Вера Максимова
Оптика. Строение вещества. Ядерная физика

Полное внутреннее отражение

Ранее уже отмечалось, если свет падает из среды более оптически плотной в среду менее оптически плотную, то угол падения меньше угла преломления. Рассмотрим ход луча света падающего из воды на границу с воздухом.

Рисунок 7. Иллюстрация внутреннего отражения

На рисунке 7а луч света из воды попадает на границу раздела вода-воздух и преломляется, выйдя из воды, на больший угол, чем угол падения. При определенном угле падения луча на границу вода-воздух, вышедшего из воды, а именно, 49⁰ преломленный луч скользит по границе раздела (рисунок 7б). С увеличением угла падения, луч, преломляясь, распространяется опять в воде (рисунок 7в). Такое преломление называется полным внутренним отражением.

Пограничное состояния начала полного внутреннего отражения соответствует преломленному углу равным 90⁰ (рисунок 7б). При этом угол падения называется предельным углом полного внутреннего отражения. Учитывая, что sin90⁰ = 1, тогда из соотношения закона Снеллиуса можно определить минимальный угол падения луча, чтобы наблюдалось начало полного внутреннего отражения:

Необходимо отметить, что увеличивая угол падения до критического, энергия преломленного луча уменьшается. И по закону сохранения энергии возрастает энергия отраженного луча. При угле падения равному предельному углу энергия преломленного луча практически равна нулю, то преломленного угла практически не существует. При угле больше критического практически вся энергия луча сосредоточена в отраженном луче. Так как преломленного луча нет, а есть только отраженный, то это явление называется полным внутренним отражением.

Явление полного внутреннего отражения нашло широкое применение в науке и технике. Например, в выпущенный внутри оптико-волоконного кабеля луч света многократно отражается от стенок кабеля не выходя за его пределы распространяется на большое расстояние практически без потери энергии. Оптико-волоконные кабели используются для передачи сигналов кабельного телевидения и быстроскоростного интернета.

Диффузное и зеркальное отражение света

При рассмотрении закона отражения света, мы говорили, что поверхность на которую падает свет должна быть зеркальной. У такой поверхности величина микронеровностей соизмерима с длиной волны света. Длина волны света колеблется в диапазоне от 0.390 до 0,780 мкм. Здесь удобно рассмотреть технологию изготовления зеркала. На одну сторону пластинки стекла толщиной 4–6 мм наносится специальным путем, например, напылением тонкий слой серебра или алюминиевой пудры. После этого она становится белого цвета. После этого на напыленную поверхность наносится слой черной или коричневой краски. Это делается за тем, чтобы луч света не выходил из стеклянной пластины. Зеркало готово.

Луч света S попадает на внешнюю поверхность стекло зеркала под углом (рисунок 8а). Здесь происходит преломление луча S₂ и распространении его по толщине стекла. Часть луча S₁ (не более 3–5 процентов мощности светового луча) отражается от внешней поверхности в соответствии с законом отражения. Ввиду малости отражения мы не будем рассматривать отражение от внешней поверхности зеркала. Проходя через толщу стекла, луч света S₂ попадает на другую поверхность стеклянной пластины с нанесенным слоем серебра или алюминия. Здесь происходит отражение луча S₃ обратно в стекло до достижения внешней поверхности. На границе раздела стекло – воздух происходит отражение (S₄) и преломление (луч S₅) с дальнейшим прохождение луча в воздухе. На практике ввиду незначительной толщины стекла зеркала рассматривают только лучи падающий S и отраженный S₅ (рисунок 8б), пренебрегая преломлением и отражением от внутренней поверхности стекла.

Рассмотрим, как будет отражаться свет, если величина микронеровностей поверхности будет намного больше длины волны света. Возьмем кусок обычного плоского стекла. Он пропускает свет. Потрем его поверхность грубой наждачной бумагой или алмазной пастой. Поверхность

Рисунок 8. а – Фактическое прохождение светового луча в зеркале.

б – условно-принимаемое отражение светового луча в зеркале.

станет матового цвета. Через матовое стекло видны только расплывчатые контуры изображения (рисунок 9).

Рисунок 9. Изображение через матовое стекло.

Почему так происходит? В исходном состоянии стекло хорошо пропускает световые лучи, потому что его поверхность гладкая или иными словами зеркальная. При натирании поверхности наждачной бумагой или алмазной пастой возникают царапины на стекле. Они возникают вследствие того, что крошка на наждачной бумаге или частицы алмазной пасты более твердые, чем стекло. Царапины представляют собой микронеровности поверхности. При падении параллельного пучка света на поверхности по-разному ориентированные в пространстве, в соответствии с законом отражения света каждый луч будет отражаться под своим углом, как показано на рисунке 10а. Такое отражение называется диффузным. При попадании параллельных лучей света на зеркальную поверхность (гладкую) все они будут образовывать одинаковый угол падения. Поэтому под такими углами произойдет отражение. Вследствие этого отраженные лучи будут параллельны между собой (рисунок 10б).

Рисунок 10 Отражение света:

а – от шероховатой поверхности,

б – от зеркальной поверхности.

Формирование изображения в плоском зеркале

Плоское зеркало это часть плоскости зеркально отражающая свет. Пусть свет падает на зеркала (рисунок 11). По закону отражения каждый луч будет отражаться под тем углом под которым падал на зеркало. Расходящиеся отраженные лучи попадают в глаз и определяют точку их мнимого схождения. Эта точка А¹. Она не существует. Это умозрительное место схождения отраженных лучей. Истинная точк5а испускания лучей А и мнимая А¹ расположены симметрично плоскости зеркала.

Рисунок 11. Формирование изображения в зеркале

Линзы

Линза – это однородное оптически прозрачное тело, ограниченное с двух сторон поверхностями. Линзы изготавливают из стекла со специальными добавками. Поверхности линз бывают сферическими и плоскими. Более сложной формы линз практически не бывает. Служат линзы для рассмотрения мелких объектов, находящихся вблизи или крупных отдаленных предметов. Линзы применяются как отдельно, так и в совокупности некой оптической системы. Оптические системы, состоящие из линз, применяются в фотоаппаратах, биноклях, микроскопах, телескопах и других оптических системах. Чтобы понять, как работают эти приборы надо рассмотреть ход лучей в линзе.