mozok.click

W jednym ze starożytnych greckich traktatów jest opisane doświadczenie: „Należy stać w taki sposób, aby płaski pierścień, położony na dno naczynia, schował się za jego brzegiem. Następnie, nie zmieniając położenia oczu, wlać do naczynia wodę. Światło załamuje się na powierzchni wody i pierścień staje się widoczny" (patrz rys. 12/j). Taką „sztuczkę" obecnie możesz pokazać swojej rodzinie, jednak wyjaśnić ją będziesz mógł dopiero po przeczytaniu danego paragrafu.

Rys. 12.1. „Sztuczka" z monetą. Gdy w kubku nie ma wody, monety leżącej na dnie kubka nie widzimy (o); gdy nalewamy wodę, dno kubka jakby podnosi się i moneta staje się widoczna (fa)

Ustalamy prawa załamania światła

Przeprowadźmy doświadczenie (rys. 12.2). Skierujemy wąską wiązką światła na płaską powierzchnię przezroczystego szklanego półwalca, umocowanego na półkrążku optycznym. Światło nie tylko odbije się od powierzchni walca, ale również częściowo przejdzie przez szkło. Zatem podczas przejścia z powietrza do szkła zmienia się kierunek rozchodzenia się światła.

Załamanie światła - zjawisko zmiany kierunku promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków.

Kąt γ (gamma) załamania - kąt pomiędzy promieniem załamanym a prostą prostopadłą do powierzchni granicznej w miejscu padania.

Przeprowadzając liczne doświadczenia z pół-krążkiem optycznym zauważymy, że wraz ze zwiększeniem kąta padania, zwiększa się kąt załamania, a wraz ze zmniejszeniem kąta padania, zmniejsza się kąt załamania (rys. 12.3). Jeżeli światło pada prostopadle na granicę między dwoma ośrodkami (kąt padania równa się zeru), to kierunek rozchodzenia światła nie zmienia się.

Pierwsze wzmianki o załamaniu światła możemy znaleźć w pracach starożytnego filozofa Arystotelesa (IV w. p.n.e.), który myślał: „Dlaczego patyk w wodzie wydaje się nam złamany? Prawo, które ilościowo opisuje załamanie światła, zostało ustalone dopiero w 1621 r. przez holenderskiego uczonego Willebrorda Snęła van Royena (1580-1626).

Prawa załamania światła:

1. Promień padający, promień załamany i prostopadła do powierzchni granicznej w punkcie padania leżą w jednej płaszczyźnie.

2. Padający na granicę między dwoma ośrodkami promień światła załamuje się tak, że iloraz sinusa kąta padania i sinusa kąta załamania jest stały:

gdzie n-2\ — wielkość fizyczna, zwana względnym, współczynnikiem załamania ośrodka 2 (ośrodka, w którym światło rozchodzi się po załamaniu) względem ośrodka 1 (ośrodka, z którego światło pada).

Dowiadujemy się o przyczynie załamania światła

Dlaczego światło, przy padaniu na granicy dwóch ośrodków zmienia swój kierunek?

Dzieje się tak dlatego, że w różnych ośrodkach światło rozchodzi się z różną prędkością, lecz zawsze powolniej, niżeli w próżni. Na przykład, w wodzie prędkość rozchodzenia się światła jest 1,33 razy mniejsza, niż w próżni; na granicy woda — szkło, prędkość rozchodzenia się światła zmniejsza się jeszcze 1,3 razy; w powietrzu prędkość rozchodzenia się światła jest 1,7 razy większa, niż w szkle, i niewiele (w przybliżeniu 1,0003 razy) mniejsza, niż w próżni.

Właściwie zmiana rozchodzenia się światła na granicy dwóch przezroczystych ośrodków jest przyczyną załamania, światła.

O optycznej gęstości ośrodka mówimy: im mniejsza jest prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku (im większy jest współczynnik załamania), tym większa jest optyczna gęstość ośrodka.

Jak uważasz, jaki ośrodek jest optycznie gęstszy - woda czy szkło? optycznie rzadszy — szkło czy powietrze?

Wyjaśnijmy sens współczynnika załamania

Względny współczynnik załamania [n₂1) wskazuje, ile razy prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku 1 jest większa od prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku 2:

Stosując drugie prawo załamania światła:

otrzymujemy:

Po przeanalizowaniu ostatniego wzoru, wnioskujemy:

1) im bardziej zmienia się prędkość światła, tym więcej ono zatamuje się·,

2) przy przejściu promienia świetlnego do ośrodka optycznie gęstszego (czyli prędkość światła zmniejsza się: v₂ < v₁), kąt załamania jest mniejszy od kąta padania'. γ<α (patrz na przykład rys. 12.2, 12J3);

2) przy przejściu promienia, świetlnego do ośrodka optycznie rzadszego (czyli prędkość światła zwiększa się: v₂ > v₁), kąt załamania jest większy od kąta padania·. γ>α (rys. 12.4).

Zwykle prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku porównujemy z prędkością jego rozchodzenia się w próżni. Gdy światło trafia do ośrodka z próżni, to współczynnik załamania n nazywamy bezwzględnym współczynnikiem załamania.

Bezwzględny współczynnik załamania wskazuje, ile razy prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku jest mniejsza, niżeli w próżni:

gdzie c - prędkość rozchodzenia się światła w próżni (c=3· 10⁸ m/s); υ - prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku.

Rys. 12.4. Przy przejściu światła z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego kąt załamania jest większy niż kąt padania (γ>α)

Prędkość rozchodzenia się światła w próżni jest większa, niżeli w dowolnym ośrodku, dlatego bezwzględny współczynnik załamania jest zawsze większy od jedności (patrz tabelę).

Zwróć uwagę: n_powietrza« 1, dlatego badając przejście światła z powietrza do ośrodka uważamy, że względny współczynnik załamania ośrodka równa się bezwzględnemu współczynnikowi.

Zjawisko załamania światła jest podstawą pracy licznych przyrządów optycznych, o których dowiesz się później.

Stosowanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia światła

Rozważmy przypadek, gdy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego (rys. 12.5). Jak widać, przy zwiększeniu kąta padania (a₂>oc₁) kąt załamania γ przybliża się do 90°, jasność wiązki załamanej zmniejsza się, a jasność odbitej, na odwrót - zwiększa się. Przy dalszym zwiększeniu kąta padania, kąt załamania osiąga wartości 90°. Wiązka załamana zanika, wiązka padająca całkowicie (bez strat energii) wraca do pierwszego ośrodka - światło całkowicie odbija się.

Całkowite wewnętrzne odbicie - odbicie światła bez strat energii na granicy ośrodków; zachodzi podczas przechodzenia światła z ośrodka o większym współczynniku załamania do ośrodka o mniejszym współczynniku załamania, gdy kąt padania jest większy od kąta granicznego.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia jest znane tym z was, którzy chociażby raz nurkowali w wodzie z otwartymi oczami (rys. 12.6).

Jubilerzy w ciągu stuleci wykorzystują zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia w celu podwyższenia piękności kamieni szlachetnych. Kamienie naturalne są szlifowane by nadać im kształtu wielościanówki kamienia pełnią rolę „Zwierciadeł wewnętrznych” i kamień migocze w promieniach padającego światła.

Całkowite odbicie światła jest wykorzystywane w technice optycznej (rys. 12.7). Jednak najważniejsze jego zastosowanie jest powiązane z fizyką elektroniczną. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia znalazło zastosowanie w światłowodach. Są to cienkie, elastyczne włókna, wykonane ze szkła kwarcowego lub plastiku. Promień świetlny wielokrotnie odbija się od wewnętrznych ścianek i biegnie wzdłuż włókna mimo jego załamań i skrętów (rys. 12.8).

Światłowody stosuje się szeroko w diagnostycznych przyrządach medycznych, zwanych endoskopami; w technice w celach odnalezienia defektów wewnątrz silników; do oświetlenia światłem słonecznym zamkniętych pomieszczeń; w ozdobnych lampach (rys. 12.9).

Jednak najlepiej sprawdza się światłowód do przekazywania informacji (rys. 12.10). Obecnie światłowody są produkowane z włókien szklanych cienkich jak pajęczyna, a kable złożone z takich nici służą do przekazywania informacji m.in. w telekomunikacji. Takie kable są o wiele tańsze niż zwykłe miedziane, praktycznie nie zmieniają swoich właściwości pod wpływem środowiska naturalnego, pozwalają przekazywać więcej informacji. Obecnie włókienno-optyczne linie łączności powszechnie zamieniają tradycyjne. Gdy będziesz oglądać telewizję lub korzystać z Internetu pamiętaj, że większą część swojej „drogi” sygnał biegnie „drogą szklaną”.

Uczymy się rozwiązywać zadania

Zadanie. Promień świetlny przechodzi z ośrodka

1 do ośrodka 2 (rys. 12.11, a). Prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku 1 wynosi 2,4 · 108 m/s. Wyznacz bezwzględny współczynnik załamania ośrodka

2 i prędkość światła w danym ośrodku.

Analiza problemu fizycznego. Z rys. 12.11, a widać, że na granicy dwóch ośrodków światło załamuje się, więc prędkość jego rozchodzenia zmienia się.

Wykonamy konstrukcję rysunku (rys. 12.11, b), na którym:

1) narysujemy promienie, dane w warunku zadania;

2) przeprowadzimy z punktu padania promienia prostopadłą do granicy dwóch ośrodków;

3) oznaczymy a kąt padania i γ — kąt załamania.

Bezwzględny współczynnik załamania — jest to współczynnik załamania względem próżni. Aby rozwiązać zadanie, należy podać wartość prędkości światła w próżni i obliczyć prędkość światła w ośrodku 2 (v₂).

Aby znaleźć v₂ należy wyznaczyć sinusy kąta padania i kąta załamania.

Poszukiwanie modelu matematycznego, rozwiązanie Zgodnie z definicją bezwzględnego współczynnika załamania:

Analiza rozwiązania. Według warunku zadania kąt padania jest większy od kąta załamania, co znaczy, że prędkość światła w ośrodku 2 jest mniejsza od prędkości światła w ośrodku 1. Więc, otrzymane wyniki są prawidłowe.

Podsumowanie

Wiązka światła, padając na granicę dwóch ośrodków, dzieli się na dwa promienie. Jeden z nich - odbity - odbija się od powierzchni, opisują go prawa odbicia światła. Drugi - załamany - przechodzi do drugiego ośrodka, zmieniając swój kierunek.

Prawa załamania światła:

1. Promień padający, promień załamany i prostopadła do powierzchni granicznej w punkcie padania leżą w jednej płaszczyźnie.

2. Padający na granicę między dwoma ośrodkami promień załamuje się tak,

że iloraz sinusa kąta padania a i sinusa kąta załamania γ jest stały:

Przyczyną załamania światła jest zmiana prędkości jego rozchodzenia się w przypadku przejścia z jednego ośrodka do drugiego. Względny współczynnik załamania n₂1 wskazuje, ile razy prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku 1 jest większa (lub

mniejsza), niżeli prędkość rozchodzenia się światła w środowisku 2:

Jeżeli światło przechodzi do ośrodka z próżni, współczynnik załamania n nazywamy bezwzględnym współczynnikiem załamania: n = c /v .

Jeżeli podczas przejścia światła z ośrodka 1 do ośrodka 2 prędkość rozchodzenia się światła zmniejsza się (czyli współczynnik załamania ośrodka 2 jest większy od współczynnika załamania 1: n₂>n₁), to uważamy, że światło przeszło z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka optycznie gęstszego (i na odwrót).

Pytania kontrolne

1. Jakie doświadczenia potwierdzają zjawisko załamania światła na granicy dwóch ośrodków? 2. Sformułuj prawa załamania światła. 3. W czym tkwi przyczyna załamania światła. 4. Na co wskazuje współczynnik załamania światła?

5. Jak jest powiązana prędkość rozchodzenia się światła z optyczną gęstością ośrodka? 6. Podaj definicję bezwzględnego współczynnika załamania.

Ćwiczenie nr 12

1. Narysuj w zeszycie rys. 1 uważając, że ośrodek 1 jest optycznie gęstszy od ośrodka 2, narysuj schematycznie promień padający (lub załamany), oznacz kąty padania i załamania.

2. Oblicz prędkość rozchodzenia się światła w diamencie; wodzie; powietrzu.

3. Promień świetlny pada z powietrza do wody pod kątem 60°. Kąt pomiędzy promieniami odbitym i załamanym równa się 80°. Oblicz kąt załamania promienia.

Stojąc na brzegu zbiornika wodnego, próbujemy wyznaczyć na oko jego głębokość, wydaje się ona zawsze mniejsza, niżeli jest w rzeczywistości. Za pomocą rys. 2, wyjaśnij, dlaczego tak jest.

5. Za jaki czas światło dochodzi od dna jeziora o głębokości 900 m do powierzchni wody?

6. Wyjaśnij „sztuczkę” z pierścieniem (monetą), opisaną na początku § 12 (patrz rys. 12.1).

7. Promień świetlny przechodzi z ośrodka 1 do ośrodka 2 (rys. 3). Prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku 1 wynosi 2,5 * 10⁸ m/s. Określ:

1) optyczna gęstość którego ośrodka jest większa;

2) współczynnik załamania ośrodka 2 względem ośrodka 1;

3) prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku 2;

4) bezwzględny współczynnik załamania każdego ośrodka.

8. Skutkiem załamania światła w atmosferze Ziemi jest powstanie miraży, a także to, że widzimy Słońce i gwiazdy powyżej ich rzeczywistego położenia. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się więcej o tych zjawiskach przyrody.

Doświadczenie

1. „Sztuczka z monetą . Pokaż komuś ze swoich kolegów doświadczenie z monetą (patrz rys. 12.1). Wyjaśnij je.

2. „Wodne zwierciadło”. Zaobserwuj całkowite odbicie światła. Napełnij szklankę do połowy wodą. Wrzuć do niej dowolny przedmiot, na przykład długopis plastikowy, można z napisem.

Trzymając szklankę w ręku, umieść ją na odległości 25—

30 cm od oczu (patrz rysunek). Podczas doświadczenia uważnie obserwuj długopis.

Podnosząc oczy będziesz widzieć cały długopis (część podwodną i część nadwodną). Powoli odsuwaj od siebie szklankę, nie zmieniając wysokości jej położenia. Gdy szklanka będzie dość daleko od twoich oczu, powierzchnia wody będzie wydawać się na lustrzaną — zobaczysz lustrzany obraz podwodnej części długopisu. Wyjaśnij obserwowane zjawisko.

PRACA LABORATORYJNA NR 4

Temat. Badanie załamania światła.

Cel: obliczyć współczynnik załamania szkła wzglę

dem powietrza.

Przyrządy: szklana płytka, ołówek, ekierka ze skalą

milimetrową, cyrkiel.

WYKONANIE PRACY

Przygotowanie się do doświadczenia

1. Przed początkiem pracy, przypomnij sobie:

1) zasady bezpieczeństwa z ciałami szklanymi;

2) prawa załamania światła;

3) wzór obliczenia współczynnika załamania.

2. Przygotuj rysunki do wykonania pracy (patrz rys. 1). W tym celu:

1) połóż na kartkę zeszytu szklaną płytkę i oprowadź ją ostro zatemperowanym ołówkiem;

2) na odcinku, który odpowiada położeniu górnej załamanej ściany płytki:

• oznacz punkt O;

• przeprowadź przez punkt O prostą k, prostopadłą do danego odcinka;

• za pomocą cyrkla narysuj okrąg o promieniu 2,5 cm ze środkiem w punkcie O;

3) pod kątem około 45° narysuj promień, określający kierunek wiązki światła, padającej w punkt O; oznacz punkt przecięcia promienia i okręgu literą A;

4) powtórz dwukrotnie działania, opisane w punktach 1—3 (narysuj jeszcze dwa rysunki), najpierw zwiększając, a następnie zmniejszając dany kąt padania promienia światła.

Doświadczenie

Przestrzegaj zasad bezpieczeiistwa

1. Połóż szklaną płytkę na pierwszy rysunek.

2. Patrząc na promień AO przez szkło, zaznacz obok dolnej ściany płytki punkt M tak, aby wydawało się, że jest ona rozmieszczona na przedłużeniu promienia AO (rys. 2).

3. Powtórz działania, opisane w punktach 1 i 2, jeszcze dla dwóch rysunków.

Opracowanie wyników doświadczenia

Wyniki pomiarów i obliczeń zapisz do tabeli.

Dla każdego doświadczenia (patrz rys. 3):

1) narysuj załamany promień OM.

2) odszukaj punkt przecięcia promienia OM z okręgiem (punkt B).

3) z punktów A i B poprowadź prostopadłe do prostej k, zmierz długości a i b otrzymanych odcinków i promień okręgu r.

4) wyznacz współczynnik załamania szkła względem powietrza:

Analiza doświadczenia i jego wyników

Zinterpretuj doświadczenie i jego wyniki. Wyciągnij wniosek, w którym zaznacz: 1) jaką wielkość fizyczną wyznaczaliśmy; 2) jaki wynik otrzymaliśmy; 3) czy zależy wartość otrzymanej wielkości od kąta padania światła; 4) podaj przyczyny możliwej niepewności doświadczenia.

Zadanie twórcze

Za pomocą rys. 4, wymyśl i zapisz plan przeprowadzenia doświadczenia wyznaczenia współczynnika załamania wody względem powietrza.

W razie możliwości przeprowadź doświadczenie.

Zada nie „z gwiazdką"

Dla jednego z doświadczeń oblicz względną niepewność doświadczenia według wzoru:

gdzie tl_wym - otrzymana z doświadczenia wartość współczynnika załamania szkła względem powietrza; n - tabelaryczna wartość bezwzględnego współczynnika załamania szkła, z którego sporządzona jest płytka (zapytaj nauczyciela).

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar