Что такое явление полного внутреннего отражения

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ (ПВО), от­ра­же­ние элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (в ча­ст­но­сти, све­та) при его па­де­нии на гра­ни­цу двух про­зрач­ных од­но­род­ных сред из сре­ды 1 с бо́льшим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_1$ на сре­ду 2 с мень­шим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_2$ . Этот эф­фект как осо­бый слу­чай пре­лом­ле­ния был от­ме­чен в лу­че­вой оп­ти­ке ещё до воз­ник­но­ве­ния элек­тро­маг­нит­ной тео­рии све­та. При та­ком па­де­нии на пло­скую сре­ду под уг­лом $γ$ угол пре­лом­ле­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и ко­гда он ста­но­вит­ся рав­ным $90°$ , пре­лом­ле­ние во вто­рую сре­ду пре­кра­ща­ет­ся, а об­рат­ное от­ра­же­ние в пер­вую сре­ду ста­но­вит­ся пол­ным. Это про­ис­хо­дит при т. н. кри­тич. уг­ле па­де­ния $γ_$ , оп­ре­де­ляе­мом из со­от­но­ше­ния $\sin γ_=n_2/n_1$ . ПВО со­храня­ет­ся и при $γ\gt γ_$ . При от­ра­же­нии лу­чей, про­хо­дя­щих из стек­ла ( $n_1=1,42$ ) в воз­дух ( $n_2=1$ ), $γ_≈44°$ .

3. Закон преломления света. Полное внутреннее отражение

В \(1621\) году голландский математик Виллеброрд Снеллиус опытным путём открыл и сформулировал закон преломления света. Он отметил, что при изменении угла падения угол преломления изменяется так, что постоянным остаётся соотношение синусов этих углов.

Закон преломления света (закон Снеллиуса)

1. Падающий и преломлённый лучи и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, равная относительному показателю преломления:

sin α sin β = n 2 n 1 = n 21 .
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. 1 . Схема полного внутреннего отражения

В этом случае угол преломления луча больше, чем угол падения. Если увеличивать угол падения, то при некотором предельном угле α пр 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. 1).

Запишем закон преломления света для α пр :
sin α пр sin 90 = n 21 , то
sin α пр = n 21 .
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 равным углу α пр .

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния. Использование обычного зеркального отражения не дает желаемого результата, так как даже зеркало самого высокого качества (посеребрённое) поглощает часть световой энергии. И при многократном отражении энергия света стремится к нулю.

Рис. 2 . 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 ее оболочки и дополнительного защитного покрытия (защитной оболочки) (рис. 2 ). 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.

Явление полного внутреннего отражения света: открытие и практическое применение

Статья рассматривает явление полного внутреннего отражения света, его определение, условия и применение в оптике и технике.

Явление полного внутреннего отражения света: открытие и практическое применение обновлено: 6 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

В данной лекции мы рассмотрим понятие полного внутреннего отражения света. Это явление, которое происходит при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. В результате полного внутреннего отражения свет полностью отражается от границы раздела двух сред и не проникает во вторую среду. Мы рассмотрим условия, при которых происходит полное внутреннее отражение, а также применение этого явления в оптике и технике.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение полного внутреннего отражения

Полное внутреннее отражение – это явление, при котором свет, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается обратно в первую среду, без преломления во вторую среду. Это происходит, когда угол падения света превышает критический угол.

Критический угол – это угол падения света на границу раздела двух сред, при котором угол преломления становится 90 градусов. Если угол падения превышает критический угол, то свет полностью отражается, не проникая во вторую среду.

Полное внутреннее отражение возникает из-за различия в показателях преломления двух сред. Показатель преломления – это величина, определяющая, насколько свет замедляется при переходе из одной среды в другую. Если показатель преломления первой среды больше, чем второй, то при достаточно большом угле падения свет полностью отражается.

Условия полного внутреннего отражения

Для возникновения полного внутреннего отражения необходимо соблюдение двух условий:

Угол падения должен быть больше критического угла

Критический угол – это угол падения света на границу раздела двух сред, при котором угол преломления становится 90 градусов. Если угол падения света превышает критический угол, то свет полностью отражается, не проникая во вторую среду.

Критический угол можно вычислить с помощью закона Снеллиуса:

n1 * sin(крит) = n2 * sin(90)

где n1 и n2 – показатели преломления первой и второй сред соответственно.

Таким образом, чтобы произошло полное внутреннее отражение, угол падения должен быть больше критического угла.

Показатель преломления первой среды должен быть больше, чем второй

Показатель преломления – это величина, определяющая, насколько свет замедляется при переходе из одной среды в другую. Если показатель преломления первой среды больше, чем второй, то при достаточно большом угле падения свет полностью отражается.

Например, воздух имеет показатель преломления около 1, а вода – около 1,33. Поэтому, если свет падает на поверхность воды под достаточно большим углом, он может полностью отразиться обратно в воздух.

Явление полного внутреннего отражения в природе

Полное внутреннее отражение – это явление, которое происходит, когда свет падает на границу раздела двух сред под определенным углом и полностью отражается обратно в первую среду, не проникая во вторую среду.

Одним из примеров полного внутреннего отражения в природе является явление “сияние морской волны”. Когда свет падает на поверхность воды под достаточно большим углом, он может полностью отразиться обратно в воздух. Это происходит из-за разницы в показателях преломления воздуха и воды. Показатель преломления воздуха равен примерно 1, а воды – около 1,33. При достаточно большом угле падения света на поверхность воды, угол преломления становится больше 90 градусов, что приводит к полному внутреннему отражению света. В результате этого явления, поверхность воды кажется светящейся и создает эффект сияния.

Полное внутреннее отражение также наблюдается во многих других природных явлениях, таких как светящиеся капли дождя, ледяные глыбы и даже внутри определенных минералов.

Применение полного внутреннего отражения в оптике

Полное внутреннее отражение имеет широкое применение в оптике и используется в различных устройствах и технологиях. Вот некоторые из них:

Оптические волокна

Оптические волокна – это тонкие стеклянные или пластиковые нити, которые используются для передачи световых сигналов на большие расстояния. Они работают на основе полного внутреннего отражения. Внутри оптического волокна есть ядро, которое имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка вокруг него. Когда свет попадает в оптическое волокно под определенным углом, он полностью отражается от границы ядра и оболочки и продолжает двигаться по волокну. Это позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния без значительных потерь.

Бинокли и телескопы

Бинокли и телескопы используют систему линз и зеркал для увеличения изображения. Внутри этих оптических приборов применяется полное внутреннее отражение для направления света и создания увеличенного изображения. Например, в телескопе Ньютоновского типа свет сначала попадает на зеркало, которое отражает его обратно к второму зеркалу, где происходит полное внутреннее отражение. Затем свет попадает в окуляр, где формируется увеличенное изображение.

Призмы

Призмы – это оптические элементы, которые используются для разделения света на составляющие его цвета или для изменения направления световых лучей. Внутри призмы свет может подвергаться полному внутреннему отражению, что позволяет изменять его путь и создавать различные эффекты. Например, треугольная призма может разложить белый свет на спектральные цвета, а призма с углом наклона может изменять направление света.

Оптические датчики

Полное внутреннее отражение также используется в оптических датчиках для обнаружения различных веществ и измерения параметров. Например, в оптических датчиках уровня жидкости свет падает на поверхность жидкости под определенным углом и полностью отражается обратно в датчик. Если уровень жидкости изменяется, то меняется угол падения света, что приводит к изменению отраженного света. Это позволяет определить уровень жидкости.

Таким образом, полное внутреннее отражение играет важную роль в оптике и находит применение в различных оптических устройствах и технологиях.

Применение полного внутреннего отражения в технике

Полное внутреннее отражение имеет широкое применение в различных технических устройствах и технологиях. Вот некоторые из них:

Оптические волокна

Оптические волокна – это тонкие стеклянные или пластиковые нити, которые используются для передачи световых сигналов на большие расстояния. Они работают на основе полного внутреннего отражения. Внутри оптического волокна есть ядро, которое имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка вокруг него. Когда свет попадает в оптическое волокно под определенным углом, он полностью отражается от границы ядра и оболочки и продолжает двигаться по волокну. Это позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния без значительных потерь.

Лазеры

Лазеры – это устройства, которые генерируют узконаправленный и когерентный свет. Внутри лазера используется полное внутреннее отражение для создания резонатора, который удерживает световые лучи внутри активной среды. Это позволяет усиливать световые лучи и создавать мощные и точные лазерные лучи, которые находят применение в медицине, науке, промышленности и других областях.

Оптические приборы

Полное внутреннее отражение используется в различных оптических приборах, таких как микроскопы, фотокамеры, видеокамеры и другие. Например, в микроскопе свет проходит через объектив, где происходит полное внутреннее отражение, и формирует увеличенное изображение объекта. В фотокамерах и видеокамерах полное внутреннее отражение используется в системе зеркал и объективов для направления света и создания изображения на фоточувствительном элементе.

Оптические волны в волноводах

Волноводы – это устройства, которые используются для передачи оптических волн в оптических системах. Они работают на основе полного внутреннего отражения. Внутри волновода световая волна распространяется по определенному пути, отражаясь от границы волновода. Это позволяет управлять и направлять световые волны в оптических системах, таких как интегральные схемы, оптические коммутаторы и другие.

Таким образом, полное внутреннее отражение играет важную роль в технике и находит применение в различных устройствах и технологиях, связанных с оптикой и светом.

Таблица сравнения полного внутреннего отражения и преломления света

Свойство	Полное внутреннее отражение	Преломление света
Определение	Явление, при котором свет, падая на границу раздела двух сред, отражается полностью внутри первой среды	Явление, при котором свет, падая на границу раздела двух сред, проникает во вторую среду и меняет направление распространения
Условия	1. Свет должен падать на границу раздела среды с большим показателем преломления 2. Угол падения должен быть больше критического угла	1. Свет должен падать на границу раздела двух сред 2. Угол падения должен быть отличным от нуля
Явление в природе	Наблюдается, например, при отражении света внутри оптического волокна	Наблюдается, например, при преломлении света в воде или стекле
Применение в оптике	Используется в оптических волокнах для передачи информации на большие расстояния	Используется в линзах, призмах и других оптических устройствах для изменения направления световых лучей
Применение в технике	Используется в фиброоптических системах связи, медицинской диагностике и других областях	Используется в оптических приборах, камерах, микроскопах и других устройствах

Заключение

В данной лекции мы рассмотрели понятие полного внутреннего отражения света. Мы узнали, что это явление происходит, когда свет падает на границу раздела двух сред и отражается полностью внутри более плотной среды. Для полного внутреннего отражения необходимо, чтобы угол падения был больше критического угла. Мы также рассмотрели применение этого явления в оптике и технике. Полное внутреннее отражение играет важную роль в создании оптических волокон, лазеров и других устройств. Это позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния и использовать их в различных технических приложениях.

Явление полного внутреннего отражения света: открытие и практическое применение обновлено: 6 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

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

Полное внутреннее отражение (англ. total internal reflection) — это явление, при котором свет, падающий на границу двух сред из среды с большим показателем преломления под углом, превышающим предельный угол α_пр , не преломляется, а полностью отражается, так что энергия падающего света отражается в первую среду.

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.).

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.

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).

Поэтому остается вопрос, каков вычислить этот предельный угол? Это максимальный угол падения, при котором мы еще можем говорить о явлении преломления. Затем, пройдя через границу сред, луч «скользит вдоль границы», и угол преломления составляет 90° (рис. 2.). Таким образом, закон преломления света принимает вид: sin ( α_пр ) / sin ( 90° ) = n₂ / n₁ . Преобразуя приведенную выше формулу, получаем: sin ( α_пр ) = sin ( 90° ) * ( n₂ / n₁ ) = n₂ / n₁ .

Предельным углом для вычисления полного отражения является угол, обратный функции синуса и отношения показателей преломления оптически менее плотной и оптически более плотной среды, то есть α_пр = arcsin ( n₂ / n₁ ) .

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 оптике показатель преломления n указывает на отношение длины волны λ или фазовой скорости c света в вакууме к скорости света в материале или среде ( c_ср ). Это определяет оптически более плотные среды и оптически менее плотные среды. Соответственно, показатель преломления без единиц измерения можно определить по следующей формуле: n = c / c_ср = λ / λ_ср .

Формула закона преломления света, как известно, определяется как отношение угла падения α и угла преломленного света β. Это должно быть равно отношению показателей преломления, то есть sin α / sin β = n₂ / n₁ .

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.

Это означает, что если n₁ > n₂, то при достаточно большом угле падения α , β уже не соответствует действительному (вещественному) числу: sin β = sin α * n₁/n₂ > 1.

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.

Показатель преломления воды составляет около 1,333 при 20°C, тогда как показатель преломления воздуха равен 1,000292. Из этого следует, что в данном примере вода является оптически более плотной средой, а воздух — оптически менее плотной средой, то есть n_воды > n_{воздуха} .

Поэтому предельный угол α_пр может быть рассчитан с помощью обратной функции синуса и отношения показателей преломления воздуха и воды, то есть α_пр = arcsin ( 1,000292 / 1,333 ) = 48,6 ° .

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).

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).

Если угол падения теперь больше предельного угла α_пр , равного 48,6°, мы говорим о полном внутреннем отражении. В этом случае свет полностью отражается на границе раздела сред, больше не преломляется и, следовательно, больше не проникает в воздух.

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.

Коэффициент экстинкции k используется для описания ослабления электромагнитных волн, например, за счет рассеяния или поглощения. Он определяется как произведение показателя преломления n и коэффициента поглощения κ, то есть k = n * κ .

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.

Они также используются для определения расстояния от Земли до Луны. Призма, которая служит здесь отражателем, находится на Луне. Если теперь направить лазер с Земли на эту призму, она отразит лазерный луч и отправит его обратно на Землю. Исходя из характеристики скорости света c, равной 300 000 км/с, и расчетного времени возврата t, равного примерно 2,55 с, получается, что расстояние составляет: s = c * t = 300 000 * (2,55 / 2) ≈ 382 500 км .

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:

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Учебник, Физика, 8 класс. Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский, В.В. Дорофейчик
3. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Физика – 9, Москва, Просвещение, 1990.