преломления, справедливым для любых двух прозрачных сред.

Закон преломления.
1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды:

. (4)

Нетрудно видеть, что сформулированный ранее закон преломления для перехода "воздух–среда" является частным случаем данного закона. В самом деле, полагая в формуле (4) , мы придём к формуле (1) .

Вспомним теперь, что показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: . Подставляя это в (4) , получим:

. (5)

Формула (5) естественным образом обобщает формулу (3) . Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Полное внутреннее отражение.

При переходе световых лучей из оптически более плотной среды в оптически менее плотную наблюдается интересное явление - полное внутреннее отражение . Давайте разберёмся, что это такое.

Будем считать для определённости, что свет идёт из воды в воздух. Предположим, что в глубине водоёма находится точечный источник света , испускающий лучи во все стороны. Мы рассмотрим некоторые из этих лучей (рис. 5 ).

Луч падает на поверхность воды под наименьшим углом. Этот луч частично преломляется (луч ) и частично отражается назад в воду (луч ). Таким образом, часть энергии падающего луча передаётся преломлённому лучу, а оставшаяся часть энергии -отражённому лучу.

Угол падения луча больше. Этот луч также разделяется на два луча - преломлённый и отражённый. Но энергия исходного луча распределяется между ними по-другому: преломлённый луч будет тусклее, чем луч (то есть получит меньшую долю энергии), а отражённый луч - соответственно ярче, чем луч (он получит большую долю энергии).

По мере увеличения угла падения прослеживается та же закономерность: всё большая доля энергии падающего луча достаётся отражённому лучу, и всё меньшая - преломлённому лучу. Преломлённый луч становится всё тусклее и тусклее, и в какой-то момент исчезает совсем!

Это исчезновение происходит при достижении угла падения , которому отвечает угол преломления . В данной ситуации преломлённый луч должен был бы пойти параллельно поверхности воды, да идти уже нечему - вся энергия падающего луча целиком досталась отражённому лучу .

При дальнейшем увеличении угла падения преломлённый луч и подавно будет отсутствовать.

Описанное явление и есть полное внутреннее отражение. Вода не выпускает наружу лучи с углами падения, равными или превышающими некоторое значение - все такие лучи целиком отражаются назад в воду. Угол называется предельным углом полного отражения .

Величину легко найти из закона преломления. Имеем:

Но , поэтому

Так, для воды предельный угол полного отражения равен:

Явление полного внутреннего отражения вы легко можете наблюдать дома. Налейте воду в стакан, поднимите его и смотрите на поверхность воды чуть снизу сквозь стенку стакана. Вы увидите серебристый блеск поверхности - вследствие полного внутреннего отражения она ведёт себя подобно зеркалу.

Важнейшим техническим применением полного внутреннего отражения является волоконная оптика . Световые лучи, запущенные внутрь оптоволоконного кабеля (световода ) почти параллельно его оси, падают на поверхность под большими углами и целиком, без потери энергии отражаются назад внутрь кабеля. Многократно отражаясь, лучи идут всё дальше и дальше, перенося энергию на значительное расстояние. Волоконно-оптическая связь применяется, например, в сетях кабельного телевидения и высокоскоростного доступа в Интернет.