Заломлення світла у склі. Приклади значень для різних речовин

• Кутом падінняα називається кут між падаючим променем світла та перпендикуляром до межі розділу двох середовищ, відновленим у точці падіння (рис. 1).

• Кутом відображенняβ називається кут між відбитим променем світла і перпендикуляром до поверхні, що відбиває, відновленим у точці падіння (див. рис. 1).

• Кутом заломленняγ називається кут між заломленим променем світла та перпендикуляром до межі розділу двох середовищ, відновленим у точці падіння (див. рис. 1).

• Під променемрозуміють лінію, вздовж якої переноситься енергія електромагнітної хвилі. Умовимося зображати оптичні промені графічно за допомогою геометричних променів зі стрілками. У геометричній оптиці хвильова природа світла не враховується (див. рис. 1).

• Промені, що виходять з однієї точки, називають розбіжними, а збираються в одній точці - схожими. Прикладом променів, що розходяться, може служить спостерігається світло далеких зірок, а прикладом схожих - сукупність променів, що потрапляють у зіницю нашого ока від різних предметів.

При вивченні властивостей світлових променів були експериментально встановлені чотири основні закони геометричної оптики:

• закон прямолінійного поширення світла;
• закон незалежності світлових променів;
• закон відображення світлових променів;
• закон заломлення світлових променів

Заломлення світла

Вимірювання показали, що швидкість світла в речовині υ завжди менша за швидкість світла у вакуумі c.

• Відношення швидкості світла у вакуумі cдо її швидкості в даному середовищі υ називається абсолютним показником заломлення:

\(n=\frac(c)(\upsilon).\)

Словосполучення « абсолютний показник заломлення середовища» часто замінюють « показник заломлення середовища».

Розглянемо промінь, що падає на плоску межу розділу двох прозорих середовищ із показниками заломлення n 1 та n 2 під деяким кутом (рис. 2).

• Зміна напряму поширення променя світла під час проходження через межу розділу двох середовищ називається заломленням світла.

Закони заломлення:

• відношення синуса кута падіння α до синуса кута заломлення γ є величина постійна для двох даних середовищ

\(\frac(sin \alpha )(sin \gamma )=\frac(n_2)(n_1).\)

• промені, що падає та заломлений, лежать в одній площині з перпендикуляром, проведеним у точці падіння променя до площини межі розділу двох середовищ.

Для заломлення виконується принцип оборотності світлових променів:

• промінь світла, що поширюється шляхом заломленого променя, переломившись у точці Oна межі розділу середовищ, поширюється далі шляхом падаючого променя.

З закону заломлення випливає, що якщо друге середовище оптично більш щільне через перше середовище,

• тобто. n 2 > n 1 , то α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha)(sin \gamma ) > 1 \right)\) (рис. 3 а);
• якщо n 2 < n 1 , то α< γ (рис. 3, б).

Перші згадки про заломлення світла у воді та склі зустрічаються у праці Клавдія Птолемея «Оптика», що вийшов у світ у II столітті нашої ери. Закон заломлення світла експериментально встановлено в 1620 р. голландським ученим Віллебродом Снелліусом. Зауважимо, що незалежно від Снелліуса, закон заломлення був також відкритий Рене Декартом.

Закон заломлення світла дозволяє розраховувати перебіг променів у різних оптичних системах.

На межі розділу двох прозорих середовищ зазвичай одночасно із заломленням спостерігається відбиток хвиль. Відповідно до закону збереження енергії сума енергій відображена W o та заломленою W np хвиль дорівнює енергії падаючої хвилі W n:

W n = W np + W o.

Повне відображення

Як уже говорилося вище, при переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне середовище ( n 1 > n 2), кут заломлення γ стає більшим за кут падіння α (див. рис. 3, б).

У міру збільшення кута падіння α (рис. 4), при деякому його значенні α 3 кут заломлення стане γ = 90°, тобто світло не потраплятиме в друге середовище. При кутах великих α 3 світло тільки відображатиметься. Енергія заломленої хвилі W npпри цьому стане рівною нулю, а енергія відбитої хвилі дорівнюватиме енергії падаючої: W n = W o. Отже, починаючи з цього кута падіння α 3 (надалі позначатиме його α 0), вся світлова енергія відбивається від межі розділу цих середовищ.

Це явище отримало назву повне відображення (див. рис. 4).

• Кут α 0 при якому починається повне відображення, називається граничним кутом повного відображення.

Значення кута α 0 визначається із закону заломлення за умови, що кут заломлення γ = 90°:

\(\sin \alpha_(0) = \frac(n_(2))(n_(1)) \;\;\;\left(n_(2)< n_{1} \right).\)

Література

Жилко, В.В. Фізика: навч. Посібник для 11 класу загальноосвіт. шк. з рос. яз. навчання/В.В.Жилко, Л.Г.Маркович. - Мінськ: Нар. Асвета, 2009. – С. 91-96.

Без сумніву, ви знаєте, як герої роману Жюля Верна "Таємничий острів", занедбані на безлюдну землю, здобули вогонь без сірників і кресала. і тверде знання ним законів фізики... Пам'ятайте, як здивувався наївний моряк Пенкроф, коли, повернувшись з полювання, знайшов інженера та журналіста перед багаттям, що палало.
- Але хто ж запалив вогонь? - запитав моряк.
- Сонце, - відповів Спілет.
Журналіст не жартував. Справді, Сонце доставило вогонь, яким так захоплювався моряк. Він не вірив своїм очам і був настільки здивований, що навіть не міг розпитувати інженера.
- Значить, у вас було запалювальне скло? - Запитав інженера Герберт.
- Ні, але я його зробив.
І він його показав. Це були просто два скла, зняті інженером зі свого годинника і годинника Спілетта. Він з'єднав їхні краї глиною, попередньо наповнивши водою, і таким чином вийшла справжня запальна сочевиця, за допомогою якої, зосередивши сонячне проміння на сухому моху, інженер дістав вогонь”.
Читач забажає, я думаю, дізнатися, навіщо потрібно заповнювати водою простір між годинниковим склом: хіба наповнена повітрям двоопукла сочевиця не зосереджує променів?
Саме ні. Годинне скло обмежене двома паралельними (концентричними) поверхнями – зовнішньою та внутрішньою; а відомо з фізики, що, проходячи через середовище, обмежене такими поверхнями, промені майже не змінюють свого напряму. Проходячи потім через друге таке саме скло, вони і тут не відхиляються, а отже, не збираються у фокусі. Щоб зосередити промені в одній точці, необхідно заповнити простір між склом якоюсь прозорою речовиною, яка б заломлювала промені сильніше, ніж повітря. Так і вчинив інженер у романі Жюля Верна.
Звичайний графин з водою, якщо має кулясту форму, також може бути запальною сочевицею. Це знали вже давні, які помітили і те, що сама вода залишається холодною. Траплялося навіть, що графин, що стояв на відкритому вікні, з водою запалював фіранки, скатертину, обвугував стіл. Ті величезні кульові пляшки з забарвленою водою, які, за старовинним звичаєм, прикрашали раніше вітрини аптек, могли бути іноді причиною справжніх катастроф, викликаючи спалах легкозаймистих речовин, розташованих поблизу.
Невеликою круглою колбою, наповненою водою, можна навіть при невеликих розмірах колби довести до кипіння воду, налиту на годинникове скельце: для цього достатньо колби сантиметрів 12 діаметром. При 15 см у фокусі виходить температура 120°. Запалити цигарку за допомогою колби з водою так само легко, як і скляною сочевицею, про яку Ломоносов у своєму вірші "Про користь скла" писав:

Ми полум'я сонячне скло тут отримуємо
І Прометею тим безбідно наслідуємо.
Лаючись підлості нескладних оних брехань,
Небесним без гріха вогнем куримо тютюн.

Слід зазначити, однак, що запальна дія водяних лінз значно слабша за скляні. Це пов'язано, по-перше, з тим, що заломлення світла у воді набагато менше, ніж у склі, по-друге, вода сильно поглинає інфрачервоні промені, які відіграють велику роль у нагріванні тіл.
Цікаво, що запальна дія скляних сочевиць відома була ще давнім грекам, більш ніж за тисячоліття раніше винаходу окулярів та зорових труб. Про нього згадує Арістофан у знаменитій комедії "Хмари". Сократ пропонує Стрептіаду завдання:
"Якби хтось писав зобов'язання на тебе в п'яти талантах, як би ти знищив його?"
Стрептіад. Знайшов я, як винищити зобов'язання, та такий спосіб, що ти й сам визнаєш його найхитрішим! Бачив ти, звичайно, в аптеках камінь чудовий, прозорий, яким запалюють?
Сократ. Запальне скло?
Стрептіад. Точно так.
Сократ. Що ж далі?
Стрептіад. Поки нотаріус пише, я, ставши за ним, спрямую промені Сонця на зобов'язання, та слова все й розтоплю…”
Нагадаю для пояснення, що греки часів Арістофана писали на навощених дощечках, які легко розтоплювалися від тепла.

Як видобути вогонь за допомогою льоду?

Матеріалом для двоопуклої лінзи, а отже, і для добування вогню, може послужити також лід, якщо він досить прозорий. При цьому крига, заломлюючи промені, сама не нагрівається і не тане. Показник заломлення льоду лише трохи менше, ніж у води, і якщо, як ми бачили, можна видобути вогонь за допомогою кулі, наповненої водою, то можна зробити це і за допомогою сочевиці з льоду.
Крижана сочевиця послужила хорошу службу в жюль-верновом "Подорожі капітана Гаттераса". Лікар Клоубоні таким чином запалив багаття, коли мандрівники втратили кресало і опинилися без вогню, при страшному морозі в 48 градусів.
- Це нещастя, - сказав Гаттерас лікареві.
– Так, – відповів той.
– У нас немає навіть підзорної труби, з якої ми могли б зняти сочевицю та здобути вогню.
- Знаю, - відповів лікар, - і дуже шкода, що ні: сонячне проміння досить сильне, щоб запалити трут.
- Що робити, доведеться вгамувати голод сирою ведмежатиною, - зауважив Гаттерас.
- Так, - задумливо промовив лікар, - у крайньому випадку. Але чому б нам не...
– Що ви задумали? – поцікавився Гаттерас.
– Мені спала на думку думка…
– Думка? – вигукнув боцман. – Якщо вам спало на думку, значить, ми врятовані!
- Не знаю, як вдасться, - вагався лікар.
— Що ви придумали? – спитав Гаттерас.
– У нас немає сочевиці, але ми її виготовимо.
– Як? – поцікавився боцман.
- Відшліфуємо зі шматка льоду.
– Невже ви вважаєте…
– Чого б і ні? Адже потрібно тільки, щоб промені Сонця були зведені в одну точку, а для цієї мети крига може замінити нам найкращий кришталь. Тільки я вважав би за краще шматочок прісноводного льоду: він міцніший і прозоріший.
- Ось, якщо не помиляюся, ця крижана брила, - вказав боцман на крижину кроків за сто від мандрівників - судячи з її кольору, є саме те, що вам треба.
- Ви маєте рацію. Візьміть свою сокиру. Ходімо друзі мої.
Всі троє попрямували до вказаної крижаної брили Справді, крига виявилася прісноводною.
Лікар наказав відрубати шматок льоду, що має фут у діаметрі і почав зрівнювати його сокирою. Потім обробив його ножем, нарешті поступово відшліфував рукою. Вийшла прозора сочевиця, немов із кращого кришталю. Сонце було досить яскраве. Лікар підставив сочевицю його променям і зосередив їх на труті. За кілька секунд трут спалахнув”.

Рис 113. "Доктор зосередив промені Сонця на труті".
Розповідь Жюля Верна не зовсім фантастичний: досліди запалювання дерева за допомогою крижаної сочевиці, вперше успішно виконані в Англії з дуже великою сочевицею ще 1763 р., з того часу неодноразово проводилися з успіхом. Звичайно, важко виготовитипрозорукрижану сочевицю за допомогою таких знарядь, як сокира, ніж і "просто рука" (при 48-градусному морозі!), Але можна виготовити крижану сочевицю простіше: налити води в чашку належної форми і заморозити, а потім, злегка підігрів чашку, вийняти з|із| її готову сочевицю.

Рис. 114. Чашка для виготовлення крижаної сочевиці.
Проробляючи подібний досвід, не забувайте, що він вдається лише в ясний морозний день і на відкритому повітрі, але не в кімнаті за шибкою: скло поглинає значну частину енергії сонячних променів і залишається недостатньо, щоб викликати значне нагрівання.

За допомогою сонячних променів

Зробіть ще досвід, теж легко здійсненний у зимовий час. Покладіть на сніг, що заливається сонячним світлом, два однакові величини клаптя тканини, світлий і чорний. Через годину чи дві ви переконаєтеся, що чорний клаптик поринув у сніг, тим часом як світлий залишився на колишньому рівні. Дошукатися причини такої відмінності неважко: під чорним клаптем сніг тане сильніше, тому що темна тканина поглинає більшу частину сонячних променів, що падають на неї; світла ж, навпаки, більшу частину їх розсіює і тому слабше нагрівається, ніж темна.
Повчальний досвід цей вперше виконаний був знаменитим борцем за незалежність Сполучених Штатів Веньямином Франкліном, який знесмертив себе, як фізик, винаходом громовідводу. "Я взяв у кравця кілька квадратних шматочків сукна різних кольорів, - писав він. - Між ними були: чорний, темно-синій, світло-синій, зелений, пурпуровий, червоний, білий і різні інші кольори та відтінки. В один світлий сонячний ранок я поклав усі ці шматки на сніг.Через кілька годин чорний шматок, що нагрівся сильніше за інших, поринув так глибоко, що промені Сонця більше його не досягали, темно-синій занурився майже так само, як і чорний; опустилися тим менше, ніж вони світліші, а білий залишився на поверхні, тобто зовсім не опустився”.
"До чого придатна була б теорія, якби з неї не можна було отримати жодної користі? - вигукує він з цього приводу і продовжує: - Хіба не можемо ми з цього досвіду вивести те, що чорна сукня в теплому сонячному кліматі менш придатна, ніж біла , оскільки воно на сонці сильніше нагріває наше тіло, і якщо ми при цьому ще робитимемо рухи, які самі по собі нас зігрівають, то утворюється зайва теплота? яка викликає у деяких сонячний удар?.. Далі, чорні стіни не можуть хіба поглинути протягом дня стільки сонячної теплоти, щоб вночі залишитися певною мірою теплими і захистити фрукти від морозу? важливості?”
Які можуть бути ці висновки та корисні застосування, показує приклад німецької південно-полярної експедиції 1903 р. на кораблі "Гаусс”. Судно вмерзло в лід, і всі звичайні способи звільнення не привели до жодних результатів. Вибухові речовини та пилки, пущені у справу , видалили всього кілька сотень кубометрів льоду і не звільнили корабля, тоді звернулися за допомогою сонячних променів: з темної попелу та вугілля влаштували на льоду смугу в 2 км довжини та в десяток метрів ширини, вона вела від корабля до найближчої широкої щілини у льоду. ясні довгі дні полярного літа, і сонячні промені зробили те, чого не могли зробити динаміт і пила, лід, зневірившись, зламався вздовж насипаної смуги, і корабель звільнився від льоду.

Старе та нове про міражів

Ймовірно, всім відомо, у чому полягає фізична причина звичайного міражу. Розпечений спекою пісок пустелі набуває дзеркальних властивостей тому, що прилеглий до нього нагрітий шар повітря має меншу щільність, ніж вищележачі шари. Похилий промінь світла від дуже далекого предмета, досягнувши цього повітряного шару, викривляє в ньому свій шлях так, що надалі він знову віддаляється від землі і потрапляє в око спостерігача, ніби відбившись від дзеркала під великим кутом падіння. І спостерігачеві здається, що перед ним розстилається у пустелі водна гладь, що відбиває прибережні предмети (рис. 115).

Рис. 115. Як виникає міраж у пустелі. Цей малюнок, який зазвичай відтворюється в підручниках, представляє шлях світлового променя нахиленим до землі перебільшено круто.
Правильніше було б, втім, сказати, що нагрітий шар повітря поблизу розпеченого ґрунту відбиває промені не на кшталт дзеркала, а на зразок водної поверхні, що розглядається з глибини води. Тут відбувається не просте відображення, а те, що на мові фізики називається "внутрішнім відображенням". Для цього необхідно, щоб промінь світла вступав у повітряні шари дуже порожнього – більш порожнього, ніж показано на нашому спрощеному рис. 115; інакше не буде перевищено " граничний кут падіння променя, а без цього не виходить внутрішнього відображення.
Зазначимо принагідно один пункт цієї теорії, що може породити непорозуміння. Викладене пояснення вимагає такого розташування повітряних шарів, при якому щільніші шари перебували б вище, ніж менш щільні. Ми знаємо, однак, що щільне, важке повітря прагне опуститися і витіснити легкий шар газу, що лежить під ним. Як же може існувати те розташування шарів щільного і розрідженого повітря, яке необхідне появи міражу?

Рис. 116. Міраж на гудронованому шосе.
Розгадка у тому, що необхідне розташування повітряних шарів буває над нерухомому повітрі, а повітрі, що у русі. Нагрітий грунтом шар повітря не лежать на ньому, а безперервно витісняється вгору і відразу змінюється новим шаром нагрітого повітря. Безперервна зміна обумовлює те, що до розжареного піску завжди прилягає деякий шар розрідженого повітря, нехай не одного й того ж, але це вже байдуже до ходу променів.
Той рід міражу, який ми розглядаємо, відомий з давніх-давен. У сучасній метеорології його називають "нижнім" міражем (на відміну від "верхнього", що породжується відображенням променів світла шарами розрідженого повітря верхніх областей атмосфери). Більшість людей переконані, що цей класичний міраж може спостерігатися тільки в спекотному повітрі південних пустель і не буває в північніших широтах.
Тим часом нижній міраж нерідко трапляється і в наших краях. Особливо часті подібні явища в літню пору на асфальтових і гудронованих дорогах, які завдяки темному кольору сильно нагріваються на сонці. Матова поверхня дороги здається тоді здалеку наче политою водою і відбиває віддалені предмети. Хід променів світла у своїй міражі показаний на рис. 116. За певної спостережливості подібні явища можна бачити не так рідко, як прийнято думати.
Є ще рід міражу – міражбічний, про існування якого навіть не підозрюють. Це – віддзеркалення від нагрітої прямовисної стіни. Такий випадок описано одним французьким автором. Наближаючись до форту фортеці, він помітив, що рівна бетонна стіна форту раптом заблищала, як дзеркало, відбиваючи у собі навколишній ландшафт, ґрунт, небо. Зробивши ще кілька кроків, він помітив ту саму зміну і з іншою стіною форту. Здавалося, ніби сіра нерівна поверхня раптово замінюється полірованою. Стояв спекотний день, і стіни мали сильно розжаритися, в чому й полягала розгадка їхньої дзеркальності. На рис. 117 показані розташування стін форту (F і F") та місце розташування спостерігача (А та А"). Виявилося, що міраж спостерігається щоразу, коли стіна досить нагріється сонячним промінням, вдалося навіть сфотографувати це явище.
На рис. 118 зображена (ліворуч) стіна F форту, спочатку матова, а потім блискуча (праворуч), як дзеркало (знята з точки A"). На лівому знімку – звичайний сірий бетон, в якому, звичайно, не можуть відображатися фігури двох, що стоять біля стіни солдат Направо - та ж стіна здебільшого набула дзеркальних властивостей, і найближча фігура солдата дає в ній своє симетричне зображення, звичайно, відбиває промені тут не сама поверхня стіни, а лише прилеглий до неї шар нагрітого повітря.

Рис. 117. План форту, де спостерігався міраж. Стіна F здавалася дзеркальною з точки A, стіна F" – з точки А"

Рис. 118. Сіра нерівна стіна (ліворуч) раптово стає немов полірованою, що відбиває (праворуч).
У спекотні літні дні варто було б звертати увагу на розжарені стіни великих будівель і шукати, чи не виявляться явища міражу. Без сумніву, за певної уваги кількість помічених випадків міражу має помітно почастішати.

"Зелений промінь"

Чи спостерігали ви коли-небудь Сонце, що заходить за горизонт моря? Так, без сумніву. Чи простежили ви за ним до того моменту, коли верхній край диска стикається з лінією горизонту і потім зникає? Мабуть, так. те, що відбувається в ту мить, коли променисте світило кидає останній свій промінь, якщо при цьому небо вільне від хмар і зовсім прозоре?.. Може, ні. кольору, такого, якого жоден художник не може отримати на своїй палітрі і якого не відтворює сама природа ні в різноманітних відтінках рослинності, ні в кольорі прозорого моря”.
Подібна замітка в одній англійській газеті привела в захоплений стан молоду героїню роману Жюля Верна "Зелений промінь" і спонукала її зробити низку подорожей з єдиною метою - на власні очі побачити зелений промінь. Юній шотландці не вдалося, як розповідає романіст, спостерігати це красиве явище природи. Але воно все ж таки існує: зелений промінь – не легенда, хоча з ним і пов'язано багато легендарного – це явище, яким може захоплюватися кожен любитель природи, якщо шукатиме його з належним терпінням.

Чому з'являється зелений промінь?

Ви зрозумієте причину явища, якщо пригадаєте, як виглядають нам предмети, коли ми дивимося ними крізь скляну призму. Зробіть такий досвід: тримайте призму біля ока горизонтально широкою стороною вниз і розглядайте через неї листок паперу, приколотий на стіні. Ви помітите, що листок, по-перше, піднявся значно вище за своє істинне положення, а по-друге, має вгорі фіолетово-синю облямівку, внизу – жовто-червону. Підняття залежить від заломлення світла, кольорові облямівки – віддисперсіїскла, тобто властивості скланеоднаковозаломлювати промені різногокольору.Фіолетові та сині промені переломлюються сильніше за інші, тому ми бачимо вгорі фіолетово-синю облямівку; червоні заломлюються найслабше, і тому нижній край нашого паперового листка має червону облямівку.
Для кращого розуміння подальшого необхідно зупинитися на походження цих кольорових облямівок. Призма розкладає біле світло, що виходить від паперу, на всі кольори спектру, даючи безліч кольорових зображень паперового листка, розташованих, покладаючись частиною одне на інше, в порядку заломлюваності. Від одночасної дії цих накладених. один на одного кольорових зображень очей отримує відчуття білого кольору (складання спектральних кольорів), але вгорі і внизу виступають облямівки кольорів, що не змішуються. Знаменитий поет Гете, який зробив цей досвід і не зрозумів його сенсу, уявив, що він викрив таким чином хибність вчення Ньютона про квіти, і написав потім власну "Науку про квіти", яка майже повністю заснована на мінливих уявленнях. Читач, мабуть, не повторить помилки великого поета і не буде очікувати, що призма перефарбує для нього всі предмети.Земна атмосфера є для наших очей ніби величезною повітряною призмою, зверненою основою вниз.Дивлячись на Сонце біля горизонту, ми дивимося на нього крізь газову призму. вгорі облямівку синього та зеленого кольору, внизу – червоно-жовту.Поки Сонце стоїть вище за горизонт, світло диска своєю яскравістю перебиває набагато менш яскраві кольорові смужки, і ми їх не помічаємо зовсім. прихований під горизонтом, ми можемо бачити синю облямівку верхнього краю, вона двокольорова: вище розташована синя смужка, нижче – блакитна, від змішування синіх і зелених лугів чий. Коли повітря біля горизонту абсолютно чисте і прозоре, ми бачимо синю облямівку - "синій промінь". Але частіше сині промені розсіюються атмосферою і залишається одна зелена облямівка: явище "зеленого променя". Нарешті, здебільшого розсіюються каламутною атмосферою також сині та зелені промені – тоді не помічається жодної облямівки: Сонце закочується багряною кулею.
Пулковський астроном Г. А. Тихов, який присвятив "зеленому променю" спеціальне дослідження, повідомляє деякі прикмети видимості цього явища. ”. Причина зрозуміла: червоний колір сонячного диска вказує на сильне розсіювання атмосферою синіх та зелених променів, тобто усієї верхньої облямівки диска. "Навпаки, - продовжує астроном, - якщо Сонце мало змінило свій звичайний білувато-жовтий колір і заходить дуже яскравим (тобто якщо поглинання світла атмосферою невелике. -)Я. П.), то можна з великою ймовірністю чекати зеленого променя. Але тут якраз важливо, щоб горизонт уявляв різку лінію, без жодних нерівностей, близького лісу, будівель тощо. Ці умови краще виконуються на морі; ось чому зелений промінь так добре відомий морякам”.
Отже, щоб побачити "зелений промінь", потрібно спостерігати Сонце в момент заходу сонця або сходу при дуже чистому небі. У південних країнах небо у горизонту прозоріше, ніж у нас, тому явище "зеленого променя" спостерігається там частіше. Але й у нас воно не так рідко, як багато хто думає, ймовірно під впливом роману Жюля Верна. Наполегливі пошуки "зеленого променя" рано чи пізно винагороджуються успіхом. Доводилося вловлювати це красиве явище навіть у зорову трубу. Два ельзаські астрономи так описують подібне спостереження:
"... В останню хвилину, що передує заходу Сонця, коли, отже, ще видно помітна частина його, диск, що має хвилеподібну рухому, але різко окреслену кордон, оточений зеленим обідком. Поки Сонце не зайшло остаточно, цей обідок не видно простим оком. Він стає видно лише в момент повного зникнення Сонця за горизонтом, якщо ж дивитися в зорову трубу з досить сильним збільшенням (приблизно в 100 разів), можна простежити докладно всі явища: зелена облямівка стає помітною пізніше за 10 хвилин до заходу Сонця, вона обмежує верхню частину диска, тоді як від нижньої спостерігається червона облямівка.Ширина облямівки, спочатку дуже мала (всього кілька секунд дуги), зростає в міру заходження Сонця, вона досягає іноді до півхвилини дуги.Над зеленим обідком часто спостерігаються зелені виступи, які при поступовому зникненні Сонця як би ковзають по краю до вищої точки, іноді вони відриваються від обідка і світяться кілька секунд окремо, доки не згаснуть” (рис. 119).

Рис. 119. Тривале спостереження "зеленого променя"; спостерігач бачив "зелений промінь" за гірським хребтом протягом 5 хвилин. Вище праворуч – "зелений промінь", видимий у підзорну трубу. Диск Сонця має неправильні контури. У положенні 1 блиск сонячного диска засліплює око і заважає бачити зелену облямівку простим оком. У положенні 2, коли диск Сонця майже зникає, "зелений промінь" стає доступним простому оку.
Зазвичай явище триває секунду-дві. Але за виняткової обстановці тривалість його помітно подовжується. Відзначено випадок, коли "зелений промінь" спостерігався більше 5 хвилин! Сонце сідало за віддаленою горою, і спостерігач, що швидко крокував, бачив зелену облямівку сонячного диска, що ніби ковзає по схилу гори (рис. 119).
Дуже повчальні випадки спостереження "зеленого променя" присходіСонця, коли верхній край світила починає з'являтися з-під горизонту. Це спростовує здогад, що часто висловлюється, ніби "зелений промінь" - оптичний обман, якому піддається око, стомлений яскравим блиском Сонця, що тільки-но закотилося.
Сонце - не єдине світило, що посилає "зелений промінь". Доводилося бачити це явище, що породжується Венерою, що заходить [Про міражів і зеленому промені можна дізнатися з чудової книги М. Міннарта "Світло і колір в природі". Фізматгіз, 1958 р.Прим. ред.].

Закони заломлення світла.

Фізичний зміст показника заломлення.Світло заломлюється внаслідок зміни швидкості його поширення при переході з одного середовища до іншого. Показник заломлення другого середовища щодо першої чисельно дорівнює відношенню швидкості світла у першому середовищі до швидкості світла у другому середовищі:

Таким чином, показник заломлення показує, у скільки разів швидкість світла в тому середовищі, з якого промінь виходить, більша (менша) за швидкість світла в тому середовищі, в яке він входить.

Оскільки швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі стала, доцільно визначити показники заломлення різних середовищ щодо вакууму. Відношення швидкості з поширення світла у вакуумі до швидкості поширення його в даному середовищі називається абсолютним показником заломленняданої речовини () і є основною характеристикою його оптичних властивостей,

,

тобто. показник заломлення другого середовища щодо першої дорівнює відношенню абсолютних показників цих середовищ.

Зазвичай оптичні властивості речовини характеризуються показником заломлення. n щодо повітря, яке мало відрізняється від абсолютного показника заломлення. При цьому середовище, у якого абсолютний показник більше, називається оптично більш щільним.

Граничний кут заломлення.Якщо світло переходить із середовища з меншим показником заломлення в середу з більшим показником заломлення ( n 1< n 2 ), то кут заломлення менше кута падіння

r< i (Рис.3).

Рис. 3. Заломлення світла під час переходу

з оптично менш щільного середовища в середу

оптично більш щільну.

При збільшенні кута падіння до i m = 90° (промінь 3, рис.2) світло в другому середовищі поширюватиметься лише в межах кута r пр званого граничним кутом заломлення. В область другого середовища в межах кута, додаткового до граничного кута заломлення (90° - i пр ), світло не проникає (на рис.3 ця область заштрихована).

Граничний кут заломлення r пр

Але sin i m = 1, отже.

Явище повного внутрішнього відбиття.Коли світло переходить із середовища з великим показником заломлення n 1 > n 2 (Рис.4), то кут заломлення більше кута падіння. Світло переломлюється (переходить у друге середовище) лише в межах кута падіння i пр , який відповідає куту заломлення r m = 90 °.

Рис. 4. Заломлення світла при переході з оптично більш щільного середовища в середу

оптично менш щільну.

Світло, що падає під великим кутом, повністю відбивається від межі середовищ (рис. 4 промінь 3). Це називається повним внутрішнім відображенням, а кут падіння i пр - Граничним кутом повного внутрішнього відображення.

Граничний кут повного внутрішнього відбиття i пр визначається згідно з умовою:

, то sin r m =1, отже, .

Якщо світло йде з будь-якого середовища у вакуум або повітря, то

Внаслідок оборотності ходу променів для двох даних середовищ граничний кут заломлення при переході з першого середовища в другу дорівнює граничному куту повного внутрішнього відображення при переході променя з другого середовища в перше.

Граничний кут повного внутрішнього відбиття для скла менше 42 °. Тому промені, що йдуть у склі та падають на його поверхню під кутом 45°, повністю відбиваються. Ця властивість скла використовується в поворотних (рис.5а) та оборотних (рис. 4б) призмах, які часто застосовуються в оптичних приладах.

Рис. 5: а – поворотна призма; б – оборотна призма.

Волоконна оптика.Повне внутрішнє відображення використовується при влаштуванні гнучких світловодів. Світло, потрапляючи всередину прозорого волокна, оточеного речовиною з меншим показником заломлення, багаторазово відбивається та поширюється вздовж цього волокна (рис.6).

Рис.6. Проходження світла всередині прозорого волокна, оточеного речовиною

із меншим показником заломлення.

Для передачі великих світлових потоків та збереження гнучкості світлопровідної системи окремі волокна збираються в пучки. світловоди. Розділ оптики, в якому розглядають передачу світла та зображення світлопроводами, називають волоконною оптикою. Цим самим терміном називають і самі волоконно-оптичні деталі та прилади. У медицині світловоди використовують для освітлення холодним світлом внутрішніх порожнин та передачі зображення.

Практична частина

Прилади визначення показника заломлення речовин називаються рефрактометрами(Мал.7).

Рис.7. Оптична схема рефрактометра.

1 – дзеркало, 2 – вимірювальна головка, 3 – система призм для усунення дисперсії, 4 – об'єктив, 5 – поворотна призма (поворот променя на 90 0), 6 – шкала (у деяких рефрактометрах

є дві шкали: шкала показників заломлення та шкала концентрації розчинів),

7 – окуляр.

Основною частиною рефрактометра є вимірювальна головка, що складається з двох призм: освітлювальної, що знаходиться у відкидній частині головки, та вимірювальної.

На виході освітлювальної призми її матова поверхня створює розсіяний пучок світла, який проходить через рідину, що досліджується (2-3 краплі) між призмами. На поверхню вимірювальної призми промені падають під різними кутами, у тому числі й під кутом 90 0 . У вимірювальній призмі промені збираються в області граничного кута заломлення, чим пояснюється утворення межі світла - тіні на екрані приладу.

Рис.8. Хід променя у вимірювальній головці:

1 - освітлювальна призма, 2 - рідина, що досліджується,

3 – вимірювальна призма, 4 – екран.

ВИЗНАЧЕННЯ ПРОЦЕНТНОГО ЗМІСТ ЦУКРУ В РОЗЧИНІ

Природне та поляризоване світло. Видиме світло– це електромагнітні хвиліз частотою коливань в інтервалі від 4∙10 14 до 7,5∙10 14 Гц. Електромагнітні хвиліє поперечними: вектори Е та Н напруженостей електричного та магнітного полів взаємно перпендикулярні та лежать у площині, перпендикулярній вектору швидкості поширення хвилі.

У зв'язку з тим, що і хімічна, і біологічна дія світла пов'язана в основному з електричною складовою електромагнітної хвилі, вектор Енапруженості цього поля називають світловий вектор,а площина коливань цього вектора – площиною коливань світлової хвилі.

У будь-якому джерелі світла хвилі випромінюються безліччю атомів і молекул, світлові вектори цих хвиль розташовані у різноманітних площинах, а коливання відбуваються у різних фазах. Отже, площина коливань світлового вектора результуючої хвилі безперервно змінює своє становище у просторі (рис.1). Таке світло називається природним,або неполяризованим.

Рис. 1. Схематичне зображення променя та природного світла.

Якщо вибрати дві взаємно перпендикулярні площини, що проходять через промінь природного світла і проектувати вектори Е на площині, то в середньому ці проекції будуть однаковими. Таким чином, промінь природного світла зручно зображати як пряму, на якій розташоване однакове число тих та інших проекцій у вигляді рис і точок:

При проходженні світла через кристали можна отримати світло, площина коливань хвилі якого займає постійне становище у просторі. Таке світло називається плоско-або лінійно-поляризованим. Внаслідок впорядкованого розташування атомів і молекул у просторових ґратах, кристал пропускає тільки коливання світлового вектора, що відбуваються в деякій, характерній для цієї решітки, площині.

Плоско-поляризовану світлову хвилю зручно зображати так:

Поляризація світла може бути частковою. У цьому випадку амплітуда коливань світлового вектора в одній площині значно перевищує амплітуди коливань в інших площинах.

Частково поляризоване світло умовно можна зобразити так: , і т.д. Співвідношення числа рис і точок при цьому визначає ступінь поляризації світла.

У всіх способах перетворення природного світла на поляризований з природного світла повністю або частково відбираються складові з цілком певною орієнтацією площини поляризації.

Способи отримання поляризованого світла: а) відбиття та заломлення світла на межі двох діелектриків; б) пропускання світла через оптично анізотропні одновісні кристали; в) пропускання світла через середовища, оптична анізотропія яких штучно створена дією електричного чи магнітного поля, і навіть внаслідок деформації. Ці способи ґрунтуються на явищі анізотропії.

Анізотропія- Це залежність низки властивостей (механічних, теплових, електричних, оптичних) від напрямку. Тіла, властивості яких однакові в усіх напрямках, називаються ізотропними.

Поляризація спостерігається також за розсіювання світла. Ступінь поляризації тим вищий, чим менші розміри частинок, на яких відбувається розсіювання.

Пристрої, призначені для одержання поляризованого світла, називаються поляризаторами.

Поляризація світла при відображенні та заломленні на межі розділу двох діелектриків.При відображенні та заломленні природного світла на межі поділу двох ізотропних діелектриків відбувається його лінійна поляризація. При довільному куті падіння поляризація відбитого світла є частковою. У відбитому промені переважають коливання, перпендикулярні до площини падіння, а в заломленому - паралельні їй (рис. 2).

Рис. 2. Часткова поляризація природного світла при відображенні та заломленні

Якщо кут падіння задовольняє умову tg i Б = n 21 , то відбите світло поляризується повністю (закон Брюстера), а заломлений промінь поляризується не повністю, але максимально (рис.3). У цьому випадку відбитий та заломлений промені взаємно перпендикулярні.

- Відносний показник заломлення двох середовищ, i Б - кут Брюстера.

Рис. 3. Повна поляризація відбитого променя при відображенні та заломленні

на межі поділу двох ізотропних діелектриків.

Подвійне променезаломлення.Існує ряд кристалів (кальцит, кварц і т.п.), в яких промінь світла, заломлюючись, розщеплюється на два промені з різними властивостями. Кальцит (ісландський шпат) є кристалом з гексагональними гратами. Вісь симетрії шестикутної призми, що утворює його комірку, називається оптичною віссю. Оптична вісь – це лінія, а напрям у кристалі. Будь-яка пряма, паралельна до цього напрямку, також є оптичною віссю.

Якщо вирізати з кристала кальциту платівку так, щоб її грані були перпендикулярні до оптичної осі, і направити промінь світла вздовж оптичної осі, то жодних змін у ньому не відбудеться. Якщо ж направити промінь під кутом до оптичної осі, він розіб'ється на два променя (рис. 4), у тому числі один називається звичайним, другий – незвичайним.

Рис. 4. Подвійне променезаломлення при проходженні світла через пластинку кальциту.

MN -оптична вісь.

Простий промінь лежить у площині падіння і має нормальний для даної речовини показник заломлення. Незвичайний промінь лежить у площині, що проходить через падаючий промінь та оптичну вісь кристала, проведену в точці падіння променя. Ця площина називається головною площиною кристала. Показники заломлення для звичайного та незвичайного променя відрізняються.

Як прості, так і незвичайні промені поляризовані. Площина коливань променів перпендикулярна головній площині. Коливання незвичайних променів відбуваються у головній площині кристала.

Явище подвійного променезаломлення обумовлено анізотропією кристалів. Вздовж оптичної осі швидкість світлової хвилі для звичайного та незвичайного променів одна й та сама. В інших напрямках швидкість незвичайної хвилі у кальциту більша, ніж звичайної. Найбільша різниця між швидкостями обох хвиль виникає у напрямку, перпендикулярному до оптичної осі.

Відповідно до принципу Гюйгенса при подвійному променезаломленні в кожній точці поверхні хвилі, що досягає межі кристала, виникають (не одна, як у звичайних середовищах!) одночасно дві елементарні хвилі, які поширюються в кристалі.

Швидкість поширення однієї хвилі в усіх напрямках однакова, тобто. хвиля має сферичну форму і називається звичайною. Швидкість поширення іншої хвилі в напрямку оптичної осі кристала однакова зі швидкістю звичайної хвилі, а в напрямку перпендикулярному до оптичної осі, від неї відрізняється. Хвиля має еліпсоїдну форму і називається незвичайною(Рис.5).

Рис. 5. Поширення звичайної (о) та незвичайної (е) хвилі в кристалі

при подвійному променезаломленні.

Призма Ніколя.Для отримання поляризованого світла користуються поляризаційною призмою Ніколя. З кальциту виколюють призму певної форми та розмірів, потім її розпилюють по діагональній площині та склеюють канадським бальзамом. При падінні світлового променя на верхню грань вздовж осі призми (рис. 6) незвичайний промінь падає на площину склеювання під меншим кутом і проходить майже не змінюючи напрямки. Звичайний промінь падає під кутом більшим, ніж кут повного відбиття для канадського бальзаму, відбивається від площини склеювання і поглинається зачорненою гранню призми. Призма Ніколя дає повністю поляризоване світло, площина коливань якого лежить у головній площині призми.

Рис. 6. Призма Ніколя. Схема проходження звичайного

і незвичайних променів.

Діхроїзм.Існують кристали, які по-різному поглинають звичайний та незвичайний промені. Так, якщо на кристал турмаліну направити пучок природного світла перпендикулярно напряму оптичної осі, то при товщині пластинки лише кілька міліметрів звичайний промінь повністю поглинеться, а з кристала вийде тільки незвичайний промінь (рис.7).

Рис. 7. Проходження світла через кристал турмаліну.

Різний характер поглинання звичайного та незвичайного променів називається анізотропією поглинання,або дихроїзмом.Таким чином, кристали турмаліну також можуть бути використані як поляризатори.

Поляроїди.В даний час як поляризатор широко застосовують поляроїди.Для виготовлення поляроїду між двома пластинками скла або оргскла заклеюється прозора плівка, яка містить кристали поляризує світло дихроїчної речовини (наприклад, сірчанокислий йодхінон). У процесі виготовлення плівки кристали орієнтуються те щоб їх оптичні осі були паралельні. Вся ця система закріплюється у оправі.

Дешевизна поляроїдів та можливість виготовлення пластин з великою площею забезпечили їх широке застосування на практиці.

Аналіз поляризованого світла.Для дослідження характеру та ступеня поляризації світла застосовують пристрої, звані аналізаторами.Як аналізатори використовуються ті ж пристрої, які служать для отримання лінійно-поляризованого світла - поляризатори, але пристосовані для обертання навколо поздовжньої осі. Аналізатор пропускає лише коливання, що збігаються з його головною площиною. В іншому випадку через аналізатор проходить лише складова коливань, що збігається з цією площиною.

Якщо світлова хвиля, що входить до аналізатора, лінійно поляризована, то для інтенсивності хвилі, що виходить з аналізатора, справедлива закон Малюса:

,

де I 0 – інтенсивність вхідного світла, φ – кут між площинами вхідного світла та світла, що пропускається аналізатором.

Проходження світла через систему поляризатор - аналізатор показано схематично на рис. 8.

Рис. 8. Схема проходження світла через систему поляризатор-аналізатор(П – поляризатор,

А - аналізатор, Е - екран):

а) головні площини поляризатора та аналізатора збігаються;

б) головні площини поляризатора та аналізатора розташовані під деяким кутом;

в) головні площини поляризатора та аналізатора взаємно перпендикулярні.

Якщо головні площини поляризатора та аналізатора збігаються, світло повністю проходить через аналізатор і висвітлює екран (рис. 7а). Якщо вони розташовані під деяким кутом, світло проходить через аналізатор, але послаблюється тим більше, чим ближче цей кут до 90 0 . Якщо ці площини взаємно перпендикулярні, світло повністю гаситься аналізатором (рис.7в)

Обертання площини коливання поляризованого світла. Поляриметрія.Деякі кристали, а також розчини органічних речовин мають властивість обертати площину коливань поляризованого світла, що проходить через них. Ці речовини називаються оптичноа активними. До них відносяться цукру, кислоти, алкалоїди та ін.

Для більшості оптично активних речовин виявлено існування двох модифікацій, що здійснюють обертання площини поляризації відповідно і проти годинникової стрілки (для спостерігача, що дивиться назустріч променю). Перша модифікація називається правообертальної,або позитивною,друга – лівообертальної,чи негативною.

Природна оптична активність речовини у некристалічному стані обумовлена ​​асиметрією молекул. У кристалічних речовинах оптична активність може бути обумовлена ​​особливостями розташування молекул у ґратах.

У твердих тілах кут φ повороту площини поляризації прямо пропорційний довжині d шляху світлового променя в тілі:

де α - обертальна здатність (питоме обертання),залежить від роду речовини, температури та довжини хвилі. Для ліво- і правообертальних модифікацій обертальні здібності однакові за величиною.

Для розчинів кут повороту площини поляризації

,

де - питоме обертання, з - концентрація оптично активної речовини в розчині. Величина α залежить від природи оптично активної речовини та розчинника, температури та довжини хвилі світла. Питоме обертання- це збільшений у 100 разів кут обертання для розчину товщиною 1 дм при концентрації речовини 1 грам на 100 см 3 розчину при температурі 20 0 С і при довжині хвилі світла = 589 нм. Дуже чутливий метод визначення концентрації з, заснований на цьому співвідношенні, називається поляриметрії (сахариметрії).

Залежність обертання площини поляризації від довжини хвилі світла називається обертальною дисперсією.У першому наближенні має місце закон Біо:

де А – коефіцієнт, що залежить від природи речовини та температури.

У клінічних умовах метод поляриметріїзастосовується визначення концентрації цукру в сечі. Прилад, що використовується при цьому, називається сахариметром(Рис.9).

Рис. 9. Оптична схема сахариметра:

І – джерело природного світла;

С – світлофільтр (монохроматор), що забезпечує узгодження роботи приладу

із законом Біо;

Л – лінза, що збирає, що дає на виході паралельний пучок світла;

П – поляризатор;

К - трубка з досліджуваним розчином;

А - аналізатор, укріплений на диску Д, що обертається, з поділами.

При проведенні дослідження спочатку аналізатор встановлюють на максимальне затемнення поля зору досліджуваного розчину. Потім поміщають у прилад трубку з розчином і, обертаючи аналізатор, знову досягають затемнення поля зору. Найменший із двох кутів, на який при цьому необхідно повернути аналізатор, і є кутом обертання досліджуваної речовини. За величиною кута обчислюється концентрація цукру на розчині.

Для спрощення розрахунків трубку з розчином роблять такої довжини, щоб кут повороту аналізатора (у градусах) чисельно дорівнював концентрації зрозчину (у грамах на 100 см3). У цьому довжина трубки для глюкози становить 19 див.

Поляризаційна мікроскопія.Метод заснований на анізотропіїдеяких компонентів клітин та тканин, що з'являється при спостереженні їх у поляризованому світлі. Структури, що складаються з молекул, розташованих паралельно, або дисків, розташованих у вигляді стопки, при введенні в середу з показником заломлення, що відрізняється від показника заломлення частинок структури, виявляють здатність до подвійному променезаломленню.Це означає, що структура пропускатиме поляризоване світло тільки в тому випадку, коли площина поляризації паралельна довгим осям частинок. Це залишається в силі навіть тоді, коли частинки не мають власного подвійного променезаломлення. Оптична анізотропіяспостерігається в м'язових, сполучнотканинних (колагенових) та нервових волокнах.

Сама назва кістякових м'язів поперечносмугасті»пов'язане з різницею оптичних властивостей окремих ділянок м'язового волокна. Воно складається з більш темних і світліших ділянок речовини тканини, що чергуються. Це надає волокну поперечної смугастість. Дослідження м'язового волокна в поляризованому світлі виявляє, що темніші ділянки є анізотропнимиі мають властивості подвійного променезаломлення, тоді як темніші ділянки є ізотропними. Колагеновіволокна анізотропні, їх оптична вісь розташована вздовж осі волокна. Міцели в м'якотній оболонці нейрофібрилтакож анізотропні, але їх оптичні осі розташовані в радіальних напрямках. Для гістологічного дослідження цих структур застосовується поляризаційний мікроскоп.

Найважливішим компонентом поляризаційного мікроскопа служить поляризатор, який розташовується між джерелом світла та конденсатором. Крім того, в мікроскопі є столик, що обертається, або тримач зразка, аналізатор, що знаходиться між об'єктивом і окуляром, який можна встановити так, щоб його вісь була перпендикулярна осі поляризатора, і компенсатор.

Коли поляризатор та аналізатор схрещені, а об'єкт відсутній чи є ізотропним,поле виглядає рівномірно чорним. Якщо ж присутній об'єкт, що має подвійне променезаломлення, і він розташований так, що його вісь знаходиться під кутом до площини поляризації, відмінним від 0 0 або від 90 0 , він розділятиме поляризоване світло на два компоненти - паралельний і перпендикулярний щодо площини аналізатора. Отже, частина світла проходитиме через аналізатор, у результаті з'явиться яскраве зображення об'єкта на темному тлі. При обертанні об'єкта яскравість зображення буде змінюватися, досягаючи максимуму при вугіллі 45 0 щодо поляризатора або аналізатора.

Поляризаційна мікроскопія використовується для вивчення орієнтації молекул у біологічних структурах (наприклад, м'язових клітинах), а також під час спостереження структур, невидимих ​​при застосуванні інших методів (наприклад, мітотичного веретена при розподілі клітин), ідентифікації спіральної структури.

Поляризоване світло використовують у модельних умовах для оцінки механічних напруг, що виникають у кісткових тканинах. Цей метод заснований на явищі фотопружності, яке полягає у виникненні оптичної анізотропії спочатку ізотропних твердих тілах під дією механічних навантажень.

ВИЗНАЧЕННЯ ДОВЖИНИ СВІТЛОВОЇ ХВИЛІ З ДОПОМОГЮ ДИФРАКЦІЙНИХ РЕШІТКИ

Інтерференція світла.Інтерференцією світла називається явище, що виникає при накладенні світлових хвиль і супроводжується їх посиленням чи ослабленням. Стійка інтерференційна картина виникає при накладенні когерентних хвиль. Когерентними хвилями називаються хвилі з рівними частотами та однаковими фазами або мають постійний зсув фаз. Посилення світлових хвиль при інтерференції (умова максимуму) відбувається в тому випадку, Δ укладається парне число довжин напівхвиль:

де k - Порядок максимуму, k = 0, ± 1, ± 2, ±, ... ± n;

λ - Довжина світлової хвилі.

Ослаблення світлових хвиль при інтерференції (умова мінімуму) спостерігається в тому випадку, якщо в оптичній різниці ходу Δ укладається непарне число довжин напівхвиль:

де k - Порядок мінімуму.

Оптичною різницею ходу двох променів називається різниця відстаней від джерел до точки спостереження інтерференційної картини.

Інтерференція у тонких плівках.Інтерференцію в тонких плівках можна спостерігати в мильних бульбашках, у плямі гасу на поверхні води при освітленні їх сонячним світлом.

Нехай поверхню тонкої плівки падає промінь 1 (див. рис.2). Промінь, переломившись межі повітря - плівка, проходить через плівку, відбивається від її внутрішньої поверхні, підходить до зовнішньої поверхні плівки, переломлюється межі плівка – повітря і виходить промінь . У точку виходу променя направляємо промінь 2, який проходить паралельно променю 1. Промінь 2 відбивається від поверхні плівки , накладається на промінь і обидва промені інтерферують.

При освітленні плівки поліхроматичним світлом отримуємо райдужну картину. Це тим, що плівка неоднорідна по товщині. Отже, виникають різні за величиною різниці ходу, яким відповідають різні довжини хвиль (забарвлені мильні плівки, переливчасті кольори крил деяких насомих та птахів, плівки нафти або олій на поверхні води тощо).

Інтерференція світла використовують у приладах – інтерферометрах. Інтерферометрами називаються оптичні пристрої, за допомогою яких можна просторово розділити два промені та створити між ними певну різницю ходу. Застосовуються інтерферометри для визначення довжини хвиль з високим ступенем точності невеликих відстаней, показників заломлення речовин та визначення якості оптичних поверхонь.

У санітарно-гігієнічних цілях інтерферометр застосовується визначення змісту шкідливих газів.

Поєднання інтерферометра та мікроскопа (інтерференційний мікроскоп) використовується в біології для вимірювання показника заломлення, концентрації сухої речовини та товщини прозорих мікрооб'єктів.

Принцип Ґюйгенса – Френеля.Відповідно до Гюйгенсу, кожна точка середовища, до якої доходить первинна хвиля в даний момент, є джерелом вторинних хвиль. Френель уточнив це становище Гюйгенса, додавши, що вторинні хвилі є когерентними, тобто. при накладенні вони даватиме стійку інтерференційну картину.

Дифракція світла.Дифракцією світла називаються явища відхилення світла прямолінійного поширення.

Дифракція у паралельних променях від однієї щілини.Нехай на мету шириною в падає паралельний пучок монохроматичного світла (див. рис. 3):

На шляху променів встановлено лінзу L , у фокальній площині якої знаходиться екран Е . Більшість променів не дифрагують, тобто. не змінюють свого напрямку, і вони фокусуються лінзою L у центрі екрана, утворюючи центральний максимум чи максимум нульового порядку. Промені, що дифрагують під рівними кутами дифракції φ , на екрані будуть утворювати максимуми 1,2,3,…, n - Порядків.

Таким чином, дифракційна картина, отримана від однієї щілини в паралельних променях при освітленні монохроматичним світлом, являє собою світлу смугу з максимальною освітленістю в центрі екрану, потім йде темна смуга (мінімум I - го порядку), потім йде світла смуга (максимум 1 - го порядку), темна смуга (мінімум 2-го порядку), максимум 2-го порядку і т.д. Дифракційна картина симетрична щодо центрального максимуму. При освітленні щілини білим світлом на екрані утворюється система кольорових смуг, лише центральний максимум зберігатиме колір падаючого світла.

Умови maxі minдифракції.Якщо в оптичній різниці ходу Δ вкладається непарне число відрізків, рівних , то спостерігається посилення інтенсивності світла ( max дифракції):

де k - Порядок максимуму; k =±1,±2,±…,± n;

λ - довжина хвилі.

Якщо в оптичній різниці ходу Δ вкладається парне число відрізків, рівних , то спостерігається ослаблення інтенсивності світла ( min дифракції):

де k - Порядок мінімуму.

Дифракційні грати.Дифракційна решітка є непрозорими для проходження світла смуги з прозорими для світла смугами (щілинами) рівної ширини.

Основною характеристикою дифракційної решітки є її період d . періодом дифракційної решітки називається сумарна ширина прозорої та непрозорої смуги:

Дифракційна решітка використовується в оптичних приладах для посилення роздільної здатності приладу. Роздільна здатність дифракційної решітки залежить від порядку спектру k і від числа штрихів N :

де R - Роздільна здатність.

Виведення формули дифракційної решітки.Направимо на дифракційну решітку два паралельні промені: 1 і 2 так, щоб відстань між ними дорівнювала періоду решітки d .

У точках А і У промені 1 та 2 дифрагують, відхиляючись від прямолінійного напрямку на кут φ - Кут дифракції.

Промені і фокусуються лінзою L на екран, розташований у фокальній площині лінзи (рис. 5). Кожну щілину решітки можна як джерело вторинних хвиль (принцип Гюйгенса – Френеля). На екрані у точці Д спостерігаємо максимум інтерференційної картини.

З точки А на хід променя опускаємо перпендикуляр і отримуємо точку С. розглянемо трикутник АВС : трикутник прямокутний, ÐВАС=Ðφ як кути із взаємно перпендикулярними сторонам. З Δ АВС:

де АВ=d (за побудовою),

СВ = Δ - Оптична різниця ходу.

Так як у точці Д спостерігаємо max інтерференції, то

де k - Порядок максимуму,

λ - Довжина світлової хвилі.

Підставляємо значення АВ=d, у формулу для sinφ :

Звідси отримуємо:

У загальному вигляді формула дифракційної решітки має вигляд:

Знаки показують, що інтерференційна картина на екрані симетрична щодо центрального максимуму.

Фізичні засади голографії.Голографією називається метод запису та відновлення хвильового поля, який ґрунтується на явищах дифракції та інтерференції хвиль. Якщо на звичайній фотографії фіксується тільки інтенсивність відбитих від предмета хвиль, то на голограмі додатково фіксуються фази хвиль, що дає додаткову інформацію про предмет і дозволяє отримати об'ємне зображення предмета.

Проведення досвіду

Кожен із вас, напевно, звертав увагу на те, що в склянці з водою ложка, що стирчить, на кордоні між водою і повітрям, здається, що має якийсь переламаний вигляд. Точно таку ж картину ми спостерігаємо на березі озера або річки, з водоймища якої видно траву, що росте. Коли ми на неї дивимося, то у нас складається враження, що на межі води та повітря ця травинка ніби відхиляється убік. Звичайно ж, ми чудово розуміємо, що ці предмети залишаються такими ж, як були до того, як потрапили у воду. А ось те, що ми спостерігаємо і від чого виникає такий зоровий ефект, це є заломленням світла при його поширенні.

З пройденого матеріалу, який ви вже вивчали на попередніх уроках, ви повинні пам'ятати те, щоб визначити, в який бік буде відхилятися промінь світла при його переході через кордон, який поділяє два середовища, нам необхідно знати, в якій з них швидкість світла менша , а в якій більше.

Для наочності ми з вами проведемо невеликий досвід. Давайте, наприклад, візьмемо оптичний диск і до його центру помістимо скляну пластину. А тепер спробуємо направити на цю пластину промінь світла. І що ми з вами бачимо? А побачили ми те, що в тому місці, де проходить межа повітря зі склом, світло відбивається. Але, крім того, що світло відбилося, ми ще бачимо, як воно проникло всередину скла і при цьому ще й змінило напрям свого поширення.

А тепер подивіться, як це показано на малюнку:

А тепер спробуємо дати визначення цього явища.

Заломленням світла називають таке явище, яке змінює напрями руху світлового променя в момент переходу з одного середовища до іншого.

Повернімося знову до нашого малюнка. На ньому ми бачимо, що АТ, що позначає падаючий промінь, ОВ є відбитим променем, а ОЕ - це заломлений промінь. А що б сталося, якби ми взяли та направили промінь у напрямку ЄО? А сталося ось те, що за законом «оборотності світлових променів», цей промінь вийшов би зі скла за напрямом ОА.

З цього випливає, що ті середовища, які здатні пропускати світло, зазвичай мають різну оптичну щільність і різну швидкість світла. І щоб ви розуміли, що від величини густини залежить швидкість світла. Тобто чим більшу оптичну щільність має середовище, тим у ній буде менша швидкість світла і при цьому вона сильніше переломлюватиме світло, яке потрапляє ззовні.

Як же відбувається заломлення світла?

Вперше таке явище, як заломлення світла, XVII в. дав пояснення патер Меньян. Згідно з його твердженнями, слідує, що при переході світла з одного середовища в інше, його промінь змінює свій напрямок, який можна порівняти з рухом «солдатського фронту», який під час стройової ходьби змінює свій напрямок. Давайте уявимо луг, яким йде колона солдатів, а далі цей луг перегороджується ріллею, біля якої кордон проходить щодо фронту під кутом.

Солдати, які дійшли до ріллі, починають уповільнювати свій рух, а ті солдати, які до цього кордону поки що не дійшли, продовжують свій шлях із тією самою швидкістю. А далі відбувається те, що у солдатів, які перейшли рубіж і йдуть по ріллі, починають відставати від побратимів, які все ще йдуть лугом і так поступово колона військ починає розвертатися. Для наочності цього процесу можна переглянути на малюнок нижче.

Такий самий процес ми спостерігаємо і з променем світла. Для того щоб дізнатися, в який бік відхилятиметься промінь світла, в момент його переходу меж двох середовищ, необхідно мати уявлення, в якій з них швидкість світла буде більшою, а в якій навпаки менше.

Оскільки ми вже маємо уявлення про те, що світло є електромагнітними хвилями, то все те, що ми знаємо про швидкість поширення електромагнітних хвиль, також відноситься і до швидкості світла.

Слід зазначити, що у вакуумі швидкість світла максимальна:

У речовині швидкість світла, на відміну вакууму, завжди менше: v

Оптична щільність середовища

Оптична щільність середовища визначається тому, як поширюється світловий промінь серед. Оптично щільнішим буде те середовище, яке має меншу швидкість світла.

Середовище, у якого швидкість світла менша, називається «оптично більш щільною»;
Середовище, в якому швидкість світла більша, зветься «оптично менш щільною».

Якщо для порівняння оптичної щільності взяти повітря, скло і воду, то при порівнянні повітря та скла, оптично більш щільним середовищем володіє скло. Також у порівнянні скла та води, оптично більш щільним середовищем буде скло.

Кут заломлення

З цього досвіду ми бачимо, що при попаданні в середовище, яке більш щільне, промінь світла відхиляється від того напрямку, який він мав спочатку і змінює напрямок у бік перпендикуляра, де знаходиться межа розділу двох середовищ. А після попадання в середовище, яке оптично менш щільне, у цьому випадку промінь світла відхиляється у зворотний бік.

"α" - кут падіння, "β" - кут заломлення.

Заломлення світла у трикутній призмі

За допомогою закону заломлення світла є можливість розрахунку ходу променів і для скляної трикутної призми.

На малюнку 87 ви можете детальніше простежити за перебігом променів у даній призмі:

Заломлення світла в оці

Ви коли-небудь помічали, що набравши у ванну воду, складалося враження, що там її менше, ніж насправді. Щодо річки, ставка та озера, складається така ж картина, а ось причиною всього цього якраз і є таке явище, як заломлення світла.

Але, як ви розумієте, у всіх цих процесах беруть активну участь і наші очі. Ось, наприклад, щоб ми змогли побачити якусь певну точку «S» на дні водоймища, насамперед необхідно, щоб промені світла пройшли через цю точку і потрапили в око тієї людини, яка на неї дивиться.

А далі пучок світла, пройшовши період заломлення на межі води з повітрям, вже буде сприйматися оком як світло, яке йде від уявного зображення «S1», але знаходиться вище, ніж точка «S» на дні водойми.

Уявна глибина водойми «h» становить приблизно ¾ його справжньої глибини Н. Таке явище вперше було описане Евклідом.

Домашнє завдання

1. Наведіть приклади заломлення світла, які вам зустрічалися в повсякденному житті.

2. Знайдіть інформацію про досвід Евкліда і спробуйте повторити цей досвід.

Явище заломлення світла - це фізичне явище, що відбувається щоразу, коли хвиля переміщається з одного матеріалу на інший, у якому її швидкість поширення змінюється. Візуально воно проявляється у тому, що змінюється напрямок поширення хвилі.

Фізика: заломлення світла

Якщо падаючий промінь потрапляє на поділ між двома середовищами під кутом 90°, то нічого не відбувається, він продовжує свій рух у тому напрямку під прямим кутом до межі розділу. Якщо кут падіння променя відрізняється від 90 °, відбувається явище заломлення світла. Це, наприклад, справляє такі дивні ефекти, як злам об'єкта, що здається, частково зануреного у воду або міражі, що спостерігаються в гарячій піщаній пустелі.

Історія відкриття

У першому столітті зв. е. давньогрецький географ і астроном Птолемей спробував математично пояснити величину рефракції, але запропонований ним закон пізніше виявився ненадійним. У XVII ст. голландський математик Віллеброрд Снелл розробив закон, який визначав величину, пов'язану зі ставленням падаючого та заломленого кутів, яка згодом була названа показником рефракції речовини. По суті, чим більше речовина здатна заломлювати світло, тим більший цей показник. Олівець у воді «зламаний», тому що промені, що йдуть від нього, змінюють свій шлях на межі розділу повітря-вода, перш ніж досягають очей. На розчарування Снелла йому так і не вдалося виявити причину цього ефекту.

У 1678 році ще один голландський учений Християн Гюйгенс розробив математичну залежність, що пояснює спостереження Снелліуса і припустив, що явище заломлення світла - це результат різної швидкості, з якою промінь проходить через два середовища. Гюйгенс визначив, що відношення кутів проходження світла через два матеріали з різними показниками рефракції має дорівнювати відношенню його швидкостей у кожному матеріалі. Таким чином, він постулював, що через середовища, що мають більший коефіцієнт заломлення, світло рухається повільніше. Інакше висловлюючись, швидкість світла через матеріал обернено пропорційна його показнику заломлення. Хоча згодом закон був експериментально підтверджений, для багатьох дослідників того часу це не було очевидним, тому що були відсутні надійні засоби світла. Вченим здавалося, що його швидкість залежить від матеріалу. Лише через 150 років після смерті Гюйгенса швидкість світла була виміряна з достатньою точністю, що доводить його правоту.

Абсолютний показник рефракції

Абсолютний показник заломлення n прозорої речовини або матеріалу визначається як відносна швидкість, при якій світло проходить через нього щодо швидкості у вакуумі: n=c/v, де - швидкість світла у вакуумі, а v - в матеріалі.

Очевидно, що заломлення світла у вакуумі, позбавленому будь-якої речовини, відсутнє, і в ньому абсолютний показник дорівнює 1. Для інших прозорих матеріалів це значення більше 1. Для розрахунку показників невідомих матеріалів може використовуватися заломлення світла в повітрі (1,0003).

Закони Снелліуса

Введемо деякі визначення:

• падаючий промінь - промінь, який наближається до поділу середовищ;
• точка падіння - точка поділу, яку він потрапляє;
• заломлений промінь залишає поділ середовищ;
• нормаль - лінія, проведена перпендикулярно до розподілу в точці падіння;
• кут падіння - кут між нормаллю і падаючим променем;
• визначити світла можна як кут між заломленим променем та нормаллю.

Відповідно до законів рефракції:

1. Падаючий, заломлений промінь і нормаль знаходяться в одній площині.
2. Відношення синусів кутів падіння та рефракції дорівнює відношенню коефіцієнтів рефракції другого та першого середовища: sin i/sin r = n r /n i .

Закон заломлення світла (Снелліуса) описує взаємозв'язок між кутами двох хвиль та показниками рефракції двох середовищ. Коли хвиля переходить з менш рефракційного середовища (наприклад, повітря) більш заломлюючу (наприклад, воду), її швидкість падає. Навпаки, коли світло переходить із води у повітря, швидкість збільшується. у першому середовищі по відношенню до нормалі та кут рефракції у другій відрізнятимуться пропорційно різниці у показниках заломлення між цими двома речовинами. Якщо хвиля переходить із середовища з низьким коефіцієнтом у середовище з вищим, то вона згинається у напрямку нормалі. А якщо навпаки, вона видаляється.

Відносний показник рефракції

Показує, що відношення синусів падаючого і заломленого кутів дорівнює константі, яка є відношенням в обох середовищах.

sin i / sin r = n r / n i = (c / v r) / (c / v i) = v i / v r

Відношення n r /n i називається відносним коефіцієнтом заломлення даних речовин.

Ряд явищ, які є результатом рефракції, часто спостерігаються у повсякденному житті. Ефект «зламаного» олівця – одне з найпоширеніших. Очі і мозок йдуть за променями назад у воду, ніби вони не заломлюються, а приходять від об'єкта по прямій лінії, створюючи віртуальний образ, який з'являється на меншій глибині.

Дисперсія

Ретельні виміри показують, що на заломлення світла довжина хвилі випромінювання або його колір дуже впливають. Іншими словами, речовина має багато, які можуть відрізнятися при зміні кольору або довжини хвилі.

Така зміна має місце у всіх прозорих середовищах і має назву дисперсії. Ступінь дисперсії конкретного матеріалу залежить від того, наскільки змінюється показник рефракції з довжиною хвилі. Зі зростанням довжини хвилі стає менш вираженим явище заломлення світла. Це підтверджується тим, що фіолетовий рефрагує більше червоного, тому що його довжина хвилі коротша. Завдяки дисперсії у звичайному склі відбувається відоме розщеплення світла на його складові.

Розкладання світла

Наприкінці XVII століття сер Ісаак Ньютон провів серію експериментів, які призвели до його відкриття видимого спектру, і показав, що біле світло складається з упорядкованого масиву кольорів, починаючи від фіолетового через синій, зелений, жовтий, помаранчевий і закінчуючи червоним. Працюючи в затемненій кімнаті, Ньютон поміщав скляну призму у вузький промінь, що проникав через отвір у віконних віконницях. При проходженні через призму відбувалося заломлення світла – скло проектувало його на екран у вигляді впорядкованого спектра.

Ньютон дійшов висновку про те, що біле світло складається із суміші різних кольорів, а також, що призма «розкидає» біле світло, заломлюючи кожен колір під іншим кутом. Ньютон не зміг розділити кольори, пропускаючи їх через другу призму. Але коли він поставив другу призму дуже близько до першої так, що всі дисперговані кольори увійшли до другої призму, вчений встановив, що кольори рекомбінують, знову утворюючи біле світло. Це відкриття переконливо довело спектральний, який може бути легко розділений і з'єднаний.

Явище дисперсії грає ключову роль великому числі різноманітних явищ. Веселка виникає в результаті заломлення світла в краплях дощу, виробляючи вражаюче видовище спектрального розкладання, подібне до того, що відбувається в призмі.

Критичний кут та повне внутрішнє відображення

При проходженні через середовище з вищим показником рефракції в середу з нижчим шлях руху хвиль визначається кутом падіння щодо поділу двох матеріалів. Якщо кут падіння перевищує певне значення (що залежить від показника рефракції двох матеріалів), він досягає точки, коли світло не переломлюється в середу з нижчим показником.

Критичний (або граничний) кут визначається як кут падіння, що результує в кут рефракції, що дорівнює 90°. Іншими словами, поки кут падіння менше критичного, рефракція відбувається, а коли він дорівнює йому, то заломлений промінь проходить вздовж місця поділу двох матеріалів. Якщо кут падіння перевищує критичний, то світло відбивається назад. Явище це називається повного внутрішнього відображення. Приклади його використання - алмази та огранювання алмазу сприяє повному внутрішньому відображенню. Більшість променів, що входять крізь верхню частину діаманта, відображатиметься, поки вони не досягнуть верхньої поверхні. Саме це дає діамантам їхній яскравий блиск. Оптичне волокно є скляним «волоссям», настільки тонким, що коли світло входить в один кінець, воно не може вийти назовні. І тільки коли промінь досягне іншого кінця, він зможе залишити волокно.

Розуміти та керувати

Оптичні прилади, починаючи від мікроскопів і телескопів до фотокамер, відеопроекторів, і навіть людське око покладаються на той факт, що світло може бути сфокусоване, заломлене та відображене.

Рефракція виробляє широкий спектр явищ, зокрема міражі, веселки, оптичні ілюзії. Через заломлення товстостінний кухоль пива здається більш повним, а сонце сідає на кілька хвилин пізніше, ніж насправді. Мільйони людей використовують силу рефракції, щоб виправити дефекти зору за допомогою окулярів та контактних лінз. Завдяки розумінню цих властивостей світла та управлінню ними, ми можемо побачити деталі, невидимі неозброєним оком, незалежно від того, чи вони знаходяться на предметному склі мікроскопа чи далекої галактиці.