Полное отражение света (оптические волокна, отражающая призма и миражи)

| 1 октября, 2021 | Физика

Преломление света используется в практике полного отражения и дисперсии белого света , когда световой луч перемещается из оптически более плотной среды (такой как вода ) к оптически менее плотной один (такой как воздух), она преломляет от нормальной линии , С увеличением угла падения в оптически более плотной среде угол преломления увеличивается в оптически менее плотной.

Полное отражение

При определенном угле падения угол преломления достигает своего максимального значения, которое составляет 90 °, и свет выходит по касательной к разделяющей поверхности и называется в этом случае скользящим лучом, угол падения называется критическим углом ( Φ c ).

Когда угол падения превышает значение критического угла, световой луч не выходит в оптически менее плотную среду, а полностью отражается в оптически более плотной среде, и это явление называется полным отражением.

Критический угол между двумя средами (Φ c ) — это угол падения в оптически более плотной среде, который соответствует углу отражения в менее плотной среде, равному 90 °.

Полное отражение — это отражение световых лучей в оптически более плотной среде, когда угол падения превышает критический угол оптически более плотной среды.

Когда критический угол среды с воздухом = 40 °, это означает, что угол падения в этой среде = 40 °, соответствует углу преломления в воздухе = 90 °.

Условия полного отражения

  1. Световые лучи проходят от оптически более плотной среды к оптически менее плотной.
  2. Угол падения должен превышать критический угол между двумя средами.

Выведение связи между синусом критического угла и показателем преломления среды.

Применяя закон Снеллиуса :

n1 грех Φ = n2 грех Θ

Φ = Φ c   , Θ = 90 °

∴ n1 sin Φ c = n2 sin 90 °

грех Φ c  = n2 / n1 = 1n2

Где (n) — абсолютный показатель преломления оптически более плотной среды.

Аппликации на полное отражение света

  1. Оптические волокна (оптоволокно).
  2. Отражающая призма.
  3. Мираж .

Оптические волокна (оптоволокно)

Оптическое волокно представляет собой нитевидную трубку из прозрачного эластичного материала, которую можно изгибать, но при этом пропускать свет, и можно сделать из пучка волокон.

Когда световой луч падает на любую часть внутренней стенки оптического волокна с углом падения, превышающим критический угол, он подвергается последовательным многократным отражениям, пока не выйдет с другого конца без больших потерь в интенсивности света, несмотря на изгиб волокна .

Оптическое волокно представляет собой нитевидную трубку из прозрачного эластичного материала, в которую световой луч входит с одного конца и подвергается последовательным многократным отражениям, пока не выйдет с другого конца.

Использование оптических волокон

  1. Передача света в труднодоступные части.
  2. Передача света по непрямым путям без больших потерь в интенсивности света.
  3. В настоящее время они широко используются в медицинском обследовании, например, в медицинских эндоскопах, которые используются в диагностике и оперативной хирургии с использованием лазерного луча .
  4. Связь как свет может передавать миллионы электрических сигналов по оптоволоконным кабелям .

Отражающая призма

Отражающая стеклянная призма, углы которой (45 °, 45 °, 90 °), она может изменять путь светового луча на 90 ° или 180 °, поэтому она используется в некоторых оптических инструментах, таких как перископ на подводных лодках и бинокль в полевых условиях. .

Изменение пути светового луча на 90 °: когда световой луч обычно падает на одну из прямоугольных сторон, он проходит прямо и падает на сторону, противоположную прямому углу 45 °.

Поскольку критический угол между стеклом и воздухом составляет 42 °, световой луч полностью отражается под углом 45 °. Отраженный световой луч обычно падает на другую прямоугольную сторону и проходит без отражения.

Изменение пути светового луча на 180 °: когда световой луч обычно падает на сторону, противоположную прямому углу, он проходит прямо и падает на одну из прямоугольных сторон под углом 45 °, поскольку критический угол между стекло и воздух 42 °, тогда луч света полностью отражается под углом 45 °.

Отраженный световой луч падает на другую прямоугольную сторону под углом 45 ° и отражается под углом 45 °. Отраженный световой луч обычно падает на сторону, противоположную прямому углу, и проходит без преломления.

Отражающие призмы предпочтительнее, чем металлическая отражающая поверхность ( зеркало) в некоторых оптических приборах, потому что они полностью отражают свет, в то время как редко можно найти металлическую отражающую поверхность с эффективностью 100%. Кроме того, металлическая поверхность в конечном итоге теряет свой блеск и, следовательно, его способность к отражению уменьшается. Этого не происходит в призме.

Поверхности, на которые световые лучи падают на призму или выходят из нее, могут быть покрыты неотражающим слоем материала, такого как криолит (фторид алюминия и фторид магния), показатель преломления которого меньше, чем у стекла. Таким образом, критический угол между стекло и криолит становятся мельче, чтобы избежать потерь на отражение на призме, даже незначительных.

Мираж

В жаркие дни дороги кажутся покрытыми водой , холмы и пальмы кажутся перевернутыми изображениями, такими как изображение, образованное из-за отражения на поверхности воды. Итак, наблюдатель думает, что на дороге была вода, и это явление известно как мираж .

В очень жаркие дни температура слоев воздуха, прилегающих к поверхности Земли, увеличивается, так что его плотность уменьшается больше, чем в верхних слоях. Соответственно, показатели преломления верхних слоев становятся больше, чем нижних слоев (n 1 > n 2 ).

Когда световой луч проходит из верхних слоев воздуха в нижние слои воздуха, он преломляется от нормали в соответствии с законом Снеллиуса , где ( n 1  sin Φ = n 2 sin Θ), отклонение светового луча увеличивается, когда он проходит через воздушные слои движутся по кривой траектории.

Когда угол падения светового луча в одном слое становится больше критического угла следующего слоя, световой луч полностью отражается по кривой вверх, пока не достигнет глаза, так что глаз видит изображение (верхняя часть ладони) перевернутая на продолжении световых лучей, которые попадают в глаза, и наблюдатель думает, что это пруд.