Межпредметные и внутрипредметные связи. Законы геометрической оптики, полное внутреннее отражение света, показатель преломления внутрипредметные связи

Физика, химия, биология

Межпредметные связи

Терапия, хирургия, гастроэнтерология, офтальмология, гистология

 

Законы геометрической оптики, полное внутреннее отражение света, показатель преломления

внутрипредметные связи

Рефрактометрия, Иммерсионная микроскопия, Волоконная оптика

 

Задания для самоподготовки

 

- показать на чертежах ход световых лучей, иллюстрирующих законы отражения и преломления света

- изобразить на графиках зависимости показателя преломления света от длины световой волны для нормальной и аномальной дисперсии

- начертить ход световых лучей в основной и вспомогательной призмах рефрактометра

- начертить оптическую схему рефрактометра и объясните причину возникновения границы светотени в рефрактометре

 

Литература, рекомендуемая для самоподготовки

Основная

1.Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика, М., 2006, с.400-404

2.Ландсберг Г.С. Оптика, Физматлит, М., 2007, с.525-540

3.Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, т.3, Физматлит, М., 2006, с.655.

4.Физический энциклопедический словарь, Энциклопедия, М., 2005, с.562

Дополнительная

1. Матвеев А.Н. Оптика, М., 2007, с.109-115

2. Реферат. Физика в МГУ по лекциям Ремезовой Н.И. bobych.ru

3. Генон., Что такое внутреннее отражение. Genon.ru

 

Вопросы для самоподготовки.

- по базисным знаниям

1. Законы отражения и преломления света

2. Абсолютный и относительный показатели преломления

3. Явление полного внутреннего отражения света, предельный угол полного отражения

4. Понятие о нормальной и аномальной дисперсии.

- по данной теме

1. Описание устройства рефрактометра

2. Диффузное отражение света

3. Показать ход лучей в рефрактометре

4. Причина образования границы светотени

5. Причины блеска драгоценных камней

6. Природные волоконно-оптические системы

Краткая теория

Первые законы оптических явлений были установлены на основе представлений о прямолинейных световых лучах. Они относились к изменениям направления распространения света при отражении или переходе света из одного прозрачного вещества в другое.

Простейший случай изменения направления света наблюдается при прохождении света через ровную и плоскую границу двух прозрачных веществ, например воздуха и стекла или стекла и воды и т.д. В этом случае падающий луч АВ (рис. 1) разбивается на два новых луча: отраженный ВС и преломленный ВD.

Закон, определяющий направление отраженного луча, был известен еще Евклиду (III в. до н. э.). Отраженный луч ВС лежит в одной плоскости с падающим лучом АВ и нормалью ВN, восстановленной из точки падения, при этом он лежит по другую сторону от нормали; угол отражения i₁’ численно равен углу падения i₁:

Что касается закона преломления, то его точная формулировка была дана гораздо позже, чем закона отражения, а именно в начале XVII в. По закону преломления преломленный луч ВD (рис.1) лежит в одной плоскости с падающим лучом АВ и нормалью ВN, восстановленной из точки падения; отношение синуса угла падения i₁, к синусу угла преломления i₂ есть величина постоянная для данной пары веществ:

где u₁ и u₂ - скорости света в первой и во второй среде.

Величина n₂₁ называется относительным коэффициентом преломления второго вещества к по отношению первому.

Коэффициент преломления какого-либо вещества по отношению к вакууму принято называть абсолютным коэффициентом преломления данного вещества n. Слово “абсолютный” обычно опускают и тогда говорят просто о коэффициенте преломления данного вещества. Относительный коэффициент преломления можно выразить через абсолютные коэффициенты преломления следующим образом .

Отражение света наблюдается не только от границы раздела двух прозрачных веществ. В той или другой степени свет отражается от всякого тела. Полированные тела отражают свет с выполнением того же закона отражения, который имеет место при отражении от границы раздела двух прозрачных веществ: свет отражается в направлении угла i’, равному углу падения i. Такое отражение называется зеркальным. При этом интенсивность отраженного луча, в зависимости от природы отражающей поверхности, может быть весьма разной: серебряное полированное зеркало способно отражать до 96% падающего света; черная полированная поверхность отражает менее 1% падающего света. Кроме того, в некоторых случаях интенсивность отраженного света зависит от угла падения.

Наряду с зеркальным отражением свет отражается более или менее равномерно во все стороны. Поверхность, которая вполне равномерно рассеивает падающий свет во все стороны, называется абсолютно матовой.

Распределение интенсивности в диффузно отраженном свете в зависимости от угла отражения можно представить графически, отложив из точки падения света векторы, длина которых равна относительной интенсивности света в данном направлении. Огибающая концов таких векторов даст распределение интенсивности отраженного света. Такой график для некоторой отражающей поверхности представлен на рисунке 2. Максимум С в направлении зеркального отражения указывает, что данное тело не является абсолютно матовым: в определенном направлении оно “блестит”.

Свет при прохождении из вещества с меньшим коэффициентом преломления (оптически менее плотного) в вещество с большим коэффициентом преломления (оптически более плотного) приближается к нормали. Наоборот, при прохождении из вещества оптически более плотного в вещество оптически менее плотное луч отходит от нормали. В этом случае существует такой угол падения r_oменьший p/2, при котором угол преломления i равен p/2, то есть преломленный луч становится скользящим (Рис.3)Опыт показывает, что при углах падения r >r_o преломленного луча не существует: весь падающий свет полностью отражается. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Угол r_oназывается предельным углом внутреннего отражения. Предельный угол полного внутреннего отражения связан с относительным коэффициентом преломления сред

соотношением:

Полное внутреннее отражение возможно при прохождении света из стекла (оптически более плотная среда) в воздух (оптически менее плотная среда) и невозможно при его прохождении из воздуха в стекло.

По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча падает, а интенсивность отраженного луча возрастает.

Рис.3 Возникновение полного внутреннего отражения

 

 

Не следует думать, что при достижении предельного угла r_o интенсивность выходящих лучей скачком обращается в нуль. В действительности, по мере роста угла r интенсивность выходящего (преломленного) луча непрерывно убывает, а интенсивность отраженного луча непрерывно возрастает. При r >r_o интенсивность отраженного луча становится равной интенсивности падающего луча, а луч, выходящий из из среды, исчезает полностью.

 

Скорость распространения света в среде и, соответственно, коэффициент преломления света в среде зависит от длины волны падающего света. Поэтому, при прохождении немонохроматическим светом (светом, содержащим разные длины волн) границы раздела двух сред, свет преломляется под разными углами, в зависимости от длины волны. Это явление называется дисперсией света.

 

Д И С П Е Р С И Я

 

 

Нормальная – показатель преломления растет с уменьшением длины волны

Аномальная – показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны