Сообщение полное внутреннее отражение

Обновлено: 02.07.2024

Закон отражения света был открыт в результате наблюдений и экспериментов. Конечно, это можно вывести теоретически, но все принципы, которые используются сейчас, определены и обоснованы на практике. Знание основных характеристик этого явления помогает при планировании освещения и выборе оборудования. Этот принцип работает и в других областях: радиоволны, рентгеновские лучи и т.д. Ведут себя точно так же при отражении.

Что такое отражение света и его разновидности, механизм

Закон формулируется следующим образом: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, имеющей перпендикуляр к отражающей поверхности, выступающей из точки падения. Угол падения равен углу отражения.

По сути, отражение — это физический процесс, в котором луч, частицы или излучение взаимодействуют с плоскостью. Направление волн меняется на границе двух сред, так как они обладают разными свойствами. Отраженный свет всегда возвращается в окружающую среду, откуда он исходит. Очень часто при отражении также наблюдается явление преломления волн.

Это схематическое объяснение закона отражения света.

Зеркальное отражение

В этом случае существует четкая взаимосвязь между отраженными и падающими лучами, это главная особенность данной разновидности. Вот несколько ключевых моментов о зеркальном отражении:

Отраженный луч всегда находится в плоскости, проходящей через падающий луч, и перпендикулярно отражающей поверхности, которая восстанавливается в точке падения.
Угол падения равен углу отражения светового луча.
Характеристики отраженного луча пропорциональны поляризации луча и углу падения. Кроме того, на индикатор влияют характеристики двух сред.

В случае зеркального отражения углы падения и отражения всегда одинаковы.

В этом случае показатели преломления зависят от свойств плоскости и характеристик света. Это отражение можно найти везде, где есть гладкие поверхности. Но для разных сред условия и принципы могут меняться.

Полное внутреннее отражение

Типично для звуковых и электромагнитных волн. Это происходит там, где встречаются две среды. В этом случае волны должны падать из среды с меньшей скоростью распространения. Что касается света, то можно сказать, что показатели преломления в этом случае значительно увеличиваются.

Полное внутреннее отражение характерно для водной поверхности.

Угол падения светового луча влияет на угол преломления. С увеличением его значения интенсивность отраженных лучей увеличивается, а интенсивность преломленных лучей уменьшается. При достижении определенного критического значения показатели преломления уменьшаются до нуля, что приводит к полному отражению лучей.

Критический угол рассчитывается индивидуально для разных сред.

Диффузное отражение света

Этот вариант отличается тем, что при попадании на неровную поверхность лучи отражаются в разные стороны. Отраженный свет просто рассеивается, поэтому вы не можете увидеть свое отражение на неровной или непрозрачной плоскости. Явление диффузии лучей наблюдается, когда неровности равны длине волны или превышают ее.

При этом одна и та же плоскость может диффузно отражать свет или ультрафиолетовое излучение, но при этом хорошо отражать инфракрасный спектр. Все зависит от характеристик волн и свойств поверхности.

Диффузное отражение хаотично из-за неровностей поверхности.

Обратное отражение

Это явление наблюдается, когда лучи, волны или другие частицы отражаются назад, то есть к источнику. Это свойство можно использовать в астрономии, естествознании, медицине, фотографии и других областях. Благодаря системе выпуклых линз в телескопах можно видеть свет звезд, невидимый невооруженным глазом.

Обратным отражением можно управлять за счет сферической формы отражающей поверхности.

важно создать определенные условия для возврата света к источнику, чаще это достигается за счет оптики и направления луча лучей. Например, этот принцип используется в ультразвуковых исследованиях, благодаря отраженным ультразвуковым волнам на мониторе выводится изображение исследуемого органа.

История открытия законов отражения

Формулы Френеля

Огюст Френель был французским физиком, который разработал ряд формул, широко используемых по сей день. Они используются для расчета интенсивности и амплитуды отраженных и преломленных электромагнитных волн. Кроме того, они должны проходить через резкую границу между двумя средами с разными значениями преломления.

Все явления, которые соответствуют формулам французского физика, называются отражением Френеля. Но следует помнить, что все полученные закономерности верны только тогда, когда средние изотропны и граница между ними четкая. В этом случае угол падения всегда равен углу отражения, а величина преломления определяется по закону Снеллиуса.

важно, что когда свет падает на плоскую поверхность, может быть два типа поляризации:

p-поляризация характеризуется тем, что вектор напряженности электромагнитного поля лежит в плоскости падения.
поляризация s отличается от первого типа тем, что вектор интенсивности электромагнитных волн перпендикулярен плоскости, в которой лежат как падающие, так и отраженные лучи.

Френель вывел целый ряд формул, которые позволяют выполнять все необходимые вычисления.

Формулы для ситуаций с разной поляризацией разные. Это связано с тем, что поляризация влияет на характеристики луча и по-разному отражается. Когда свет падает под определенным углом, отраженный луч может быть полностью поляризован. Этот угол называется углом Брюстера, он зависит от преломляющих характеристик среды на границе раздела.

Говоря о которых! Отраженный луч всегда поляризован, даже если падающий свет не поляризован.

Принцип Гюйгенса

Гюйгенс — голландский физик, которому удалось вывести принципы, позволяющие описывать волны любой природы. Именно с его помощью часто демонстрируются как закон отражения, так и закон преломления света.

Это простейшее схематическое изображение принципа Гюйгенса.

В данном случае под светом понимается плоская волна, то есть все поверхности волны плоские. В этом случае поверхность волны представляет собой набор точек с колебаниями в одной фазе.

Формулировка такова: каждая точка, до которой доходит возмущение, становится источником сферических волн.

Сдвиг Федорова

его еще называют эффектом Федорова-Амбера. В этом случае происходит смещение светового пучка с полным внутренним отражением. В этом случае смещение незначительное, оно всегда меньше длины волны. Из-за этого смещения отраженный луч не лежит в той же плоскости, что и падающий, что противоречит закону отражения света.

Диплом о научном открытии был вручен Ф.И. Федорову в 1980 году.

Боковое смещение лучей было теоретически доказано советскими учеными в 1955 году благодаря математическим расчетам. Что касается экспериментального подтверждения этого эффекта, то вскоре его сделал французский физик Эмбер.

Использование закона на практике

Примеры отражения света вездесущи.

Рассматриваемый закон гораздо более распространен, чем кажется. Этот принцип широко используется в различных сферах:

Зеркало — самый простой пример. Это гладкая поверхность, хорошо отражающая свет и другие виды излучения. Используются как плоские версии, так и элементы других форм, например, сферические поверхности позволяют отталкивать предметы, что делает их незаменимыми в качестве зеркал заднего вида в автомобиле.
Различные оптические устройства также работают в соответствии с обсуждаемыми принципами. Это включает в себя все, от очков, которые можно найти повсюду, до мощных телескопов с выпуклыми линзами или микроскопов, используемых в медицине и биологии.
Ультразвуковые аппараты также используют этот принцип. Ультразвуковое оборудование позволяет проводить точные исследования. Рентгеновские лучи распространяются таким же образом.
Микроволновые печи — еще один пример практического применения этого закона. Также сюда входит все оборудование, использующее инфракрасное излучение (например, приборы ночного видения).
Вогнутые зеркала позволяют улучшить характеристики фонарей и светильников. В этом случае мощность лампочки может быть намного ниже, чем без использования зеркального элемента.

Говоря о которых! Через отражение света мы видим луну и звезды.

Закон отражения света объясняет многие природные явления, а знание его характеристик позволило нам создать оборудование, которое широко используется в наше время.

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значениекоэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снеллиуса. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего показателя преломления к большему показателю, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

Впервые явление полного внутреннего отражения было описано Иоганном Кеплером в 1600-м году [1] .

Нарушенное полное внутреннее отражение — явление нарушения полного внутреннего отражения из-за поглощения отражающей средой части излучения [2] . Широко применяется в лабораторной практике и оптической промышленности [

Впервые явление полного внутреннего отражения было описано Иоганном Кеплером в 1600-м году [1] .

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.

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

Рассмотрим луч света, который переходит из среды с большим показателем преломления в вещество с меньшим абсолютным показателем преломления (например, из воды в воздух).

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).

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.

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.

Распространение электромагнитных волн в различных средах подчиняется законам отражения и преломления. Из этих законов при определенных условиях следует один интересный эффект, который в физике получил название полного внутреннего отражения света. Подробнее рассмотрим, что этот эффект собой представляет.

Отражение и преломление

Перед тем как переходить непосредственно к рассмотрению внутреннего полного отражения света, необходимо дать пояснение процессам отражения и преломления.

Вам будет интересно: Аномалии воды и их характеристика

Преломление - это, так же как и отражение, изменение направления движения света, но уже не в первой, а во второй среде. Результатом этого явления будет искажение очертаний предметов и их пространственного расположения. Бытовым примером преломления является излом карандаша или ручки, если он/она помещается в стакан с водой.

Преломление и отражение связаны друг с другом. Они практически всегда присутствуют вместе: часть энергии луча отражается, а другая часть преломляется.

Оба явления - это результат применение принципа Ферма. Он утверждает, что свет движется по такой траектории между двумя точками, которая займет у него наименьшее время.

Поскольку отражение - это эффект, происходящий в одной среде, а преломление - в двух средах, то для последнего важно, чтобы обе среды были прозрачными для электромагнитных волн.

Понятие о показателе преломления

Показатель преломления является важной величиной для математического описания рассматриваемых явлений. Показатель преломления конкретной среды определяется так:

Где c и v - скорости света в вакууме и веществе соответственно. Величина v всегда меньше, чем c, поэтому показатель n будет больше единицы. Безразмерный коэффициент n показывает, как сильно свет в веществе (среде) будет отставать от света в вакууме. Различие этих скоростей ведет к возникновению явления преломления.

Скорость света в веществе коррелирует с плотностью последнего. Чем плотнее среда, тем тяжелее свету в ней двигаться. Например, для воздуха n = 1,00029, то есть почти как для вакуума, для воды же n = 1,333.

Отражения, преломление и их законы

Основные законы преломления света и отражения могут быть записаны в следующем виде:

для отражения θ1 = θ2;
для преломления sin(θ1)*n1 = sin(θ3)*n2.

Анализ формулы для 2-го закона преломления

Чтобы понять, когда будет наступать внутреннее полное отражение света, следует рассмотреть закон преломления, который также носит название закона Снелла (голландский ученый, который его открыл в начале XVII века). Запишем еще раз формулу:

Видно, что произведение синуса угла луча к нормали на показатель преломления той среды, в которой этот луч распространяется, является величиной неизменной. Это означает, что если n1>n2, то для выполнения равенства необходимо, чтобы sin(θ1) sin(θ3)).

Внутреннее полное отражение света

Теперь перейдем к самому интересному. Рассмотрим ситуацию, когда световой пучок переходит из более плотной среды, то есть n1>n2. В этом случае θ1 Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Читайте также: