Лабораторная работа № 1
Изучение законов отражения и преломления на границе двух диэлектрических сред. Определение угла полного внутреннего отражения на границе двух диэлектрических сред
Цель:
1) определить связь между углами падения, отражения и преломления излучения на границе двух диэлектрических сред;
2) изучить явление полного внутреннего отражения от границы оптически менее плотной среды.
Краткое теоретическое описание
Часть 1
Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.
1. Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны.
На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.
2. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.
3. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:
(1)
Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом (1621 г.).
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:
n = n2 / n1 (2)
Рис 1. иллюстрирует законы отражения и преломления света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.
Количество отраженной и преломленной энергии излучения зависит от коэффициента преломления и угла падения излучения.
 |
Рисунок 1. Законы отражения и преломления: γ = α; n 1 sin α = n 2 sin β
Часть 2
Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:
(3)
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:
n = n2 / n1 (4)
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной. При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n 2 < n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 2.).
Для угла падения α = αпр sin β = 1 значение sin αпр = n 2 / n 1 < 1.
Если второй средой является воздух (n 2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде
sin αпр = 1 / n, (5)
где n = n 1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.
Для границы раздела оргстекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) – αпр = 48,7°.
Рисунок 2.
Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света
 |
Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫС ПРОГРАММОЙ