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.

Под отражением понимают изменение направления движения светового луча в той же среде, когда он встречает какую-либо поверхность раздела. Например, если направить от лазерной указки на зеркало, то можно наблюдать описанный эффект.

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

Ярким примером результата полного отражения являются блестящие поверхности алмаза. Показатель преломления для алмаза равен 2,43, поэтому многие лучи света, попав в драгоценный камень, испытывают многократное полное отражение, прежде чем выйти из него.

Задача на определение критического угла θc для алмаза

Рассмотрим простую задачу, где покажем, как использовать приведенные формулы. Необходимо рассчитать, на сколько изменится критический угол полного отражения, если алмаз из воздуха поместить в воду.

Посмотрев в таблице значения для показателей преломления указанных сред, выпишем их:

• для воздуха: n 1 = 1,00029;
• для воды: n 2 = 1,333;
• для алмаза: n 3 = 2,43.

Критический угол для пары алмаз-воздух составляет:

θ c1 = arcsin(n 1 /n 3) = arcsin(1,00029/2,43) ≈ 24,31 o .

Как видно, критический угол для этой пары сред достаточно маленький, то есть только те лучи могут выйти из алмаза в воздух, которые будут находиться к нормали ближе, чем 24,31 o .

Для случая алмаза в воде получаем:

θ c2 = arcsin(n 2 /n 3) = arcsin(1,333/2,43) ≈ 33,27 o .

Увеличение критического угла составило:

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o .

Это незначительное увеличение критического угла для полного отражения света в алмазе приводит к тому, что он в воде блестит практически так же, как на воздухе.

При некотором угле падения света ${\alpha }_{pad}={\alpha }_{pred}$, который называют предельным углом , угол преломления равен $\frac{\pi }{2},\ $при этом преломленный луч скользит по поверхности раздела сред, следовательно, преломленный луч отсутствует. Тогда из закона преломления можно записать, что:

Рисунок 1.

В случае полного отражения уравнение:

не имеет решения в области действительных значений угла преломления (${\alpha }_{pr}$). В таком случае $cos{(\alpha }_{pr})$ чисто мнимая величина. Если обратиться к Формулам Френеля, то их удобно представить в виде:

где угол падения обозначен $\alpha $ (для краткости написания), $n$ -- показатель преломления среды, где свет распространяется.

Из формул Френеля видно, что модули $\left|E_{otr\bot }\right|=\left|E_{otr\bot }\right|$, $\left|E_{otr//}\right|=\left|E_{otr//}\right|$, что означает, что отражение является «полным».

Замечание 1

Надо отметить, что неоднородная волна во второй среде не исчезает. Так, если $\alpha ={\alpha }_0={arcsin \left(n\right),\ то\ }$ $E_{pr\bot }=2E_{pr\bot }.$ Нарушения закона сохранения энергии в данном случае нет. Так как формулы Френеля справедливы для монохроматического поля, то есть к установившемуся процессу. В таком случае закон сохранения энергии требует, чтобы среднее за период изменение энергии во второй среде было равно нулю. Волна и соответствующая доля энергии проникает через грани цу раздела во вторую среду на небольшую глубину порядка длины волны и движется в ней параллельно границе раздела с фазовой скоростью, которая меньше фазовой скорости волны во второй среде. Он возвращается в первую среду в точке, которая смещена относительно точки входа.

Проникновение волны во вторую среду можно наблюдать в эксперименте. Интенсивность световой волны во второй среде заметна только на расстояниях меньших длины волны. Около поверхности раздела, на которую падает волна света, которая испытывает полное отражение, на стороне второй среды можно видеть свечение тонкого слоя, если во второй среде есть флуоресцирующее вещество.

Полное отражение вызывает возникновение миражей, когда поверхность земли имеет высокую температуру. Так, полное отражение света, которое идет от облаков приводит к появлению впечатления, что на поверхности нагретого асфальта находятся лужи.

При обычном отражении отношения $\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}$ и $\frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}$ всегда вещественны. При полном отражении они комплексны. Это значит, что в таком случае фаза волны терпит скачок, при этом он отличен от нуля или $\pi $. Если волна поляризована перпендикулярно плоскости падения, то можно записать:

где ${\delta }_{\bot }$ - искомый скачок фазы. Приравняем вещественные и мнимые части, имеем:

Из выражений (5) получаем:

Соответственно, для волны, которая поляризована в плоскости падения можно получить:

Скачки фаз ${\delta }_{//}$ и ${\delta }_{\bot }$ не одинаковы. Отраженная волна будет поляризована эллиптически.

Применение полного отражения

Допустим, что две одинаковые среды разделены тонким воздушным промежутком. На него падает световая волна под углом, который больше, чем предельный. Может сложиться так, что она проникнет в воздушный промежуток как неоднородная волна. Если толщина зазора мала, то данная волна достигнет второй границы вещества и при этом будет не очень ослабленной. Перейдя из воздушного промежутка в вещество, волна превратится снова в однородную. Такой опыт был проведен еще Ньютоном. Ученый прижимал к гипотенузной грани прямоугольной призмы другую призму, которая со шлифована сферически. При этом свет проходил во вторую призму не только там, где они соприкасаются, но и в небольшом кольце вокруг контакта, в месте, где толщина зазора сравнима с длинной волны. Если наблюдения проводились в белом свете, то край кольца имел красноватую окраску. Так и должно быть, так как глубина проникновения пропорциональна длине волны (для красных лучей она больше, чем для синих). Изменяя толщину промежутка, можно изменять интенсивность проходящего света. Это явление легло в основу светового телефона, который был запатентован фирмой Цейсс. В этом устройстве в качестве одной из сред выступает прозрачная мембрана, которая совершает колебания под действием звука, падающего на нее. Свет, который проходит сквозь воздушный промежуток, изменяет интенсивность в такт с изменениями силы звука. Попадая на фотоэлемент, он порождает переменный ток, который меняется в соответствии с изменениями силы звука. Полученный ток усиливается и используется далее.

Явления проникновения волн сквозь тонкие промежутки не специфичны для оптики. Это возможно для волны любой природы, если фазовая скорость в промежутке выше, чем фазовая скорость в окружающей среде. Важное значение данное явление имеет в ядерной и атомной физике.

Явление полного внутреннего отражения используют для изменения направления распространения света. С этой целью используют призмы.

Пример 1

Задание: Приведите пример явления полного отражения, которое часто встречается.

Решение:

Можно привести такой пример. Если шоссейная дорога сильно нагрета, то температура воздуха максимальна около поверхности асфальта и убывает при увеличении расстояния от дороги. Значит, показатель преломления воздуха минимален у поверхности и растет при увеличении расстояния. Как результат этого, лучи, имеющие небольшой угол относительно поверхности шоссе терпят полное отражение. Если сконцентрировать свое внимание, при движении в автомобиле, на подходящем участке поверхности шоссе, то можно увидеть довольно далеко едущую впереди машину в перевернутом виде.

Пример 2

Задание: Каков угол Брюстера для пучка света, который падает на поверхность кристалла, если предельный угол полного отражения для данного пучка на границе раздела воздух -- кристалл равен 400?

Решение:

\[{tg(\alpha }_b)=\frac{n}{n_v}=n\left(2.2\right).\]

Из выражения (2.1) имеем:

Подставим правую часть выражения (2.3) в формулу (2.2), выразим искомый угол:

\[{\alpha }_b=arctg\left(\frac{1}{{sin \left({\alpha }_{pred}\right)\ }}\right).\]

Проведем вычисления:

\[{\alpha }_b=arctg\left(\frac{1}{{sin \left(40{}^\circ \right)\ }}\right)\approx 57{}^\circ .\]

Ответ: ${\alpha }_b=57{}^\circ .$

Если n 1 >n 2 , то >α, т.е. если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис. 3)

Предельный угол падения. Если α=α п,=90˚ и луч будет скользить вдоль раздела сред воздух-вода.

Если α’>α п, то свет не пройдет во вторую прозрачную среду, т.к. полностью отразится. Это явление называется полным отражением света . Угол падения α п, при котором преломленный луч скользит вдоль поверхности раздела сред, называется предельным углом полного отражения.

Полное отражение можно наблюдать в равнобедренной прямоугольной стеклянной призме (рис.4), которая широко используется в перископах, биноклях, рефрактометрах и др.

а) Свет падает перпендикулярно первой грани и поэтому здесь не проходит преломления (α=0 и =0). Угол падения на вторую грань α=45˚, т.е.>α п, (для стекла α п =42˚). Поэтому на этой грани свет испытывает полное отражение. Это поворотная призма, которая поворачивает луч на 90˚.

б) В этом случае свет внутри призмы испытывает уже двукратное полное отражение. Это тоже поворотная призма, поворачивающая луч на 180˚.

в) В этом случае призма уже оборотная. При выходе лучей из призмы они параллельны падающим, но при этом верхний падающий луч становится нижним, а нижний верхним.

Широкое техническое применение явления полного отражения нашло в световодах.

Световод представляет собой большое число тонких стеклянных нитей, диаметр которых порядка 20мкм, а длинна около 1м каждая. Эти нити параллельны между собой и расположены вплотную (рис. 5)

Каждая нить окружена тонкой оболочкой из стекла, показатель преломления которого меньше, чем самой нити. Световод имеет два торца, взаимное расположение концов нитей на обоих торцах светопровода строго одинаково.

Если у одного торца световода поместить какой-либо предмет и осветить его, то на другом конце световода возникнет изображение этого предмета.

Изображение получается вследствие того, что в торец каждой из нитей попадает свет от какой-либо малой области предмета. Испытывая множество полных отражений, свет выходит из противоположного торца нити, передавая отражение данной малой области предмета.

Т.к. расположение нитей друг относительно друга строго одинаково, то на другом конце появляется соответствующее изображение предмета. Четкость изображения зависит от диаметра нитей. Чем меньше диаметр каждой нити, тем более четким будет являться изображение предмета. Потери световой энергии на пути следования светового луча обычно относительно невелики в жгутах (световодах), поскольку при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (~0,9999). Потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна.

Например, в видимой части спектра в волокне длинной 1м теряется 30-70% энергии (но в жгуте).

Поэтому для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в жгуты (пучки) – световоды.

Световоды широко применяется в медицине для освещения холодным светом внутренних полостей и передачи изображения. Эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и т.д.). С помощью световодов передается лазерное излучение для лечебного воздействия на опухоли. Да и сетчатка глаза человека является высокоорганизованной волоконно-оптической системой состоящей из ~ 130х10 8 волокон.

Полное внутреннее отражение

Вну́треннее отраже́ние - явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с бо́льшим показателем 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 значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны .

Этот оптический феномен наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения включая и рентгеновский диапазон .

В рамках геометрической оптики объяснение явления тривиально: опираясь на закон Снелла и учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду - там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Полное внутреннее отражение света

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом преломления.

Красный луч падает под углом , то есть на границе сред он раздваивается - частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом .

Зелёный луч падает и полностью отражается src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Отражение рентгеновских лучей

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М. А. Кумаховым, разработавшим рентгеновское зеркало , и теоретически обосновано Артуром Комптоном в 1923 году .

Другие волновые явления

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов.

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера , то будет наблюдаться эффект полного преломления - отраженная волна будет отсутствовать.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Полное дыхание
• Полное изменение

Смотреть что такое "Полное внутреннее отражение" в других словарях:

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ - отражение эл. магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. П. в. о. осуществляется, когда угол падения i превосходит нек рый предельный (критический) угол … Физическая энциклопедия

Полное внутреннее отражение - Полное внутреннее отражение. При прохождении света из среды с n1 > n2 происходит полное внутреннее отражение, если угол падения a2 > aпр; при угле падения a1 Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полное внутреннее отражение - отражение оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим преломления показателем… … Большая советская энциклопедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ - электромагнитных волн, происходит при прохождении их из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2 под углом падения a, превышающим предельный угол aпр, определяемый соотношением sinaпр=n2/n1. Полным… … Современная энциклопедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ - ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ, ОТРАЖЕНИЕ без ПРЕЛОМЛЕНИЯ света на границе. При прохождении света из более плотной среды (например, стекло) в менее плотную (вода или воздух) существует зона углов преломления, в которой свет не проходит через границу … Научно-технический энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение - Отражение света от среды оптически менее плотной с полным возвращением в среду, из которой он падает. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики… … Справочник технического переводчика

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ - электромагнитных волн происходит при их наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол… … Большой Энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение - электромагнитных волн, происходит при наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол iпр … Энциклопедический словарь

используется в так называемой волоконной оптике. Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривают передачу светового излучения по волоконно-оптическим световодам. Волоконно-оптические световоды представляют собой систему отдельных прозрачных волокон, собранных в пучки (жгуты). Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль волокна (см. рис. 5.3).

1) В медицине и ветеринарной диагностике световоды используются главным образом для освещения внутренних полостей и передачи изображения.

Одним из примеров использования волоконной оптики в медицине является эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и др.). Одной из разновидностей таких приборов является волоконный гастроскоп . С его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики.

2) С помощью световодов также осуществляется передача лазерного излучения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опухоли.

3) Волоконная оптика нашла широкое применение и в технике. В связи с быстрым развитием информационных систем в последние годы возникла необходимость в качественной и быстрой передачи информации по каналам связи. С этой целью используется передача сигналов по лазерному лучу, распространяющемуся по волоконно-оптическим световодам.

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - сложение в пространстве двух или нескольких когерентных световых волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Когерентность.

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, т.е. волн с одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз.

Монохроматические волны (волны одной длины волны) - являются когерентными.

Так как реальные источники не дают строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света всегда некогерентны . В источнике свет излучается атомами, каждый из которых испускает свет лишь в течение времени ≈ 10 -8 с. Только в течение этого времени волны, испускаемые атомом имеют постоянные амплитуду и фазу колебаний. Но получить когерентные волны можно, разделив луч света, излучаемым одним источником, на 2 световые волны и после прохождения различных путей снова их соединить. Тогда разность фаз будет определяться разностью хода волн: при постоянной разности ходаразность фаз тоже будет постоянной .

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО МАКСИМУМА :

Если оптическая разность хода ∆ в вакууме равначетному числу полуволн или (целому числу длин волн)

(4.5)

то и колебания, возбуждаемые в точке M , будут происходить в одинаковой фазе .

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО МИНИМУМА.

Если оптическая разность хода ∆ равна нечетному числу полуволн

(4.6)

то и колебания, возбуждаемые в точке M , будут происходить в противофазе .

Типичным и распространенным примером интерференции света – мыльная пленка

Применение интерференции – просветление оптики: Часть света при прохождении через линзы отражается (до 50% в сложных оптических системах). Сущность метода просветления – поверхности оптических систем покрывают тонкими пленками, создающие интерференционные явления. Толщина пленки d=l/4 падающего света, тогда отраженный свет имеет разность хода , что соответствует минимуму интерференции

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от прямолинейного .

Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны света и размера препятствий (неоднородностей)

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

Одномерная дифракционная решетка - система параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

Суммарная дифракционная картина есть результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей - в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.

Если a - ширина каждой щели(MN) ; b - ширина непрозрачных участков между щелями (NC) , то величина d = a+ b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки .

где N 0 - число щелей, приходящееся на единицу длины.

Разности хода ∆ лучей (1-2) и (3-4) равна СF

1. . УСЛОВИЕ МИНИМУМОВ Если разность хода CF = (2n+1)l/2 – равна нечетному числу длин полуволн, то колебания лучей 1-2 и 3-4 будут проходить в противофазе, и они взаимно погасятся освещенности :

n = 1,2,3,4… (4.8)