Опыт 6.

«Полное внутреннее отражение света»

  Рассмотрим источник света находящийся на дне сосуда с водой ( рис.1.). Луч SО₁ падает на поверхность воды под наименьшим углом, этот луч частично преломляется – луч О₁А₁ и частично отражается назад в воду – луч О₁В₁. Таким образом, часть энергии падающего луча передается преломленному лучу, а оставшаяся часть энергии – отраженному лучу. 

   Луч SО₂, чей угол падения больше, также разделяется на два луча: преломленный и отраженный, но энергия исходного луча распределяется между ними уже по-другому: преломленный луч О₂А₂ будет тусклее, чем луч О₁А₁, то есть получит меньшую долю энергии, а отраженный луч О₂В₂, соответственно, будет                      

ярче, чем луч О₁В₁, то есть получит большую долю энергии.     

                             Рис.1.                       

  По мере увеличения угла падения прослеживается все та же закономерность – все большая доля энергии падающего луча достается отраженному лучу и все меньшая – преломленному лучу. Преломленный луч становится все тусклее и в какой-то момент исчезает совсем, это исчезновение происходит при достижении угла падения, которому отвечает угол преломления 90⁰. В данной ситуации преломленный луч ОА должен был бы пойти параллельно поверхности воды, но идти уже нечему – вся энергия падающего луча SО целиком перешла к отраженному лучу ОВ. Естественно, что при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч будет отсутствовать. Описанное явление и есть полное внутреннее отражение, то есть более плотная оптическая среда при рассмотренных углах не выпускает из себя лучи, все они отражаются внутрь нее.

Угол, при котором наступает это явление α_пр  , называется предельным углом полного внутреннего отражения.

    Величину предельного угла легко найти из закона преломления:

 =  =>   = arcsin, для воды  ≈ 49⁰ 

  Опыт 1. Полное внутреннее отражение.

   Укрепим на магнитной доске лазерный источник света и стеклянный полуцилиндр ( рис.2). Включим источник света и направим лазерный луч на полуциндр.  При падении луча света на внешнюю границу полуцилиндра луч света не преломляется, так как он идет перпендикулярно поверхности. Затем он в полуцилиндре идет на нижнюю грань и испытывает полное внутренне отражение. После отражения он попадает на правую грань перпендикулярно к ней и выходит из полуцилиндра без отражения.                                                                                    

 Рис.2.

Проблема. Почему внутри цилиндра происходит полное внутреннее отражения ?

Ответ. Это происходит потому, что угол падения больше предельного угла полного внутреннего отражения.

  Опыт 2. Полное внутренне отражение в плоскопараллельной пластинке.

    Укрепим на магнитной доске лазерный источник света и стеклянную плоскопараллельную пластинку ( рис.3).

    Включим источник света и направим лазерный луч на боковую грань плоскопараллельной пластинки. 

                                                                                                                          Рис.3.

    При падении луча света на границу двух сред  воздух – стекло луч преломится. Затем он доходит до верхней границы стекло-воздух. Так как на верхнюю границу он падает под углом большим чем предельный угол полного внутреннего отражения то отразится от нее  и пойдет на нижнюю грань пластинки, Там произойдет тоже самое. И когда луч достигнет правой боковой грани пластинки  он выйдет из нее в полном соответствии с законами преломления света.

Проблема. Почему световой луч окажется «запертым» в плоскопараллельной пластинке и не выйдет через верхнюю и нижнюю грани.

Ответ. Потому что световой луч дойдя до верхней и нижней граней пластинки испытывает явление полного внутреннего отражения.

  Опыт 3. Оптический световол.

  Световод  - представляет оптическое волокно круглого сечения, состоящий из диэлектрического  материала, в окружении другого диэлектрического материала с меньшим показателем преломления n. Стеклянные световоды  чаще всего сделанные из кварцевого стекла, могут быть использованы для передачи лучей света на большие расстояния ( Рис.4).

Рис.4.

      Укрепим на магнитной доске лазерный источник света и оптический световод.

    Включим источник света и направим лазерный луч на световод. На правом конце световода (рис.5) увидим выходящий луч.

Рис.5.  

Проблема. Почему из изогнутого световода будет выходить луч света.                                                                                                             

Ответ. Потому что внутри световода луч,  дойдя до стенок световода будет испытывать полное внутреннее отражение.

   Оптические волокна используются в сетях передачи данных вместо металлических проводов, т. к. сигналы проходят по ним с меньшими потерями, и они совершенно не подвержены действию внешних электромагнитных излучений; они имеют меньший вес и стоимость в эквивалентном информационном применении. Оптические волокна могут использоваться для локального освещения. Оптические волокна, собранные в пучки и упакованные в виде многоволоконных волноводов, проводящих видимые электромагнитные волны (например, световые) , могут использоваться для передачи изображения, позволяя рассматривать, фотографировать или передавать оптическое изображение с труднодоступных объектов. В быту пременяются световодные «букеты»,                          елки со светодиодными украшениями и т.д ( рис.6).                                                           

Рис.6.    

Нижегородские предприятия изготовляют самые различные оптические волокна.    

Опыт 4. Полное внутренне отражение в призме.

    Укрепим на магнитной доске лазерный источник света призму.     Включим источник света и направим лазерный луч на  призму ( рис.7).  Луч света испытав в призме дважды полное внутреннее отражение выйдет из призмы обратном направлении.

Такая призма называется поворотной  призмой (рис.7). На рис. 8 представлен ход лучей в оборотной призме, которая переворачивает изображение. Такая призма называется оборотной.

                                                                     Рис.7.                                                                           Рис. 8. 

 Опыт 5. Катафоты.

 Катафоты – специализированные уголковые отражатели. Одним из примеров катафотов являются сферические катафоты, принцип действия которых основан на явлении полного внутреннего отражения. Лучи света падающие на катафот возвращаются от него в том же направлении.

 Чаще всего катафоты применяются на велосипедах.  Главная функция катафота  - сделать велосипедиста более заметным на ночной дороге.    Обозначить направления его движения.  

Катафоты бывают трех цветов : белый, желтый и красный ( рис. 9).

                Рис. 9.           

  При езде в ночное, вечернее время, в сумерках и при плохой освещенности свет от фар автомобиля, попадает на катафот и возвращается в том же направлении, откуда пришел – в результате водитель автомобиля видит велосипедиста на дороге заранее, а не в самый последний момент, когда уже затормозить и предотвратить столкновение невозможно.

   Если водитель видит впереди себя белый свет ( отражение от катафота) значит, велосипедист едет во встречном направлении.

   Если красный – велосипедист двигается в том же направлении, что и автомобиль.

   Если оранжевые, двигающиеся по окружности световые пятна – велосипедист  пересекает дорогу автомобилю.