Оптические явления на границе двух сред кратко

Обновлено: 05.07.2024

При падении световых лучей на идеально плоскую границу раздела двух сред происходят явления отражения и преломления света.

Углом падения называется угол между падающим лучом света и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения.

Углом отражения называется угол между отражённым лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке отражения.

Закон отражения световых лучей.

1)Луч падающий, отражённый и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;

2)Угол падения равен углу отражения.

Отношение скорости света с в вакууме к скорости света v в данной среде

n=c/v

называется абсолютным показателем преломления данной среды.

Углом преломления называется угол между преломлённым лучом света и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным в точке преломления.

Закон преломления световых лучей.

1)Луч падающий, преломлённый и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке преломления луча, лежат в одной плоскости;

2)отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления b есть величина постоянная для двух данных сред.

где n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления сред, а v₁ и v₂ – скорости света в граничащих средах.

n₂/n₁=n₂₁ называется относительным показателем преломления данных сред.

Если свет переходит из оптически более плотной среды (абсолютный показатель преломления больше) в оптически менее плотную среду, то при некотором угле падения угол преломления становится равным 90 о , при этом преломление света не происходит, свет во вторую среду не переходит, а отражается от границы раздела. Это явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения.

Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передаётся электронам вещества.

Если при попадании излучения на поверхность вещества электроны вещества начинают покидать поверхность, то такое явление называется внешним фотоэффектом. Если вылет электронов с поверхности вещества не наблюдается, то это – внутренний фотоэффект.

Опыты Столетова.

1). Излучение электродуги направлено на цинковую

пластинку. В цепи наблюдается ток, который назвали

2). Излучение электродуги направлено на медную

пластинку. Фототок отсутствует.

3). Если поменять полярность напряжения, т.е. цинковую

пластинку подсоединить к положительному полюсу, то фототок не наблюдается. Отсюда можно сделать вывод, что цинковая пластина под действием света испускает электроны, которые создают фототок.

Вольтамперная характеристика фототока имеет следующие особенности.

а) Фототок наблюдается даже в отсутствии напряжения и при

некотором обратном напряжении. Следовательно, электроны,

покинувшие пластинку под действием излучения, обладают

кинетической энергией, достаточной для преодоления межэлектродного пространства.

б) При некотором значении напряжения сила фототока перестаёт зависеть от напряжения, т.е. не увеличивается с увеличением напряжения. Следовательно, все электроны, покинувшие катод, достигают анода. Получаем ток насыщения.

в) При некотором значении обратного напряжения, которое называется задерживающим, фототок прекращается. Это объясняется тем, что электрическое поле тормозит вылетевший с анода электрон, кинетическая энергия электрона уменьшается. Изменение кинетической энергии равно работе сил поля. Если работа сил поля на межэлектродном промежутке равна кинетической энергии вылетевшего электрона, то электрон до противоположного электрода не долетает и фототок не наблюдается.

Столетов экспериментально установил законы внешнего фотоэффекта.

1.Фототок насыщения – максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, - прямопропорционально интенсивности падающего излучения.

2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

3.Для каждого вещества существует граничная частота n_min такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения.

Объяснил явление фотоэффекта Эйнштейн, используя теорию Планка, согласно которой свет излучается веществом порциями или квантами. Эйнштейн предположил, что электромагнитная волна состоит из частиц – фотонов и поглощается веществом также порциями. Энергия фотона равна энергии кванта света.

Е=hn,где h=6,63 10 -34 Дж с – постоянная Планка

Энергия поглощённого фотона частично расходуется на совершение работы по преодолению сил, удерживающих электрон внутри вещества, а остаток равен кинетической энергии вылетевшего электрона. Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна.

hn=А_о+ mv 2 /2

где Ао – работа выхода – работа, которую необходимо совершить для того, чтобы электрон вылетел с поверхности вещества.

Из уравнения Эйнштейна можно объяснить все законы фотоэффекта.

БИЛЕТ 22

Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома и её неустойчивость с точки зрения классической электродинамики. Строение атома водорода по Бору. Постулаты Бора.

Основные положения ядерной модели атома, предложенной Резерфордом.

1) В центре атома расположено ядро размером d£10 -14 м;

2) Почти вся масса атома (99,96%) сосредоточена в положительно заряженном ядре. Заряд ядра q=+Ze, где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а е – заряд электрона;

3) Электроны под действием кулоновских сил движутся по замкнутым орбитам вокруг ядра. Число электронов равно Z. Суммарный заряд электронов q=-Ze, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Такая модель называется планетарной.

Недостатки планетарной модели атома.

1) Электроны при движении по орбитам с ускорением должны непрерывно излучать электромагнитные волны с частотами, равными частотам их обращения вокруг ядра;

2) Так как излучение сопровождается потерей энергии, электроны за время порядка 10 -13 с должны упасть на ядро, и атом прекратит своё существование;

3) Частота вращения электрона по мере приближения к ядру будет изменяться непрерывно, т.е. спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым.

Н.Бор предложил квантовую модель атома, в основе которой лежат следующие постулаты.

1) Электрон в атоме может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, атом не излучает.

Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме.

Особенности a-распада:

1)наблюдается для тяжёлых ядер с А>200;

2)энергия частиц лежит в пределах от 2 до 9 МэВ;

3)энергии и скорости испускаемых a-частиц в пучке очень близки друг к другу.

Проникающая способность a-частиц мала.

b-излучение – это испускание электронов. Реакции, сопровождаемые b-излучением, называются b-распадом.

b-распад может быть записан следующим образом

Особенности b-распада:

1)наблюдается для тяжёлых и средних ядер;

2)скорости электронов сильно различаются по величине.

Проникающая способность b-частиц гораздо больше, чем у a-частиц.

g-излучение –этофотоны очень большой энергии.

Закон отражения световых лучей.

2)Угол падения равен углу отражения.

Отношение скорости света с в вакууме к скорости света v в данной среде

n=c/v

называется абсолютным показателем преломления данной среды.

Закон преломления световых лучей.

2)отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления b есть величина постоянная для двух данных сред.

где n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления сред, а v₁ и v₂ – скорости света в граничащих средах.

n₂/n₁=n₂₁ называется относительным показателем преломления данных сред.

Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Опыты Столетова.

1). Излучение электродуги направлено на цинковую

пластинку. В цепи наблюдается ток, который назвали

2). Излучение электродуги направлено на медную

пластинку. Фототок отсутствует.

3). Если поменять полярность напряжения, т.е. цинковую

Вольтамперная характеристика фототока имеет следующие особенности.

а) Фототок наблюдается даже в отсутствии напряжения и при

некотором обратном напряжении. Следовательно, электроны,

покинувшие пластинку под действием излучения, обладают

кинетической энергией, достаточной для преодоления межэлектродного пространства.

Столетов экспериментально установил законы внешнего фотоэффекта.

Е=hn,где h=6,63 10 -34 Дж с – постоянная Планка

hn=А_о+ mv 2 /2

Из уравнения Эйнштейна можно объяснить все законы фотоэффекта.

БИЛЕТ 22

Основные положения ядерной модели атома, предложенной Резерфордом.

1) В центре атома расположено ядро размером d£10 -14 м;

Такая модель называется планетарной.

Недостатки планетарной модели атома.

Н.Бор предложил квантовую модель атома, в основе которой лежат следующие постулаты.

Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме.

Особенности a-распада:

1)наблюдается для тяжёлых ядер с А>200;

2)энергия частиц лежит в пределах от 2 до 9 МэВ;

3)энергии и скорости испускаемых a-частиц в пучке очень близки друг к другу.

Проникающая способность a-частиц мала.

b-излучение – это испускание электронов. Реакции, сопровождаемые b-излучением, называются b-распадом.

b-распад может быть записан следующим образом

Особенности b-распада:

1)наблюдается для тяжёлых и средних ядер;

2)скорости электронов сильно различаются по величине.

Проникающая способность b-частиц гораздо больше, чем у a-частиц.

g-излучение –этофотоны очень большой энергии.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

На границе раздела двух сред наблюдаются: отражение, преломление и поглощение света. Отражение, преломление и поглощение падающего на тело излучения зависит от рода вещества, состояния поверхности, состава излучения и угла падения.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, называется углом падения (α).

Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и отраженным лучом называется углом отражения (γ).

Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и преломленным лучом называется углом преломления (β).

Отражение света.

Отражение, при котором пучок параллельных лучей преобразуется врасходящийся, называется диффузным.

Диффузное, или рассеянное, отражение позволяет нам видеть тела.

Отражение, при котором пучок параллельных лучей остается параллельным, называется зеркальным.

Законы отражения света.

Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности.
Угол отражения луча равен углу его падения Δα=Δγ.

Законы отражения света были известны еще древним грекам, но теоретическое доказательство стало возможно только на основе принципа Гюйгенса.

Принцип Гюйгенса (1690)

Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных сферических волн, огибающая которых показывает новое положение волнового фронта. Например, сферическая волна распространяется в изотропной среде, т. е. скорость волны одинакова по всем направлениям. Пусть в момент времени 1 фронт волны находится в положении 1. За время Δt вторичная волна от каждой точки волновой поверхности распространится на расстояние

R=υ . Δt по направлению луча. Огибающая этих элементарных волн (линия 2) определяет новое положение волнового фронта. Так ведут себя волны на поверхности воды: имеют форму окружностей. Используя рассмотренный принцип, можно объяснить отражение, дифракцию и другие явления.

Изображение в плоском зеркале.

Из множества лучей, падающих из точки S на зеркало MN, выделим три произвольных луча: SO, SO₁, SO₂. Каждый луч отразится от зеркала под таким же углом, под каким падает на зеркало. Если продолжить отраженные лучи за зеркало MN, то они сойдутся в точке S₁. Глаз воспринимает их как бы исходящими из точки S₁. Т.о. точка S₁ является изображением точки S в зеркале.

Изображение любого предмета в плоском зеркале равно по размерам самому предмету и расположено относительно зеркала симметрично предмету.

Для построения изображения предмета в плоском зеркале достаточно построить точки, симметричные точкам предмета.

Геометрическая оптика рассматривает световые явления на основе представлений о бесконечно тонком световом луче – линии, указывающей направление распространения световой энергии. Наблюдения показывают, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Отражение света в зеркальной поверхности пруда

Преломление света на границе воздух-вода

На границе раздела двух прозрачных сред свет частично отражается так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и распространиться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Угол отражения равен углу падения.

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 к синусу угла преломления есть величина, постоянная для двух данных сред.

n – относительным показателем преломления второй среды относительно первой и равен отношению их абсолютных показателей преломления или отношению скоростей света в средах.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления (n₁ и n₂).

В соответствии с теорией Х. Гюйгенса свет – волновой процесс. В 1678 г. он сформулировал общий для всех волн принцип .

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, начиная с некоторого угла падения, вся световая энергия отражается от границы раздела сред в оптически более плотную среду. Это явление получило название полного внутреннего отражения.

Т. к. α=90 0 , то sin90 0 =1

α₀ – наименьший угол, при котором происходит полное внутреннее отражение называется предельным углом полного внутреннего отражения

Примеры использования в технике и наблюдения в природе полного внутреннего отражения света:

Поворотные призмы используют вместо зеркал в перископах, а оборачивающие призмы применяют в биноклях.

Показан ход лучей в поворотной призме.

При правильной огранке алмазов свет многократно отражается от внутренних граней кристалла, что приводит к “игре” света в кристалле.

В лучах Солнца капли росы блестят потому, что падающий на них солнечный свет многократно отражается на границе раздела двух сред внутри капли, прежде чем выйди наружу.

Рассмотрим основные явления, происходящие на границе раздела двух сред, предполагая, что плоская ультразвуковая волна падает на плоскую границу раздела двух полубесконечных сред. Предположим также, что граница раздела – гладкая, то есть на ней отсутствует рассеяние ультразвука, связанное с шероховатостью поверхности. Будем считать, что ультразвуковые волны подчиняются законам геометрической акустики.

В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.

Отражениемназывается изменение направления волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.

Преломлением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.

Трансформацией (расщепление) называется преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.

При падении продольной волны С_l из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:

c_l₁ – отраженная продольная волна;

c_t₁ – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

c_l₂ - преломленная продольная волна;

c_t₂ – преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

При падении поперечной волны С_t из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:

c_t₁ – отраженная поперечная волна;

c_l₁ – отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

c_t₂ – преломленная поперечная волна;

c_l₂ - преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.

На границе раздела углы отсчитываются от нормали (перпендикуляра) к поверхности раздела двух сред, проходящей через точку падения.

Углы отражения и преломления зависят от скоростей звука в обеих средах и связаны между собой законом Снеллиуса:

β с соответствующими индексами - углы падения и отражения,

α – углы преломления

c с соответствующими индексами – скорости распространения продольной и поперечной в соответствующих средах.

Из выражения следует, что угол отражения для волн одного типа равен углу падения.

Ранее отмечалось, что направление смещения частиц в поперечной волне перпендикулярно направлению распространения волны. Эта особенность поперечной волны обуславливает возможность возникновения поляризации.

Поляризацией называется нарушение симметрии распределения смещений и скоростей в упругих волнах относительно направления распространения.

В частности, в поперечной волне с_t₂, возникающей вследствие трансформации, частицы колеблются в плоскости падения (плоскость, перпендикулярная к границе раздела, проходящая через падающий луч с_l₁ и нормаль к границе раздела) в направлении v.

Поперечная волна, в которой частицы колеблются в плоскости падения, называется вертикально-поляризованной или SV-волной.

Поперечные волны, широко применяемые в практике ультразвукового контроля, являются SV-волнами.

Если частицы при распространении поперечной волны колеблются перпендикулярно плоскости падения, то есть вдоль границы раздела двух сред, волна называется горизонтально-поляризованной или SH-волной.

Свойства SH иSV – волн различны. SH – волны могут быть возбуждены только с помощью специальных преобразователей (например электромагнитно-акустических) и применяются в системах автоматизированного контроля.

В продольной волне явление поляризации возникнуть не может. Скорость поперечных волн, их затухание, некоторые другие свойства могут зависеть от вида поляризации. Поляризация может возникнуть:

- при преломлении и отражении волн на границе двух сред;

- из-за отсутствия симметрии в возбуждающем волну излучателе;

- при формировании волны в анизотропной среде.

При падении продольной волны С_l из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:

c_l₁ – отраженная продольная волна;

c_t₁ – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

c_l₂ - преломленная продольная волна;

c_t₂ – преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

При падении поперечной волны С_t из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:

c_t₁ – отраженная поперечная волна;

c_l₁ – отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

c_t₂ – преломленная поперечная волна;

c_l₂ - преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.

β с соответствующими индексами - углы падения и отражения,

α – углы преломления

Из выражения следует, что угол отражения для волн одного типа равен углу падения.

Поперечные волны, широко применяемые в практике ультразвукового контроля, являются SV-волнами.

Оптические явления на границе раздела двух сред

На границе раздела двух сред наблюдаются: отражение, преломление и поглощение света. Отражение, преломление и поглощение падающего на тело излучения зависит от рода вещества, состояния поверхности, состава излучения и угла падения.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, называется углом падения (α).

Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и отраженным лучом называется углом отражения (γ).

Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и преломленным лучом называется углом преломления (β).

Отражение света.

Отражение, при котором пучок параллельных лучей преобразуется в расходящийся, называется диффузным.

Диффузное, или рассеянное, отражение позволяет нам видеть тела.

Отражение, при котором пучок параллельных лучей остается параллельным, называется зеркальным.

Законы отражения света.

1. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности.

$\angle \alpha = \angle \gamma$

2. Угол отражения луча равен углу его падения .

Читайте также: