Теория:
Преломление света — это явление, при котором свет при переходе из одной среды в другую меняет направление своего распространения.
При прохождении луча света через границу двух сред его направление распространения меняется. Скорость распространения света в разных средах различается, поэтому удобно ввести коэффициент, который показывает отношение скорости света в вакууме \(c\) к скорости света в среде \(v\). Этот коэффициент называют абсолютным показателем преломления среды \(n\):
\(\boxed{n=\frac{c}{v}}\). (\(1\))
\(\boxed{n=\frac{c}{v}}\). (\(1\))
Ещё удобно ввести коэффициент, показывающий отношение скоростей света в разных средах, — относительный показатель преломления сред:
\(\boxed{n_{21}=\frac{n_2}{n_1}=\frac{v_1}{v_2}}\). (\(2\))
\(\boxed{n_{21}=\frac{n_2}{n_1}=\frac{v_1}{v_2}}\). (\(2\))
При преломлении света на границе сред выполняется закон преломления (рис. \(1\)).
Отношение синусов угла падения и отражения равно относительному показателю преломления сред, причём луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к отражающей поверхности лежат в одной плоскости.
Рис. \(1\). Преломление света
Математическое выражение закона преломления имеет вид:
\(\boxed{\frac{\sin(\alpha)}{\sin(\beta)}=n_{21}}\). (\(3\))
\(\boxed{\frac{\sin(\alpha)}{\sin(\beta)}=n_{21}}\). (\(3\))
Из закона преломления следует существование эффекта полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения
Рассмотрим луч света, который переходит из среды с большим показателем преломления в вещество с меньшим абсолютным показателем преломления (например, из воды в воздух).
Рис. \(2\). Схема полного внутреннего отражения
В этом случае угол преломления луча больше, чем угол падения. Если увеличивать угол падения, то при некотором предельном угле угол преломления становится равным \(90°\). При дальнейшем увеличении угла падения луч полностью отражается от границы раздела и не переходит в другую среду. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения (рис. \(2\)).
Запишем закон преломления света для :
, значит, .
Обрати внимание!
Явление полного внутреннего отражения наблюдается только при переходе светового луча из среды с большим абсолютным показателем преломления в среду с меньшим абсолютным показателем преломления вещества, а также при угле падения, большем или равном углу .
Угол полного внутреннего отражения — минимальный угол падения света, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения:
.
Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния. Использование обычного зеркального отражения не даёт желаемого результата, так как даже зеркало самого высокого качества (посеребрённое) поглощает часть световой энергии. И при многократном отражении энергия света стремится к нулю.
Рис. \(3\). Изображение хода луча в световоде:
\(1\) — защитная оболочка;
\(2\) — оболочка (с меньшим показателем преломления);
\(3\) — сердцевина (с большим показателем преломления).
Оптическое волокно состоит из внутренней сердцевины, окружающей её оболочки и дополнительного защитного покрытия (защитной оболочки) (рис. \(3\)). Сердцевина — светопередающая часть волокна из стекла или пластика. Чем больше диаметр сердцевины, тем большее количество света может быть передано по волокну. Оболочка обеспечивает переотражение света в сердцевину волокна таким образом, чтобы световые волны распространялись только по сердцевине волокна. При входе в световод падающий луч направляется под углом больше предельного, что обеспечивает отражение луча без потери энергии. Волоконные световоды с успехом применяют в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения тех или иных участков внутренних органов. Использование световодов позволяет исследовать внутренние органы без введения лампочки, то есть исключая возможность перегрева.