Підручник Фізика 9 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 СВІТЛОВІ ЯВИЩА

§ 16. ЗАЛОМЛЕННЯ СВІТЛА НА МЕЖІ ПОДІЛУ ДВОХ СЕРЕДОВИЩ. ЗАКОНИ ЗАЛОМЛЕННЯ СВІТЛА

Ви дізнаєтесь

- Чому утворюються міражі

Пригадайте

- Закон відбиття світла

Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Якщо ви подивитесь на дно річки або басейну крізь шар води, то воно буде здаватися вам ближчим, ніж є насправді. З’ясуємо причину цього явища.

На межі двох прозорих середовищ спостерігаються явища поглинання, відбивання й заломлення світла.

Заломлення світла — явище зміни напрямку поширення світла в разі його проходження через межу поділу двох середовищ (мал. 109).

Мал. 109. Заломлення світла у воді

Причиною виникнення явища заломлення світла є зміна швидкості поширення світла при переході з одного середовища в інше. Як ви вже знаєте, у вакуумі світло поширюється зі швидкістю 300 000 .

У повітрі швидкість поширення світла змінюється незначно, тому вважається, що і для повітря вона становить 300 000 . Швидкість поширення світла у прозорих середовищах зменшується порівняно зі швидкістю світла в повітрі у відповідну кількість разів: у воді в 1,33 раза; у склі — майже в 1,6 раза; в алмазі — у 2,4 раза.

Фізична величина, що показує, у скільки разів швидкість поширення світла у вакуумі (с) є більшою, ніж швидкість світла в середовищі (), називається абсолютним показником заломлення середовища n, n = .

Абсолютний показник заломлення середовища має глибокий фізичний зміст. Він пов’язаний зі швидкістю поширення світла в даному середовищі, яка залежить від фізичного стану середовища (температури, густини тощо). Крім того, показник заломлення залежить від кольору світла: для червоного світла він менший, ніж для зеленого, а для зеленого — менший, ніж для фіолетового. Для будь-якого середовища абсолютний показник заломлення n > 1. Для повітря абсолютний показник заломлення приблизно дорівнює 1.

Із двох прозорих середовищ оптично більш густим називають середовище з більшим показником заломлення, тобто середовище, у якому швидкість поширення світла є меншою.

Отже, можна стверджувати, що вода — більш оптично густе середовище, ніж повітря, а скло чи алмаз — більш оптично густі середовища в порівнянні з водою.

Закони заломлення світла. Застосовуючи оптичний диск (мал. 110, а), дослідимо явище заломлення більш детально.

Цього разу закріпимо на диску скляний півциліндр так, щоб центр півциліндра збігався із центром диска. Спрямуємо на нього світловий пучок. Ми бачимо, що на межі повітря — скло світловий пучок розділяється на дві частини: одна його частина відбивається, а друга, проходячи крізь скло, — заломлюється, змінюючи напрямок поширення (нижня частина півциліндра має таку форму, що промінь при переході зі скла в повітря не заломлюється, бо кут падіння становить 0°).

Зробимо схематичний малюнок і позначимо: падаючий світловий промінь SO, відбитий промінь ОК, заломлений промінь ОВ, перпендикуляр MN, опущений до межі поділу двох середовищ через точку О падіння променя, кут падіння , кут відбивання , кут заломлення (мал. 110, б).

Змінюючи положення джерела світла, змінюємо кут падіння. Вимірювання показують, що відповідно змінюється й кут заломлення (мал. 111).

Мал. 110. Дослідження заломлення світла

Мал. 111. Зміна кута заломлення в разі зміни кута падіння

Співвідношення значень кута падіння та кута заломлення в разі переходу пучка світла з одного середовища в інше залежить від оптичної густини кожного із середовищ. Наприклад, при переході світлового променя з повітря у скло кут заломлення менший від кута падіння (nпов < nскла, у1 < а1), оскільки скло — більш оптично густе середовище, ніж повітря, а при переході світлового променя із скла у воду кут заломлення більший, ніж кут падіння (nвод < nскл, у2 > а2), бо вода — менш оптично густе середовище, ніж скло (мал. 112).

Вимірювання кутів падіння та заломлення, співвідношення абсолютних показників заломлення середовищ дозволяють визначити закони заломлення світла:

- падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, установлений до межі поділу середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині;

- відношення синуса кута падіння () до синуса кута заломлення () світлового променя є сталою величиною, яка дорівнює відносному показнику заломлення двох середовищ, = = n21, тут n1 і n2 — абсолютні показники заломлення першого та другого середовищ, n21 — відносний показник заломлення.

Мал. 112. Заломлення світла в середовищах з різною оптичною густиною

Мaл. 113. Визначення умови повного відбиття

Повне відбиття. Цікаве явище спостерігається під час поширення світла із середовища з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною густиною. Якщо поступово збільшувати кут падіння, то при певному його значені 0 кут заломлення дорівнюватиме 90°. При дальшому збільшені кута падіння падаючий промінь буде відбиватись у те саме середовище, звідки поширювалося світло (мал. 113). Такий випадок явища заломлення називають повним внутрішнім відбиттям.

Явище, коли світло, поширюючись у більш густому середовищі, повністю відбивається від межі поділу з менш густим середовищем, називається явищем повного відбиття.

Кутом повного внутрішнього відбиття називається найменший кут падіння 0, за якого кут заломлення буде становити 90°, а отже, заломлений промінь також буде відбиватись від межі поділу середовищ. Із закону заломлення світла випливає, що синус цього кута дорівнює .

Мал. 114. Оптичні волокна

Повне внутрішнє відбиття застосовують у сучасній техніці для передавання світлових сигналів (для телевізорів, комп’ютерів, телефонів) тонкими скляними нитками — світловодами (так звана «волоконна оптика» (мал. 114)). Оптичні волокна застосовують і в медицині. За їх допомогою на монітор передають зображення внутрішніх органів, що дозволяє ретельно їх обстежувати.

Природні явища, зумовлені заломленням світла. Заломленням світла пояснюється виникнення міражів.

Удень у пустелі нижні шари повітря дуже прогріваються від гарячого піску, унаслідок чого повітря стає неоднорідним. Проходячи крізь таке середовище, промінь світла плавно викривляється. У результаті цього промінь, що йде зверху від блакитного неба, попадає в око мандрівнику знизу, і йому здається, ніби він бачить блакитне озеро (мал. 115, а).

Подібні міражі можна спостерігати у спекотний літній день на автомобільних дорогах. Водію або пасажиру здається, що на асфальті є «калюжі», хоча насправді шосе сухе.

Міражі спостерігаються й над морем. У цьому разі тепліші шари повітря містяться над холоднішими й виникає так званий верхній міраж (мал. 115, б).

Мaл. 115. Утворення міражів: а — нижнього; б — верхнього

Заломленням світла пояснюється також виникнення веселки. Про цей випадок детальніше йтиметься в наступному параграфі.

Підбиваємо підсумки

- На межі двох прозорих середовищ спостерігаються явища поглинання, відбивання та заломлення світла.

- Закони заломлення світла:

► падаючий промінь, заломлений промінь та перпендикуляр, установлений до межі поділу середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині;

► відношення синуса кута падіння () до синуса кута заломлення () світлового променя є сталою величиною, яка дорівнює відносному показнику заломлення двох середовищ, = = n21, тут n1 і n2 — абсолютні показники заломлення першого і другого середовищ, n21 — відносний показник заломлення.

- Причиною виникнення явища заломлення світла є зміна швидкості поширення світла при переході з одного середовища в інше. Фізична величина, що показує, у скільки разів швидкість поширення світла у вакуумі більша, ніж у середовищі, називається абсолютним показником заломлення середовища.

- Явище відбиття світла від межі поділу з менш густим середовищем без заломлення, називається явищем повного відбиття.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Чим зумовлене заломлення світла на межі двох прозорих середовищ?

2. Яке середовище називають більш оптично густим?

3. Сформулюйте й запишіть закони заломлення світла.

4. Який фізичний зміст відносного показника заломлення? Абсолютного показника заломлення?

5. Поясніть сутність явища повного внутрішнього відбиття світла. Що називають граничним кутом повного внутрішнього відбиття світла? Яка формула відображає зміст цього поняття?

6. Яке практичне застосування повного внутрішнього відбиття світла? Що таке світловод?

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити