Версия 14:47, 23 октября 2012

Гипермаркет знаний>>Физика>>Физика 7 класс>> Полное отражение

• Приведем  несколько фактов,  на  первый  взгляд,  совсем  не  связанных  друг с  другом:  когда  по  телевизору  показывают  подводные  съемки,  поверхность воды  над  подводниками  в  тихую  погоду  кажется  зеркальной  (рис.  3.40); ювелиры  огранивают  драгоценные  камни,  чтобы  увеличить  их  привлека тельность;  в  настоящее  время  все  большее  применение  получают  так  на­зываемые  оптические  линии  связи.  Оказывается,  между  этими  фактами все-таки  есть  общее:  все  они  связаны  с  одним физическим явлением  —  пол­ным  внутренним  отражением  света.
  

Рис. 3.40. Наблюдателю, находя­щемуся под водой, поверхность воды кажется блестящей, как зеркало

1. Формулируем гипотезу полного отражения

Чтобы  разобраться  в  причинах  этого  физи­ческого  явления  и  понять  основы  его  практическо­го  применения,  необходимо  вернуться  к  материалу предыдущего параграфа,  где мы экспериментирова­ли  с преломлением  светового луча.  Вспомним:  если пучок света переходит из среды с большей  оптичес­кой плотностью в ту, оптическая плотность которой меньше,  угол  преломления  будет  всегда  большим, чем угол  падения.

Представим  теперь,  как  будет  изменяться  угол преломления  светового  пучка  в  случае  увеличения угла его падения. Для этого схематически изобразим падение пучка света на поверхность раздела сред под разными  углами,  причем  угол  падения  пучка  света будем последовательно увеличивать (рис.  3.41). Срав­нивая рис.  3.41,  а и рис.  3.41,  б, мы видим,  как пре­ломленный  пучок  приближается  к  границе  раздела двух  сред.  Логически  рассуждая,  в  случае  дальней­шего  увеличения  угла  падения  угол  преломления наконец  превысит  90°  (рис.  3.41,  в).  Однако  угол больше  90° —  это  уже не  преломление  пучка света, а  его  возвращение  в  первую  среду!  «Возвращение в  первую среду»  означает  на  самом деле  отражение, причем  отражение  полное,  так  как  весь  падающий пучок света  должен  возвратиться в  первую среду.

Таким образом, на основании только знания пре­ломления света и размышлений мы сделали предпо­ложение о существовании нового для  вас явления.

Теперь  сформулируем  наше  предположение в  виде  гипотезы.

Если направить под большим углом падения пуч­ки  света  из  среды  с  большей  оптической  плотнос­тью  в  ту,  оптическая  плотность  которой меньше, то  падающий  пучок  не  будет  проходить  во  вторую среду,  а  полностью  отразится  от  границы  раздела.

Проверим  нашу  гипотезу  с  помощью  экспери­мента.

Рис. 3.41  Схематическое изображение лучей, падающих на поверхность раздела двух сред из среды 1  с большей оптической плотностью в среду 2 с меньшей оптической плотностью. Угол падения луча увеличивается от схемы к схеме (от схемы а к схеме в)

2. Экспериментально проверяем гипотезу полного отражения

Для  эксперимента  вам  нужен  тонкостенный  стеклянный  сосуд,  например стакан,  примерно  наполовину  заполненный  холодной  водопроводной  водой.  Для удобства проведения опыта  выбранный  сосуд должен  быть без рисунка на  стенках. Объектом  наблюдения  может  быть,  например,  корпус  пластмассовой  ручки  яркого
цвета,  желательно  с  надписью.

Предлагаемый  опыт необходимо проводить  в  хорошо  освещенной  комнате  (при солнечном или искусственном  освещении).

Погрузите  корпус ручки  в  стакан с водой и,  держа  стакан  в руке,  расположите его над головой — приблизительно на расстоянии 25—30 см  (рис.  3.42). В ходе опы­та  вы должны  следить  за объектом.

Сначала, подняв голову, вы будете видеть весь корпус ручки (как ту часть, кото­рая в воде,  так и надводную часть). Теперь медленно передвигайте от себя бокал, не изменяя  высоты.  Такое  движение  бокала  соотносится  с увеличением  угла падения пучка света,  о  чем мы  говорили  в нашей  гипотезе.

Рис. 3.42.  Наблюдение полного отражения

Попробуйте  самостоятельно на­рисовать схему распространения  света  (аналог —  см.  рис.  3.41).

Когда бокал будет достаточно отдален от наблюдателя,  т. е.  от ваших глаз (соот­ветственно, угол падения пучка света будет достаточно большим), поверхность воды станет для вас зеркальной и вы перестанете видеть часть ручки,  которая над водой. Вместо  этого  вы  увидите  зеркальное  отображение  части  корпуса,  расположенно!
под  водой.  Убедиться  в  том,  что  это  в  самом  деле  «подводная»  часть,  вам поможе надпись на корпусе ручки.

Итак,  в  результате  эксперимента мы  успешно  подтвердили  сформулированную в начале параграфа гипотезу и встретились с новым физическим явлением,  которое называют полное отражение.  «Полное» — так как в этом явлении весь световой пу­чок отражается от границы раздела двух сред. Проще всего наблюдать это явление,
находясь в пределах среды с большей оптической плотностью. Любители подводно­го плавания смогут подтвердить все это собственными наблюдениями,  всем другим советуем внимательно следить за экраном телевизора,  когда показывают подводные съемки  (см.  рис.  3.40).

Обратите  внимание,  что  описанное явление возможно только тогда,  когда пу­чок  света  переходит  из  среды  с  большей  оптической  плотностью в ту,  оптичес­кая плотность которой меньше. Для противоположного  случая  (переход из  среды с меньшей оптической плотностью в ту, оптическая плотность которой больше) угол
преломления будет меньше, чем угол падения.  Значит,  явление полного внутренне­го отражения наблюдаться не будет.

Ювелиры  на  протяжении  веков  используют  явление  полного  внутреннего  от­ражения  света,  чтобы  повысить  привлекательность  и  ценность  драгоценных  кам­ней. Природные камни обрабатывают —  огранивают, другими  словами,  создают на поверхности  камня  много  плоскостей  (граней).  Люди  обычно  рассматривают  драгоценные  камни  при  ярком  свете.  Независимо  от  местоположения  источника  света некоторые  грани  камня  будут  выполнять  роль  «внутренних  зеркал»,  и  камень «заиграет»  в лучах  (рис.  3.43). Если камень повернуть,  то  внутренними  зеркалами станут другие  грани.

Рис. 3. 43. Схема отражения лучей света от внутренних поверхностей драгоценных камней. Если луч света падает на драгоценный камень, например, из источника  I , то он отражается от одной грани и попадает в глаз наблюдателя. Если луч света падает из источника 2, то свет отражается уже от двух граней —  и снова попадает в глаз наблюдателя. Следовательно, для наблюдателя драго­ценный камень сверкает независимо оттого, где расположен источник света

Рис. 3.44. Распространение светового пучка по световоду

3. Знакомимся с волоконной оптикой

Интенсивное  практическое  применение  явления  полного  отражения  нача­лось только в последние  20—30 лет.  Связано оно с  созданием  волоконных  оптичес­ких систем.

Если  в  торец  стеклянной пластинки направить  пучок  света,  то  после многора­зового отражения  свет выйдет  на противоположной  стороне  пластинки  (рис.  3.44). К тому же, это состоится независимо от того, какой будет пластинка: изогнутой или прямой. Поэтому первые световоды  (гибкие нити,  которые проводят свет на основе
явления  полного  внутреннего  отражения)  люди  стали  использовать  для  подсвечи­вания  труднодоступных мест. Источник  света  (например фонарик) направляет свет на один  конец  гибкого  световода,  а  второй  конец  этого  световода освещает нужное труднодоступное  место.  Эту  технологию  используют  в медицине  для  исследования внутренних  органов  (эндоскопия). Применяют ее и  в  технике,  скажем,  для  опреде­ления дефектов  внутри моторов без их разборки.

Позднее жгуты  световодов  стали использовать  как  источники  солнечного осве­щения закрытых помещений.  Например,  один конец световода размещают на кры­ше,  а  второй  —  в  комнате  без  окон;  в  результате  в  солнечный  день  естественный свет  заливает  эту комнату.

Световоды широко используют  в индустрии  развлечений — для подсвечивания сцен различных шоу,  украшения  витрин,  в детских игрушках.

Однако  больше  всего  световоды  применяются  как  кабели для передачи инфор­мации.  Если превратить определенную информацию  в пакет световых  сигналов,  то с  помощью  световодов  ее  можно  передать  на  большое  расстояние  практически  без искажений.  Поставив  на  другом  конце  системы  обратный  преобразователь  (свето­вых  сигналов —  в  определенную  информацию),  в  результате  получают  высокоэффективный кабель,  который является намного более дешевым и более легким,  чем стандартный медный,  практически  не изменяет  своих  свойств под  влиянием  окру­жающей  среды,  позволяет передавать больше информации и  т.  п.

Благодаря своим преимуществам такие кабели стремительно вытесняют тради­ционные провода.  Если  еще  в  середине  70-х  годов  прошлого  столетия  эти  системы были  довольно  экзотическими,  то  уже  в  1988  году  по  дну Атлантического  океана проложен  первый  волоконно-оптический  кабель.  Сегодня  BOЛC  (волоконно-опти­ческие линии  связи) —  это телефонная связь между крупнейшими  городами Укра­ины, Интернет и многое другое.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. — X.: Издательство «Ранок», 2007. — 192 с.: ил.

Содержание урока
 конспект урока и опорный каркас
 презентация урока
 интерактивные технологии 
 акселеративные методы обучения

Практика
 тесты, тестирование онлайн
 задачи и упражнения 
 домашние задания
 практикумы и тренинги
 вопросы для дискуссий в классе

Иллюстрации
 видео- и аудиоматериалы
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты

Дополнения
 рефераты
 шпаргалки 
 фишки для любознательных 
 статьи (МАН)
 литература основная и дополнительная
 словарь терминов

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 календарные планы
 учебные программы
 методические рекомендации  
 обсуждения

 Идеальные уроки-кейсы

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.