Законы преломления света


Скачать 143.08 Kb.
НазваниеЗаконы преломления света
Дата публикации28.03.2014
Размер143.08 Kb.
ТипЗакон
vb2.userdocs.ru > География > Закон
Лекция №2

Геометрическая оптика
План лекции:

    1. Отражение света. Законы отражения

    2. Законы преломления света

    3. Полное (внутреннее) отражение света. Предельный угол полного отражения. Световоды

    4. Ход лучей в призме

    5. Линзы. Фокусное расстояние линзы

    6. Построение изображений в линзах

    7. Оптическая сила линзы. Формула линзы. Линейное увеличение линзы



Вопрос 1. Отражение света. Законы отражения.
Свет распространяется прямолинейно только в однородной среде. Если свет подходит к границе раздела двух сред, он изменяет направление распространения. По крайней мере часть света возвращается в первую среду.

Это явление называется отражением света.

Луч света, идущий к границе в первой среде (рис.1), называется падающим.



Рис.1
Луч 2 – отраженный.

Угол α между лучом падающим и перпендикуляром, восстановленном к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения.

Угол i между отраженным лучом и тем же перпендикуляром называется углом отражения.

Если в 3 веке до н.э. древнегреческим ученым Евклидом опытным путем были найдены законы отражения.
Законы отражения:

  1. Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча.

  2. Угол отражения равен углу падения



Вопрос 2. Законы преломления света.
При переходе из одной однородной среды в другую, например из воздуха в воду, свет на границе раздела изменяет свое направление.

^ Изменение направления распространения света на границе раздела

2-х сред при переходе из одной среды в другую называется преломлением света.

Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред в точке падения луча называется углом преломления (рис. 2)



Рис.2
Из опыта: если падающий луч перпендикулярен к границе раздела сред, то угол = 0, т.е. луч идет не преломляясь.

Если увеличивать угол падения, то угол преломления будет так же расти, но он будет всегда меньше или больше угла падения.

^ Экспериментально установлены следующие законы преломления света:

  1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный к границе двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.

  2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных 2-х сред есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

(1)

С другой стороны:

(2)
(2) - отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скоростей распространения света в этих средах.

V1-V2- скорости распространения света в средах, характеризуемых соответственно показателями преломления n1 и n2/
В итоге: (3)
Если свет падает из вакуума в вещество то:


С – скорость света в вакууме,

- скорость света в данном веществе.
Тогда для данных двух сред:

, (4)
Свойство среды уменьшать скорость проходящего через нее света по сравнению с его скоростью в вакууме называют оптической плотностью среды.

Среда, у которой абсолютный показатель больше, является оптически более плотной.

Преломлением света объясняется тот факт, что глубина водоема кажется меньше, чем на самом деле.

Предмет, рассматриваемый через плоскопараллельную пластинку или призму кажется смещенным относительно своего истинного положения. Мы видим не сам предмет, а его мнимое изображение, так как пересекаются не преломленные лучи, а их продолжение.
^ Таблица значений показателей преломления вещества для желтого света, с λ=0,589 мкм (589 нм)


№ п/п.

Вещество

Показатель преломления.

1

Воздух

1,0003

2

Вода

1,333

3

Спирт (этиловый)

1,362

4

Стекло (крон)

1,515

5

Стекло (флинт)

1,752

6

Алмаз

2,420



^ Вопрос 3. Полное (внутреннее) отражение света. Предельный угол полного отражения. Световоды.

(5)
Если n1>n2, то >α, т.е. если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис. 3)



Рис. 3
- предельный угол падения. Если α=αп,=90˚ и луч будет скользить вдоль раздела сред воздух-вода.

Если α’>αп, то свет не пройдет во вторую прозрачную среду, т.к. полностью отразится. Это явление называется полным отражением света. Угол падения αп, при котором преломленный луч скользит вдоль поверхности раздела сред, называется предельным углом полного отражения.

(6)
Полное отражение можно наблюдать в равнобедренной прямоугольной стеклянной призме (рис.4), которая широко используется в перископах, биноклях, рефрактометрах и др.

Рис. 4

а) Свет падает перпендикулярно первой грани и поэтому здесь не проходит преломления (α=0 и =0). Угол падения на вторую грань α=45˚, т.е.п, (для стекла αп=42˚). Поэтому на этой грани свет испытывает полное отражение. Это поворотная призма, которая поворачивает луч на 90˚.

б) В этом случае свет внутри призмы испытывает уже двукратное полное отражение. Это тоже поворотная призма, поворачивающая луч на 180˚.

в) В этом случае призма уже оборотная. При выходе лучей из призмы они параллельны падающим, но при этом верхний падающий луч становится нижним, а нижний верхним.

Широкое техническое применение явления полного отражения нашло в световодах.

Световод представляет собой большое число тонких стеклянных нитей, диаметр которых порядка 20мкм, а длинна около 1м каждая. Эти нити параллельны между собой и расположены вплотную (рис. 5)



Рис. 5
Каждая нить окружена тонкой оболочкой из стекла, показатель преломления которого меньше, чем самой нити. Световод имеет два торца, взаимное расположение концов нитей на обоих торцах светопровода строго одинаково.

Если у одного торца световода поместить какой-либо предмет и осветить его, то на другом конце световода возникнет изображение этого предмета.

Изображение получается вследствие того, что в торец каждой из нитей попадает свет от какой-либо малой области предмета. Испытывая множество полных отражений, свет выходит из противоположного торца нити, передавая отражение данной малой области предмета.

Т.к. расположение нитей друг относительно друга строго одинаково, то на другом конце появляется соответствующее изображение предмета. Четкость изображения зависит от диаметра нитей. Чем меньше диаметр каждой нити, тем более четким будет являться изображение предмета. Потери световой энергии на пути следования светового луча обычно относительно невелики в жгутах (световодах), поскольку при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (~0,9999). Потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна.

Например, в видимой части спектра в волокне длинной 1м теряется 30-70% энергии (но в жгуте).

Поэтому для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в жгуты (пучки) – световоды.

Световоды широко применяется в медицине для освещения холодным светом внутренних полостей и передачи изображения. Эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и т.д.). С помощью световодов передается лазерное излучение для лечебного воздействия на опухоли. Да и сетчатка глаза человека является высокоорганизованной волоконно-оптической системой состоящей из ~ 130х108 волокон.
^ Вопрос 4. Ход лучей в призме.
Монохроматический свет падает на грань АВ стеклянной призмы (рис.6), находящейся в воздухе.



Рис. 6
S1O1 – падающий луч,

α1-угол падения,

O1O2 – преломленный луч,

- угол преломления.

Так как свет переходит из среды оптически менее плотной в более плотную (из воздуха в стекло), то 1. Пройдя через призму, свет падает на ее грань АС. Здесь он снова преломляется. α2 – угол падения, - угол преломления. На данной границе свет переходит из среды более плотной в менее плотную (из стекла в воздух). По этому>. Грани АВ и АС, на которых происходит преломление света, называются преломляющимися гранями.

Угол между преломляющимися гранями называется преломляющим углом призмы. Угол - называется углом отклонения. Грань (ВС), лежащая против преломляющего угла, называется основанием призмы.

Следовательно, если оптическая плотность вещества призмы больше чем окружающей среды, то луч света, проходящий через призму, отклоняется к основанию призмы.
^ Вопрос 5. Линзы. Фокусное расстояние линзы.
Важнейшая деталь всех оптических приборов – линза (от нем. слова «Линзе» - чечевица).

Несмотря на многочисленные исследования в течение многих веков, до сих пор нельзя сказать ни времени, ни места открытия линз. Удалось лишь установить, что линзы применялись как для увеличения, так и для коррекции дальнозоркости.

Одно из первых исторических свидетельств рассмотрения линз в науке – это отрывок Р. Бэкона: «Если человек будет рассматривать буквы или другие мелкие предметы с помощью кристалла или стекла, или другого прозрачного тела, расположенного над буквами, и если это тело будет шаровым сегментом, выпуклость которого обращена к глазу, находящемуся в воздухе, то буквы видны лучше и кажутся больше…. И потому это приспособление полезно людям старым и со слабым зрением, потому что они могут видеть даже маленькую букву достаточно большой».

Роджер Бэкон – французский монах, родился приблизительно в 1214г. в Ильчестере, в графстве Самерсет. Умер в 1292г.

Известно что Бэкон использовал линзы во многих опытах и даже преподнес одну папе Клименту IV, прося его попробовать применить её.

К середине 14 века очки уже получили довольно широкое распространение. На фреске 1352г. изображен монах в очках.

^ Линзами называют прозрачные тела, ограниченные двумя гладкими выпуклыми или вогнутыми поверхностями (одна из них может быть плоской).

Различают линзы выпуклые и вогнутые (рис. 7)

Рис. 7


Выпуклые линзы:

а) двояковыпуклая,

б) плосковыпуклая,

в) вогнутовыпуклая.

Вогнутые линзы:

г) двояковогнутая,

д) плосковогнутая,

е) выпукловогнутая,



Выпуклую линзу можно представить в виде совокупности плоскопараллельной пластинки (в середине) и усеченных призм, расширяющихся к середине призмы (рис. 8)



Рис. 8

Вогнутую – как совокупность плоскопараллельной пластинки и усеченных призм, расширяющихся к краям (рис. 9)



Рис. 9
Если призма сделана из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, то она отклоняет лучи к основанию.

По этому параллельный пучок после преломления в выпуклой (вогнутой) линзе станет сходящимся (расходящимся). Такие линзы называются собирающими (рассеивающими).

Двояковыпуклую линзу можно представить как тело, получившееся из двух пересекающихся шаров (рис. 10)


Рис. 10
R1, R2 и R3 – радиусы шаров.

О1 и О2, О2и О3 – у тонких линз сливаются в одну О, которая называется оптическим центром линзы.

^ Оптический центр линзы – точка, через которую лучи идут, не преломляясь.

Любая прямая, проходящая через оптический центр О, называется оптической осью.

Оптическая ось, проходящая через центры сфер R1 и R2 называется – главной оптической осью, все остальные – побочными оптическими осями.

Лучи, параллельные главной оптической оси, после преломления пересекаются в одной точке F, лежащей на главной оптической оси. Эта точка F – называется главным фокусом (или просто фокусом). У линзы 2 фокуса – передний и задний (рис. 11)


Рис. 11
Вогнутая линза, сделанная из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, рассеивает свет. Условно такая линза показана на рис. 12.

Рис. 12
У такой призмы фокус Fм – мнимый.

Мнимым фокус называется потому, что в нем пересекаются не сами параллельные лучи, а их продолжения. Расстояние OF от оптического центра до фокуса называется фокусным расстоянием F.
^ Вопрос 6. Построение изображений в линзах.
Световые лучи, идущие вблизи главной оптической оси, называют параксиальными (приосевыми). В дальнейшем будем рассматривать только такие лучи.
Построение изображения точки в собирающей линзе.



Рис. 13


  1. Луч, идущей через оптический центр.

  2. Луч, параллельный главной оптической оси.

  3. Луч, проходящий через передний фокус собирающей линзы.


Построение изображения предмета в собирающей линзе.


Рис. 14
ВО=d,

OB1=f
При d>2F изображение действительное, перевернутое, уменьшенное.


Рис. 15
Если d<2F, то изображение действительное, увеличенное перевернутое.

Если d


Рис. 16

^ Построение изображения точки в рассеивающей линзе (рис. 17)


Рис. 17
Построение изображения предмета в рассеивающей линзе (рис. 18)


Рис. 18

Изображение всегда прямое, уменьшенное, мнимое.
Построение изображения точки лежащей на главной оптической оси (рис. 19 и рис. 20).
Рис. 19


        1. В собирающей линзе. (рис. 19)

        2. В рассеивающей линзе. (рис. 20)

Рис. 20

^ Вопрос 7. Оптическая сила линзы. Формула линзы. Линейное увеличение линзы
Из опыта известно, что линзы с более выпуклыми поверхностями преломляют сельнееи дают большее увеличение, чем линзы с меньшей кривизной.

У линзы с большей кривизной фокусное расстояние меньше.

Преломляющую способность линзы характеризуют оптической силой линзы.

^ Оптическая сила линзы D-величина, обратная фокусному расстоянию.

(7)


1 дптр (диоптрия – оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно 1м.)

Оптическую силу собирающей линзы условно считают положительной (фокус действительный), а оптическую силу рассеивающий (фокус мнимый) – отрицательный.

Оптическую силу линзы рассчитывают по формуле:
(8)
n – относительный показатель преломления вещества линзы,

R1 и R2 – радиусы кривизны линзы. Радиусы выпуклых поверхностей считают положительным, вогнутых – отрицательными.

Из опыта известно, что общая оптическая сила 2-х линз, сложенных вместе, равна алгебраической сумме оптических сил этих линз: D=D1+D2 (9)

^ Формула линзы. Линейное увеличение линзы.

Из подобия треугольников (рис. 21)



Рис. 21

∆A1B1F2 и ∆OCF2 следует: , аналогично ∆А1B1O подобен ∆АВО;

; Так как AB=AC, то: и
Разделим все слагаемые на f, имеем:

(10)

или (11)

(11) – формула тонкой линзы.
Знак «+» для собирающей линзы, а «-» для рассеивающей линзы.

Г – линейное увеличение линзы:
(12)
(12) – отношение линейных размеров изображения H к линейным размерам предмета h или Г =

Из треугольников (рис. 21) АВО и А1В1О имеем:
(13)


Литература


  1. Р.И. Грабовский. Курс физики.-С.пб.-М.-Краснодар: Издательство «Лань», 2006.

  2. В.Д. Дмитриева. Физика.-М.: Издательство «Высшая школа», 2001.

  3. А.Н. Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. -М.: Издательство «Высшая школа», 1982.

  4. Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина. Физика. -М.: Издательство «Дизайн Про», 2001.

  5. А.С. Жданов, В.А. Маранджян. Курс физики. – М:Издательство «Наука», 1971.

  6. М. Льоцци. История физики. – М.: Издательство «Мир», 1970.


Похожие:

Законы преломления света iconЗакончите определение: дисперсия света это зависимость показателя преломления от …
Закончите определение: дисперсия света – это зависимость показателя преломления от …
Законы преломления света iconЛекция № Поглощение света. Рассеяние света. План лекции
Вопрос Поглощение света. Законы Бугера, Бугера-Ламберта и Бугера-Ламберта-Бера
Законы преломления света iconПлан лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света....
Это позволило в 70-х годах 19 века Максвеллу создать электромагнитную теорию поля. Максвелл рассчитал скорость распространения эмв...
Законы преломления света iconУчебно-методические указания Тема занятия: Законы раздражения, их...
Тема занятия: Законы раздражения, их значение для оценки уровня возбудимости нервной и мышечной тканей. Механизмы и законы проведения...
Законы преломления света iconAnnotation в другом переводе название звучит как «Валет из страны...

Законы преломления света iconВ мини-курсе "Законы управления и мотивации персонала. Законы построения команды "
Мы рассмотрим рабочие инстументы, которые Вы сможете использовать в повседневной деятельности при работе с Вашим персоналом. Вы узнаете...
Законы преломления света icon8 Экономическое учение Д. Рикардо Предмет изучения
«определить законы, которые управляют этим распределением (доходов). Тем самым он показал, что его, как и А. Смита, интересуют прежде...
Законы преломления света iconЗакон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма
Оптика (от греч оptike наука о зрительных восприятиях) является разделом физики, в котором изучаются процессы излучения света, его...
Законы преломления света iconКнига воина света» Пауло Коэльо Книга воина света «
Пауло Коэльо помогает каждому из нас обнаружить в себе своего собственного воина света. Короткие вдохновляющие притчи приглашают...
Законы преломления света iconКнига воина света» Пауло Коэльо Книга воина света «
Пауло Коэльо помогает каждому из нас обнаружить в себе своего собственного воина света. Короткие вдохновляющие притчи приглашают...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
vb2.userdocs.ru
Главная страница