Işığın yansıması. Işık Yansıma Yasası

Bazı fizik yasalarını görsel yardımlar kullanılmadan hayal etmek zordur. Bu, çeşitli nesnelerin üzerine düşen olağan ışık için geçerli değildir. Yani iki ortamı ayıran sınırda, bu sınır çok daha yüksekse ışık ışınlarının yönünde bir değişiklik meydana gelir, ışığın enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri döndüğünde meydana gelir. Işınların bir kısmı başka bir ortama girerse kırılırlar. Fizikte iki farklı ortamın sınırına düşen enerjiye olay, buradan birinci ortama dönen enerjiye ise yansıyan enerji denir. Kesinlikle göreceli konum Bu ışınların sayısı ışığın yansıma ve kırılma yasalarını belirler.

Şartlar

Gelen ışın ile iki ortam arasındaki arayüze, ışık enerjisi akışının geliş noktasına geri dönen dik çizgi arasındaki açıya bir başka önemli gösterge daha denir. Bu yansıma açısıdır. Yansıyan ışın ile geliş noktasına geri getirilen dik çizgi arasında meydana gelir. Işık ancak homojen bir ortamda düz bir çizgide yayılabilir. Farklı ortamlar ışığı farklı şekilde emer ve yansıtır. Yansıma, bir maddenin yansıtıcılığını karakterize eden bir niceliktir. Işık ışınımının bir ortamın yüzeyine getirdiği enerjinin ne kadarının, yansıyan ışınım yoluyla ortamdan uzaklaşacağını gösterir. Bu katsayı çeşitli faktörlere bağlıdır; bunlardan en önemlileri geliş açısı ve radyasyonun bileşimidir. Işığın tam yansıması, yansıtıcı yüzeye sahip nesnelerin veya maddelerin üzerine düştüğünde meydana gelir. Örneğin bu, ışınlar cam üzerinde biriken ince bir gümüş ve sıvı cıva filmine çarptığında meydana gelir. Işığın tam yansıması pratikte oldukça sık görülür.

Kanunlar

Işığın yansıması ve kırılması yasaları, 3. yüzyılda Öklid tarafından formüle edildi. M.Ö. e. Hepsi deneysel olarak oluşturulmuş ve Huygens'in tamamen geometrik ilkesiyle kolayca doğrulanmıştır. Ona göre ortamda bir rahatsızlığın ulaştığı her nokta, ikincil dalgaların kaynağıdır.

İlk ışık: Gelen ve yansıyan ışının yanı sıra, ışık ışınının geliş noktasında yeniden oluşturulan arayüze dik çizgi aynı düzlemde bulunur. Yansıtıcı bir yüzeye düşer düzlem dalgası dalga yüzeyleri çizgilidir.

Başka bir yasa, ışığın yansıma açısının geliş açısına eşit olduğunu belirtir. Bunun nedeni karşılıklı olarak dik kenarlara sahip olmalarıdır. Üçgenlerin eşitliği ilkesine dayanarak, geliş açısının yansıma açısına eşit olduğu sonucu çıkar. Kirişin geliş noktasında arayüze geri getirilen dikey çizgi ile aynı düzlemde yer aldıkları kolaylıkla kanıtlanabilir. Bu en önemli kanunlar ışığın ters yolu için de geçerlidir. Enerjinin tersinirliği nedeniyle, yansıyan ışının yolu boyunca yayılan ışın, gelen ışının yolu boyunca yansıtılacaktır.

Yansıtıcı cisimlerin özellikleri

Nesnelerin büyük çoğunluğu yalnızca üzerlerine gelen ışık radyasyonunu yansıtır. Ancak bunlar ışık kaynağı değildir. İyi aydınlatılmış cisimler, yüzeylerinden gelen radyasyon farklı yönlere yansıyıp dağıldığı için her taraftan açıkça görülebilir. Bu olaya dağınık (dağınık) yansıma denir. Işık herhangi bir pürüzlü yüzeye çarptığında ortaya çıkar. Vücuttan yansıyan ışının geliş noktasındaki yolunu belirlemek için yüzeye temas eden bir düzlem çizilir. Daha sonra ışınların geliş ve yansıma açıları buna göre inşa edilir.

Yaygın yansıma

Işık yayamayan nesneleri ayırt edebilmemiz, yalnızca ışık enerjisinin dağınık (yaygın) yansımasının varlığından kaynaklanmaktadır. Işınların saçılması sıfırsa herhangi bir cisim bizim için kesinlikle görünmez olacaktır.

Işık enerjisinin dağınık yansıması, kişinin gözlerinde hoş olmayan hislere neden olmaz. Bunun nedeni, ışığın tamamının orijinal ortama dönmemesidir. Yani radyasyonun yaklaşık %85'i kardan, %75'i beyaz kağıttan ve yalnızca %0,5'i siyah kadifeden yansır. Işık çeşitli pürüzlü yüzeylerden yansıtıldığında ışınlar birbirlerine göre rastgele yönlendirilir. Yüzeylerin ışık ışınlarını ne kadar yansıttığına bağlı olarak mat veya ayna olarak adlandırılır. Ancak yine de bu kavramlar görecelidir. Aynı yüzeyler, gelen ışığın farklı dalga boylarında yansıtılabilir veya matlaştırılabilir. Işınları farklı yönlere eşit şekilde dağıtan bir yüzeyin tamamen mat olduğu kabul edilir. Doğada neredeyse böyle nesneler bulunmamasına rağmen sırsız porselen, kar ve çizim kağıdı bunlara çok yakındır.

Ayna görüntüsü

Işık ışınlarının aynasal yansıması, enerji ışınlarının pürüzsüz bir yüzeye belirli bir açıyla düştüğünde tek yönde yansımasıyla diğer türlerden farklıdır. Bu fenomen, ışık ışınları altında ayna kullanan herkese aşinadır. Bu durumda yansıtıcı bir yüzeydir. Diğer organlar da bu kategoriye girer. Optik olarak pürüzsüz olan tüm nesneler, üzerlerindeki homojensizliklerin ve düzensizliklerin boyutunun 1 mikrondan az olması (ışığın dalga boyunu aşmaması) durumunda ayna (yansıtıcı) yüzeyler olarak sınıflandırılabilir. Bu tür yüzeylerin tümü için ışığın yansıması kanunları geçerlidir.

Işığın farklı ayna yüzeylerinden yansıması

Teknolojide sıklıkla kavisli yansıtıcı yüzeye sahip aynalar (küresel aynalar) kullanılır. Bu tür nesneler küresel bir parçaya benzeyen gövdelerdir. Bu tür yüzeylerden ışığın yansıması durumunda ışınların paralelliği büyük ölçüde bozulur. Bu tür aynaların iki türü vardır:

İçbükey - bir kürenin bir bölümünün iç yüzeyinden gelen ışığı yansıtır; paralel ışık ışınları onlardan yansıdıktan sonra bir noktada toplandığından bunlara toplama denir;

Dışbükey - paralel ışınlar yanlara dağılırken dış yüzeyden gelen ışığı yansıtır, bu nedenle dışbükey aynalara saçılma denir.

Işık ışınlarını yansıtma seçenekleri

Yüzeye neredeyse paralel gelen bir ışın yüzeye çok az dokunur ve sonra çok geniş bir açıyla yansıtılır. Daha sonra yüzeye en yakın olan çok alçak bir yörünge boyunca devam eder. Neredeyse dikey olarak düşen bir ışın dar bir açıyla yansıtılır. Bu durumda, zaten yansıyan ışının yönü, gelen ışının yoluna yakın olacaktır ve bu, fizik yasalarıyla tamamen tutarlıdır.

Işığın kırılması

Yansıma, kırılma ve toplam iç yansıma gibi geometrik optiğin diğer olgularıyla yakından ilişkilidir. Işık genellikle iki ortam arasındaki sınırdan geçer. Işığın kırılması optik radyasyonun yönündeki değişikliktir. Bir ortamdan diğerine geçtiğinde ortaya çıkar. Işığın kırılmasının iki şekli vardır:

Ortam arasındaki sınırdan geçen ışın, yüzeye ve gelen ışına dik olarak geçen bir düzlemde bulunur;

Gelme ve kırılma açısı birbiriyle ilişkilidir.

Kırılma her zaman ışığın yansımasıyla birlikte olur. Yansıyan ve kırılan ışın demetlerinin enerjilerinin toplamı, gelen ışının enerjisine eşittir. Göreceli yoğunlukları gelen ışına ve geliş açısına bağlıdır. Birçok optik aletin tasarımı ışığın kırılma yasalarına dayanmaktadır.

Öncelikle biraz hayal edelim. BC'nin sıcak bir yaz gününü hayal edin, ilkel adam balık avlamak için mızrak kullanır. Konumunu fark eder, nişan alır ve herhangi bir nedenle balığın hiç görünmediği bir yere saldırır. Kaçırıldı? Hayır, balıkçının elinde av var! Mesele şu ki, atamız şimdi çalışacağımız konuyu sezgisel olarak anladı. İÇİNDE günlük yaşam Bir bardak suya konulan kaşığın, cam kavanozun içine baktığımızda çarpık göründüğünü görürüz; nesneler çarpık görünür. Konusu “Işığın kırılması” olan dersimizde tüm bu soruları ele alacağız. Işığın kırılma kanunu. Tam bir iç yansıma."

Önceki derslerde bir ışının kaderinden iki durumda bahsetmiştik: Bir ışık ışınının şeffaf ve homojen bir ortamda yayılması durumunda ne olur? Doğru cevap düz bir çizgi halinde yayılacağıdır. İki ortam arasındaki arayüze bir ışık huzmesi düştüğünde ne olur? Son dersimizde yansıyan ışından bahsetmiştik, bugün ışık ışınının ortam tarafından emilen kısmına bakacağız.

Birinci optik olarak şeffaf ortamdan ikinci optik olarak şeffaf ortama geçen ışının akıbeti ne olacaktır?

Pirinç. 1. Işığın kırılması

Bir ışın iki şeffaf ortam arasındaki arayüze düşerse, ışık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri dönerek yansıyan bir ışın oluşturur ve diğer kısmı içeriye doğru ikinci ortama geçer ve kural olarak yönünü değiştirir.

Işığın iki ortam arasındaki arayüzeyden geçerken yayılma yönündeki değişikliğe denir. ışığın kırılması(Şekil 1).

Pirinç. 2. Gelme, kırılma ve yansıma açıları

Şekil 2'de bir gelen ışın görüyoruz; geliş açısı α ile gösterilecektir. Kırılan ışık ışınının yönünü ayarlayacak ışına kırılan ışın adı verilecektir. Geliş noktasından yeniden oluşturulan arayüze dik ile kırılan ışın arasındaki açıya kırılma açısı denir; bu şekilde γ açısıdır. Resmi tamamlamak için ayrıca yansıyan ışının bir görüntüsünü ve buna göre yansıma açısı β'yı da vereceğiz. Gelme açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişki nedir? Gelme açısını ve ışının hangi ortamdan geçtiğini bilerek kırılma açısının ne olacağını tahmin etmek mümkün müdür? Bunun mümkün olduğu ortaya çıktı!

Geliş açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişkiyi niceliksel olarak tanımlayan bir yasa elde ediyoruz. Dalgaların bir ortamda yayılmasını düzenleyen Huygens ilkesini kullanalım. Kanun iki bölümden oluşuyor.

Gelen ışın, kırılan ışın ve geliş noktasına getirilen dikme aynı düzlemde yer alır..

Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, belirli iki ortam için sabit bir değerdir ve bu ortamlardaki ışık hızlarının oranına eşittir.

Bu yasaya, onu ilk formüle eden Hollandalı bilim adamının onuruna Snell yasası adı verilmiştir. Kırılmanın nedeni ışığın farklı ortamlardaki hızının farklı olmasıdır. Bir ışık ışınını iki ortam arasındaki arayüze farklı açılarda deneysel olarak yönlendirerek ve geliş ve kırılma açılarını ölçerek kırılma yasasının geçerliliğini doğrulayabilirsiniz. Bu açıları değiştirirsek, sinüsleri ölçersek ve bu açıların sinüsleri oranını bulursak kırılma yasasının gerçekten geçerli olduğuna ikna oluruz.

Huygens ilkesini kullanan kırılma yasasının kanıtı, ışığın dalga doğasının bir başka doğrulamasıdır.

Göreceli kırılma indisi n21, birinci ortamdaki V1 ışığının hızının ikinci ortamdaki V2 hızından kaç kat farklı olduğunu gösterir.

Göreceli kırılma indisi, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesinin nedeninin, ışığın iki ortamdaki farklı hızları olduğu gerçeğinin açık bir göstergesidir. "Ortamın optik yoğunluğu" kavramı genellikle bir ortamın optik özelliklerini karakterize etmek için kullanılır (Şekil 3).

Pirinç. 3. Ortamın optik yoğunluğu (α > γ)

Bir ışın, ışık hızı yüksek bir ortamdan ışık hızı düşük bir ortama geçerse, Şekil 3'ten ve ışığın kırılma kanunundan da görülebileceği gibi, dikliğe doğru bastırılacaktır, yani kırılma açısı gelme açısından küçüktür. Bu durumda ışının daha az yoğun bir optik ortamdan optik olarak daha yoğun bir ortama geçtiği söylenir. Örnek: havadan suya; sudan bardağa.

Bunun tersi de mümkündür: Birinci ortamdaki ışığın hızı, ikinci ortamdaki ışık hızından daha düşüktür (Şekil 4).

Pirinç. 4. Ortamın optik yoğunluğu (α< γ)

O zaman kırılma açısı geliş açısından daha büyük olacak ve böyle bir geçişin optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama (camdan suya) yapıldığı söylenecektir.

İki ortamın optik yoğunluğu oldukça farklı olabilir, böylece fotoğrafta gösterilen durum mümkün hale gelir (Şek. 5):

Pirinç. 5. Ortamın optik yoğunluğundaki farklılıklar

Daha yüksek optik yoğunluğa sahip bir ortamda, sıvı içinde başın gövdeye göre nasıl yer değiştirdiğine dikkat edin.

Bununla birlikte, bağıl kırılma indisi, birinci ve ikinci ortamdaki ışığın hızına bağlı olduğundan her zaman üzerinde çalışılması uygun bir özellik değildir, ancak bu tür birçok kombinasyon ve iki ortamın (su - hava, hava) kombinasyonları olabilir. cam - elmas, gliserin - alkol, cam - su vb.). Tablolar çok hantal olurdu, çalışmak sakıncalı olurdu ve sonra diğer ortamlardaki ışık hızının karşılaştırılmasıyla karşılaştırıldığında tek bir mutlak ortam getirdiler. Mutlak olarak vakum seçildi ve ışığın hızı, ışığın boşluktaki hızıyla karşılaştırıldı.

Ortamın mutlak kırılma indisi n- bu, ortamın optik yoğunluğunu karakterize eden ve ışık hızının oranına eşit olan bir miktardır İLE boşlukta belirli bir ortamda ışık hızına ulaşır.

Mutlak kırılma indisi iş için daha uygundur, çünkü ışığın boşluktaki hızının 3·10 8 m/s'ye eşit olduğunu her zaman biliriz ve evrensel bir fiziksel sabittir.

Mutlak kırılma indisi harici parametrelere bağlıdır: sıcaklık, yoğunluk ve ayrıca ışığın dalga boyuna, bu nedenle tablolar genellikle belirli bir dalga boyu aralığı için ortalama kırılma indeksini gösterir. Hava, su ve camın kırılma indislerini karşılaştırırsak (Şekil 6), havanın birliğe yakın bir kırılma indisine sahip olduğunu görürüz, bu nedenle problemleri çözerken bunu birlik olarak ele alacağız.

Pirinç. 6. Farklı ortamlar için mutlak kırılma indeksleri tablosu

Ortamın mutlak ve bağıl kırılma indisi arasında bir ilişki elde etmek zor değildir.

Yani birinci ortamdan ikinci ortama geçen bir ışın için bağıl kırılma indisi, ikinci ortamdaki mutlak kırılma indisinin birinci ortamdaki mutlak kırılma indisine oranına eşittir.

Örneğin: = ≈ 1,16

İki ortamın mutlak kırılma indisleri hemen hemen aynıysa, bu, bir ortamdan diğerine geçerken göreceli kırılma indisinin birliğe eşit olacağı, yani ışık ışınının gerçekte kırılmayacağı anlamına gelir. Örneğin, anason yağından beril değerli taşına geçerken ışık pratikte bükülmez, yani anason yağından geçerken olduğu gibi davranacaktır, çünkü kırılma indeksleri sırasıyla 1,56 ve 1,57'dir, bu nedenle değerli taş olabilir sanki bir sıvının içinde saklıymış gibi görünmeyecek.

Şeffaf bir bardağa su döküp camın duvarından ışığa bakarsak, şimdi tartışacağımız toplam iç yansıma olgusu nedeniyle yüzeyde gümüşi bir parlaklık göreceğiz. Bir ışık demeti daha yoğun bir optik ortamdan daha az yoğun bir optik ortama geçtiğinde ilginç bir etki gözlemlenebilir. Kesinlik sağlamak için ışığın sudan havaya geldiğini varsayacağız. Rezervuarın derinliklerinde her yöne ışın yayan bir nokta ışık kaynağı S olduğunu varsayalım. Örneğin bir dalgıç el fenerini parlatıyor.

SO 1 ışını su yüzeyine en küçük açıyla düşer, bu ışın kısmen kırılır - O 1 A 1 ışını ve kısmen suya geri yansıtılır - O 1 B 1 ışını. Böylece gelen ışının enerjisinin bir kısmı kırılan ışına aktarılır, geri kalan enerji ise yansıyan ışına aktarılır.

Pirinç. 7. Toplam iç yansıma

Geliş açısı daha büyük olan SO2 ışını da iki ışına bölünmüştür: kırılmış ve yansıtılmış, ancak orijinal ışının enerjisi aralarında farklı şekilde dağıtılmıştır: kırılmış ışın O2A2, O1'den daha sönük olacaktır. A 1 ışını, yani daha küçük bir enerji payı alacaktır ve buna göre yansıyan O 2 B 2 ışını, O 1 B 1 ışınından daha parlak olacaktır, yani daha büyük bir enerji payı alacaktır. Geliş açısı arttıkça aynı model izlenebilir; her şey büyük pay Gelen ışının enerjisi yansıyan ışına gider ve giderek daha az kırılan ışına gider. Kırılan ışın giderek kararır ve bir noktada tamamen kaybolur; bu kaybolma, 90° kırılma açısına karşılık gelen geliş açısına ulaştığında meydana gelir. Bu durumda, kırılan OA ışınının su yüzeyine paralel gitmesi gerekir, ancak gidecek hiçbir şey kalmaz - gelen SO ışınının tüm enerjisi tamamen yansıyan OB ışınına gider. Doğal olarak geliş açısının daha da artmasıyla kırılan ışın kaybolacaktır. Açıklanan fenomen, toplam iç yansımadır, yani, dikkate alınan açılarda daha yoğun bir optik ortam, kendisinden ışın yaymaz, hepsi içine yansır. Bu olayın meydana geldiği açıya denir toplam iç yansımanın sınır açısı.

Sınır açısının değeri kırılma kanunundan kolaylıkla bulunabilir:

= => = arksin, su için ≈ 49 0

Toplam iç yansıma olgusunun en ilginç ve popüler uygulaması, dalga kılavuzları veya fiber optiklerdir. Bu tam olarak modern telekomünikasyon şirketlerinin internette kullandığı sinyalleri gönderme yöntemidir.

Işığın kırılma yasasını elde ettik, yeni bir kavram (göreceli ve mutlak kırılma indisleri) tanıttık ve aynı zamanda toplam iç yansıma olgusunu ve bunun fiber optik gibi uygulamalarını da anladık. Ders kısmında ilgili testleri ve simülatörleri analiz ederek bilgilerinizi pekiştirebilirsiniz.

Huygens ilkesini kullanarak ışığın kırılma yasasının kanıtını elde edelim. Kırılma nedeninin ışığın iki farklı ortamdaki hızındaki fark olduğunu anlamak önemlidir. Işığın hızını birinci ortamda V 1, ikinci ortamda ise V 2 olarak gösterelim (Şekil 8).

Pirinç. 8. Işığın kırılma yasasının kanıtı

Düzlem bir ışık dalgasının, örneğin havadan suya, iki ortam arasındaki düz bir arayüze düşmesine izin verin. AS dalga yüzeyi ışınlara diktir ve MN ortamı arasındaki arayüze ilk olarak ışın tarafından ulaşılır ve ışın aynı yüzeye ∆t zaman aralığından sonra ulaşır; bu, SV yolunun hıza bölünmesine eşit olacaktır. Birinci ortamda ışık.

Bu nedenle, B noktasındaki ikincil dalga henüz uyarılmaya başladığı anda, A noktasından gelen dalga zaten AD yarıçaplı bir yarım küre biçimine sahiptir ve bu, ışığın ikinci ortamdaki ∆ hızına eşittir. t: AD = ·∆t, yani görsel eylemde Huygens ilkesi. Kırılan bir dalganın dalga yüzeyi, merkezleri ortamlar arasındaki arayüzde bulunan ikinci ortamdaki tüm ikincil dalgalara teğet bir yüzey çizilerek elde edilebilir, bu durumda bu BD düzlemidir, BD'nin zarfıdır. ikincil dalgalar. Işının geliş açısı α, ABC üçgenindeki CAB açısına eşittir, bu açılardan birinin kenarları diğerinin kenarlarına diktir. Sonuç olarak SV, ilk ortamdaki ışığın hızına ∆t kadar eşit olacaktır.

CB = ∆t = AB sin α

Buna karşılık, kırılma açısı ABD üçgenindeki ABD açısına eşit olacaktır, dolayısıyla:

АD = ∆t = АВ sin γ

İfadeleri terime bölerek şunu elde ederiz:

N- devamlı geliş açısına bağlı değildir.

Işığın kırılma yasasını elde ettik; gelme açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı verilen iki ortam için sabit bir değerdir ve verilen iki ortamdaki ışık hızlarının oranına eşittir. .

Opak duvarlara sahip kübik bir kap, gözlemcinin gözü dibini göremeyecek, ancak CD kabının duvarını tamamen görecek şekilde konumlandırılmıştır. Gözlemcinin D açısından b = 10 cm uzaklıkta bulunan F nesnesini görebilmesi için kaba ne kadar su dökülmelidir? Damar kenarı α = 40 cm (Şek. 9).

Bu sorunu çözerken çok önemli olan nedir? Sanırım göz kabın dibini görmediği, ancak gördüğü için uç nokta yan duvar ve kap bir küp ise, o zaman onu döktüğümüzde ışının su yüzeyine gelme açısı 45 0'a eşit olacaktır.

Pirinç. 9. Birleşik Devlet Sınavı görevi

Işın F noktasına düşüyor, bu da nesneyi net olarak gördüğümüz anlamına geliyor ve siyah noktalı çizgi de ışının su yoksa yani D noktasına kadar olan seyrini gösteriyor. NFK üçgeninden açının tanjantı Kırılma açısının tanjantı olan β, karşı tarafın bitişik tarafa oranıdır veya şekle göre h eksi b'nin h'ye bölümüdür.

tg β = = , h döktüğümüz sıvının yüksekliğidir;

Toplam iç yansımanın en yoğun olgusu fiber optik sistemlerde kullanılır.

Pirinç. 10. Fiber optik

Bir ışık demeti katı bir cam tüpün ucuna yönlendirilirse, birden fazla toplam iç yansımadan sonra ışın tüpün karşı tarafından çıkacaktır. Cam tüpün bir ışık dalgasının veya bir dalga kılavuzunun iletkeni olduğu ortaya çıktı. Bu, tüpün düz veya kavisli olmasına bakılmaksızın gerçekleşecektir (Şekil 10). Dalga kılavuzlarının ikinci adı olan ilk ışık kılavuzları, ulaşılması zor yerleri aydınlatmak için kullanıldı (tıbbi araştırmalar sırasında, ışık kılavuzunun bir ucuna ışık sağlandığında ve diğer ucu istenen yeri aydınlattığında). Ana uygulama tıp, motorların kusur tespitidir, ancak bu tür dalga kılavuzları en yaygın olarak bilgi iletim sistemlerinde kullanılır. Bir ışık dalgasıyla bir sinyal iletirken taşıyıcı frekansı, bir radyo sinyalinin frekansından milyon kat daha yüksektir; bu, bir ışık dalgası kullanarak iletebileceğimiz bilgi miktarının, iletilen bilgi miktarından milyonlarca kat daha fazla olduğu anlamına gelir. radyo dalgaları tarafından. Bu, zengin bilgiyi basit ve ucuz bir şekilde iletmek için harika bir fırsattır. Tipik olarak bilgi, lazer radyasyonu kullanılarak bir fiber kablo aracılığıyla iletilir. Fiber optik, büyük miktarda iletilen bilgi içeren bir bilgisayar sinyalinin hızlı ve kaliteli iletimi için vazgeçilmezdir. Ve tüm bunların temelinde ışığın kırılması gibi basit ve sıradan bir olay vardır.

Referanslar

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizik ( temel seviye) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizik 10. sınıf. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizik - 9, Moskova, Eğitim, 1990.

1. Edu.glavsprav.ru ().
2. Nvtc.ee ().
3. Raal100.narod.ru ().
4. Optika.ucoz.ru ().

Ev ödevi

1. Işığın kırılmasını tanımlayın.
2. Işığın kırılmasının nedenini yazınız.
3. Toplam iç yansımanın en popüler uygulamalarını adlandırın.

Işığın belirli bir geliş açısında $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, buna denir sınır açısı kırılma açısı $\frac(\pi )(2),\ $'ye eşittir, bu durumda kırılan ışın ortamlar arasındaki arayüz boyunca kayar, dolayısıyla kırılan ışın olmaz. O halde kırılma kanunundan şunu yazabiliriz:

Şekil 1.

Tam yansıma durumunda denklem şu şekildedir:

bölgede çözümü yok gerçek değerler kırılma açısı ($(\alpha )_(pr)$). Bu durumda, $cos((\alpha )_(pr))$ tamamen hayali bir miktardır. Fresnel Formüllerine dönersek, bunları şu şekilde sunmak uygundur:

geliş açısı $\alpha $ olarak gösterilir (kısaca), $n$ ışığın yayıldığı ortamın kırılma indisidir.

Fresnel formüllerinden, $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right modüllerinin olduğu açıktır. |=\ left|E_(otr//)\right|$, bu da yansımanın "dolu" olduğu anlamına gelir.

Not 1

Homojen olmayan dalganın ikinci ortamda kaybolmadığına dikkat edilmelidir. Yani, eğer $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ Then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Korunum yasasının ihlali Belirli bir durumda enerjinin no. Fresnel formülleri tek renkli bir alan için, yani kararlı hal süreci için geçerli olduğundan. Bu durumda enerjinin korunumu yasası, ikinci ortamdaki periyot boyunca enerjideki ortalama değişimin sıfıra eşit olmasını gerektirir. Dalga ve buna karşılık gelen enerji fraksiyonu, arayüzden dalga boyu düzeyinde küçük bir derinliğe kadar ikinci ortama nüfuz eder ve burada, dalganın faz hızından daha düşük bir faz hızıyla arayüze paralel olarak hareket eder. ikinci ortam. Giriş noktasına göre kaydırılmış bir noktada ilk ortama geri döner.

Dalganın ikinci ortama nüfuzu deneysel olarak gözlemlenebilir. İkinci ortamdaki ışık dalgasının yoğunluğu yalnızca dalga boyundan daha kısa mesafelerde fark edilir. Işık dalgasının düştüğü ve tam yansımaya uğradığı arayüzün yakınında, ikinci ortamda floresan bir madde varsa, ikinci ortamın yanında ince bir tabakanın parıltısı görülebilir.

Tam yansıma, dünya yüzeyi sıcakken serapların oluşmasına neden olur. Böylece bulutlardan gelen ışığın tam olarak yansıması, ısınan asfaltın yüzeyinde su birikintileri olduğu izlenimine yol açmaktadır.

Sıradan yansıma altında, $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ ve $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ ilişkileri her zaman gerçektir . Tam yansımada karmaşıktırlar. Bu, bu durumda dalganın fazının sıfırdan veya $\pi $'dan farklı olmasına rağmen bir sıçramaya maruz kaldığı anlamına gelir. Dalga gelme düzlemine dik olarak polarize edilmişse şunu yazabiliriz:

burada $(\delta )_(\bot )$ istenen faz atlamadır. Gerçek ve sanal kısımları eşitleyelim:

İfadelerden (5) şunu elde ederiz:

Buna göre, geliş düzleminde polarize olan bir dalga için aşağıdakiler elde edilebilir:

Faz atlamaları $(\delta )_(//)$ ve $(\delta )_(\bot )$ aynı değildir. Yansıyan dalga eliptik olarak polarize olacaktır.

Tam Yansımayı Uygulamak

İki özdeş ortamın ince bir hava boşluğuyla ayrıldığını varsayalım. Üzerine sınırlayıcı olandan daha büyük bir açıyla bir ışık dalgası düşer. Düzgün olmayan bir dalga olarak hava boşluğuna nüfuz etmesi mümkündür. Boşluğun kalınlığı küçükse bu dalga maddenin ikinci sınırına ulaşacak ve çok zayıflamayacaktır. Hava boşluğundan maddeye geçen dalga tekrar homojen bir yapıya dönüşecektir. Böyle bir deney Newton tarafından gerçekleştirildi. Bilim adamı, küresel olarak zeminlenmiş başka bir prizmayı dikdörtgen prizmanın hipotenüs yüzüne bastırdı. Bu durumda ışık, ikinci prizmaya sadece dokundukları yerden değil, aynı zamanda kontağın etrafındaki küçük bir halkada, boşluğun kalınlığının dalga boyuyla karşılaştırılabileceği bir yerde geçiyor. Gözlemler beyaz ışıkta yapıldıysa halkanın kenarı kırmızımsı bir renge sahipti. Penetrasyon derinliği dalga boyuyla orantılı olduğundan (kırmızı ışınlar için mavi olanlardan daha büyüktür) bu olması gerektiği gibidir. Boşluğun kalınlığını değiştirerek iletilen ışığın yoğunluğunu değiştirebilirsiniz. Bu olgu, patenti Zeiss'a ait olan hafif telefonun temelini oluşturdu. Bu cihazdaki ortamlardan biri, üzerine düşen sesin etkisi altında titreşen şeffaf bir zardır. Hava boşluğundan geçen ışık, ses şiddetinin değişmesiyle birlikte zamanla şiddetini de değiştirir. Bir fotosele çarptığında ses yoğunluğundaki değişikliklere göre değişen alternatif akım üretir. Ortaya çıkan akım güçlendirilir ve daha fazla kullanılır.

İnce boşluklardan dalga nüfuzu olgusu optiğe özgü değildir. Bu, herhangi bir nitelikteki bir dalga için, boşluktaki faz hızının, boşluktaki faz hızından daha yüksek olması durumunda mümkündür. çevre. Bu fenomen nükleer ve atom fiziğinde büyük önem taşımaktadır.

Toplam iç yansıma olgusu, ışığın yayılma yönünü değiştirmek için kullanılır. Bu amaçla prizmalar kullanılır.

Örnek 1

Egzersiz yapmak: Sıklıkla meydana gelen tam yansıma olgusuna bir örnek verin.

Çözüm:

Aşağıdaki örneği verebiliriz. Otoyol çok sıcaksa, asfalt yüzeyine yakın yerlerde hava sıcaklığı maksimumdur ve yoldan uzaklaştıkça azalır. Bu, havanın kırılma indisinin yüzeyde minimum olduğu ve mesafe arttıkça arttığı anlamına gelir. Bunun sonucunda otoyol yüzeyine göre açısı küçük olan ışınlar tamamen yansıtılır. Dikkatinizi araba kullanırken otoyolun uygun bir bölümünde yoğunlaştırırsanız oldukça ileride, ters bir şekilde ilerleyen bir arabayı görebilirsiniz.

Örnek 2

Egzersiz yapmak: Hava kristali arayüzünde belirli bir ışın için toplam yansımanın sınırlayıcı açısı 400 ise, bir kristalin yüzeyine düşen ışık ışınının Brewster açısı nedir?

Çözüm:

\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]

(2.1) ifadesinden şunu elde ederiz:

(2.3) ifadesinin sağ tarafını (2.2) formülüne koyalım ve istenilen açıyı ifade edelim:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]

Hesaplamaları yapalım:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\approx 57()^\circ .\]

Cevap:$(\alpha )_b=57()^\circ .$

Sınıf: 11

Ders için sunum

Geri İleri

Dikkat! Slayt önizlemeleri yalnızca bilgilendirme amaçlıdır ve sunumun tüm özelliklerini temsil etmeyebilir. Bu çalışmayla ilgileniyorsanız, lütfen tam sürümünü indirin.

Ders hedefleri:

Eğitici:

• Öğrenciler “Işığın yansıması ve kırılması” konusunu incelerken edindikleri bilgileri tekrarlamalı ve genelleştirmelidir: homojen bir ortamda ışığın doğrusal yayılması olgusu, yansıma yasası, kırılma yasası, toplam yansıma yasası.
• Yasaların bilim, teknoloji, optik aletler, tıp, ulaşım, inşaat, günlük yaşam ve çevremizdeki dünyadaki uygulamalarını düşünün.
• Niteliksel, hesaplamalı ve deneysel problemleri çözerken edindiği bilgileri uygulayabilme;

Eğitici:

1. öğrencilerin ufkunu genişletmek, mantıksal düşünmeyi ve zekayı geliştirmek;
2. karşılaştırma yapabilme ve girdi sağlayabilme;
3. Monolog konuşmayı geliştirin, izleyici önünde konuşun.
4. Ek literatürden ve internetten nasıl bilgi elde edileceğini ve analiz edileceğini öğretir.

Eğitici:

• fizik konusuna ilgi uyandırmak;
• bağımsızlığı, sorumluluğu, güveni öğretin;
• Ders sırasında bir başarı ve arkadaşça destek durumu yaratın.

Ekipman ve görsel yardımcılar:

• Geometrik optik cihaz, aynalar, prizmalar, reflektörler, dürbün, fiber optik, deney aletleri.
• Bilgisayar, video projektörü, ekran, sunum” Pratik Uygulama Işığın yansıma ve kırılma kanunları"

Ders planı.

I. Dersin konusu ve amacı (2 dakika)

II. Tekrarlama (ön anket) – 4 dakika

III. Işık yayılımının doğrusallığının uygulanması. Sorun (tahtada). - 5 dakika

IV. Işığın yansıması kanununun uygulanması. - 4 dakika

V. Işığın kırılma yasasının uygulanması:

1) Deneyim - 4 dakika

2) Görev - 5 dakika

VI Işığın toplam iç yansımasının uygulanması:

a) Optik aletler – 4 dakika.

c) Fiber optik – 4 dakika.

VII Seraplar - 4 dakika

VIII. Bağımsız çalışma– 7 dk.

IX Dersin özetlenmesi. Ev ödevi – 2 dk.

Toplam: 45 dk

Ders ilerlemesi

I. Ders konusu, amacı, hedefleri, içeriği . (Slayt1-2)

Epigraf. (Slayt 3)

Sonsuz doğanın harika bir hediyesi,
Paha biçilmez ve kutsal bir hediye,
Sonsuz bir kaynağı var
Güzelliğin tadını çıkarmak:
Gökyüzü, güneş, yıldızların parlaklığı,
Parlak mavi deniz -
Evrenin bütün resmi
Sadece ışıkta biliyoruz.
I.A.Bunin

II. Tekrarlama

Öğretmen:

a) Geometrik optik. (Slayt 4-7)

Işık homojen bir ortamda düz bir çizgide yayılır. Veya homojen bir ortamda ışık ışınları düz çizgilerdir

Işık enerjisinin ilerlediği çizgiye ışın denir. Geometrik optikte ışığın 300.000 km/s hızla yayılmasının düzlüğü kullanılır.

Örnek: Bir kiriş kullanarak rendelenmiş bir tahtanın düzlüğünü kontrol ederken kullanılır.

Işık saçmayan cisimlerin görülebilmesi, her cismin üzerine düşen ışığı kısmen yansıtması, kısmen de absorbe etmesinden kaynaklanmaktadır. (Ay). Işığın yayılma hızının daha yavaş olduğu bir ortam, optik olarak daha yoğun bir ortamdır. Işık kırılması, ortamlar arasındaki sınırı geçerken ışık ışınının yönündeki değişikliktir. Işığın kırılması, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızındaki farkla açıklanır.

b) Yansıma ve kırılma olgusunun “Optik disk” cihazında gösterilmesi

c) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 8)

III. Işık yayılımının doğrusallığının uygulanması. Sorun (tahtada).

a) Gölge ve yarı gölgenin oluşumu. (Slayt 9).

Işığın yayılmasının düzlüğü gölge ve kısmi gölgenin oluşumunu açıklar. Kaynağın boyutu küçükse veya kaynak, kaynağın boyutunun ihmal edilebilecek kadar uzakta bulunuyorsa yalnızca bir gölge elde edilir. Işık kaynağı büyük olduğunda veya kaynak konuya yakın olduğunda keskin olmayan gölgeler (gölge ve kısmi gölge) oluşturulur.

b) Ayın Aydınlanması. (Slayt 10).

Ay, Dünya'nın etrafında dönerken Güneş tarafından aydınlatılır; kendisi parlamaz.

1. yeni ay, 3. ilk dördün, 5. dolunay, 7. son dördün.

c) İnşaatta, yol ve köprü yapımında ışık yayılımının düzlüğünün uygulanması. (Slayt 11-14)

d) Problem No. 1352 (D) (tahtadaki öğrenci). Bir noktada güneş tarafından aydınlatılan Ostankino televizyon kulesinin gölgesinin uzunluğunun 600 m'ye eşit olduğu ortaya çıktı; 1,75 m yüksekliğindeki bir kişinin gölgesinin uzunluğu aynı anda 2 m'ye eşittir. Kulenin yüksekliği nedir? (Slayt 15-16)

Sonuç: Bu prensibi kullanarak erişilemeyen bir nesnenin yüksekliğini belirleyebilirsiniz: evin yüksekliği; uçurumun yüksekliği; uzun bir ağacın yüksekliği.

e) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 17)

IV. Işığın yansıması kanununun uygulanması. (Slayt 18-21).

a) Aynalar (Öğrencinin mesajı).

Yolunda herhangi bir nesneyle karşılaşan ışık, yüzeyinden yansır. Pürüzsüz değilse birçok yöne yansıma meydana gelir ve ışık dağılır. Yüzey pürüzsüz olduğunda tüm ışınlar birbirine paralel olarak uzaklaşır ve ışık genellikle bu şekilde yansıtılır. duran sıvıların ve aynaların serbest yüzeyi. Aynalar farklı şekillerde olabilir. Düz, küresel, cyoyndric, parabolik vb. şeklindedirler. Bir nesneden yayılan ışık, aynaya düşen ışınlar şeklinde yayılır ve yansıtılır. Bundan sonra bir noktada tekrar toplanırlarsa, cismin imajının hareketinin o noktada ortaya çıktığını söylerler. Işınlar ayrı kalırsa ancak bir noktada uzantıları birleşirse, o zaman bize öyle geliyor ki ışınlar onlardan çıkıyor ve nesnenin bulunduğu yer burası. Bu, gözlemin hayal gücünde yaratılan sözde sanal görüntüdür. İçbükey aynaların yardımıyla, yansıtıcı bir teleskop kullanarak yıldızları gözlemlerken olduğu gibi, bir görüntüyü bir yüzeye yansıtabilir veya uzaktaki bir nesneden gelen zayıf ışığı bir noktada toplayabilirsiniz. Her iki durumda da görüntü gerçektir; nesneyi gerçek boyutunda görmek için diğer aynalar kullanılır (sıradan düz aynalar), büyütülmüş (bu tür aynalar çantada taşınır) veya küçültülmüş (arabalarda dikiz aynaları). Ortaya çıkan görüntüler hayalidir (sanal). Kavisli, küresel olmayan aynaların yardımıyla görüntüyü çarpık hale getirebilirsiniz.

V. Işığın kırılma kanununun uygulanması. (Slayt 22-23).

a) Cam levhadaki ışınların yolu .

b) Üçgen prizmada ışınların yolu . Oluşturun ve açıklayın. (Tahtadaki öğrenci)

c) Tecrübe: Kırılma kanununun uygulanması. (Öğrencinin mesajı.) (Slayt 24)

Deneyimsiz yüzücüler, ışığın kırılma yasasının ilginç bir sonucunu unuttukları için çoğu zaman büyük tehlikelerle karşı karşıya kalırlar. Kırılmanın suya batırılmış tüm nesneleri gerçek konumlarının üzerine çıkardığını bilmiyorlar. Bir göletin, nehrin veya rezervuarın tabanı, göze derinliğinin neredeyse üçte biri kadar yüksekmiş gibi görünür. Derinliği belirlemede yapılacak bir hatanın ölümcül olabileceği çocuklar ve genel olarak kısa boylu insanlar için bunu bilmek özellikle önemlidir. Bunun nedeni ışık ışınlarının kırılmasıdır.

Deneyim: Öğrencilerin önüne bu şekilde bardağın dibine bir bozuk para koyun. öğrencinin görmemesi için. Başını çevirmeden bir bardağa su dökmesini isteyin, o zaman para "yüzecektir". Bardaktan suyu bir şırıngayla çıkarırsanız, madeni paranın bulunduğu alt kısım tekrar "aşağı inecektir". Deneyimi açıklayın. Deneyi evdeki herkes için gerçekleştirin.

G) Görev. Rezervuar alanının gerçek derinliği 2 metredir. Su yüzeyine 60° açıyla dibe bakan bir kişinin görünen derinliği nedir? Suyun kırılma indisi 1,33'tür.

(Slayt 25-26). . e) İncelenecek sorular

(Slayt 27-28).

VI. Toplam iç yansıma. Optik aletler . a) Toplam iç yansıma. Optik aletler

(Öğrenci mesajı)

(Slayt 29-35)

Toplam iç yansıma, ışık optik olarak daha yoğun bir ortam ile daha az yoğun bir ortam arasındaki sınıra çarptığında meydana gelir. Birçok optik cihazda toplam iç yansıma kullanılır. Cam için sınır açısı, belirli bir cam tipinin kırılma indisine bağlı olarak 35°-40°'dir. Bu nedenle 45°'lik prizmalarda ışık tam bir iç yansımaya maruz kalacaktır.

Soru. Ters çevrilebilir ve dönen prizmaların kullanılması neden aynalardan daha iyidir?

a) En iyi aynalar 100'den az ışık yansıttığı için neredeyse 100 ışık yansıtırlar. Görüntü daha parlaktır.

c) Metal aynalar metalin oksidasyonu nedeniyle zamanla solgunlaştığından özellikleri değişmez. Başvuru.

Periskoplarda dönen prizmalar kullanılır. Dürbünlerde tersinir prizmalar kullanılır. Taşımada bir köşe reflektörü kullanılır - bir reflektör; arkaya sabitlenmiştir - kırmızı, ön - beyaz, bisiklet tekerleklerinin jantlarına - turuncu. Işığın yüzeye geliş açısına bakılmaksızın, ışığı onu aydınlatan kaynağa geri yansıtan bir retroreflektör veya optik cihaz. Tüm araçlar ve yolların tehlikeli bölümleri bunlarla donatılmıştır. Cam veya plastikten yapılmıştır.

b) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 36). . c) Fiber optik

(Öğrenci mesajı). (Slayt 37-42).

Işık kılavuzları telefon ve diğer iletişim türlerinde sinyalleri iletmek için kullanılır. Sinyal, modüle edilmiş bir ışık ışınıdır ve bir elektrik sinyalinin bakır teller üzerinden iletilmesine kıyasla daha az kayıpla iletilir.

Işık kılavuzları tıpta net görüntüleri iletmek için kullanılır. Yemek borusundan bir “endoskop” yerleştirilerek doktor midenin duvarlarını inceleyebilir. Bazı lifler mideyi aydınlatmak için ışık gönderirken, diğerleri yansıyan ışığı taşır. Ne kadar çok lif ve ne kadar ince olursa görüntü o kadar iyi olur. Endoskop, mideyi ve diğer ulaşılması zor bölgeleri incelerken, hastayı ameliyata hazırlarken veya ameliyatsız yaralanma ve hasarları ararken faydalıdır.

Işık kılavuzunda ışık tamamen camın veya şeffaf plastik elyafın iç yüzeyinden yansıtılır. Işık kılavuzunun her iki ucunda mercekler bulunur. Sonunda nesneye dönük. mercek kendisinden çıkan ışınları paralel bir ışına dönüştürür. Gözlemciye bakan uçta görüntüyü görmenizi sağlayan bir teleskop bulunmaktadır.

VII. Seraplar. (Öğrenci anlatır, öğretmen tamamlar) (Slayt 43-46).

Napolyon'un Fransız ordusu 18. yüzyılda Mısır'da bir serapla karşılaştı. Askerler ileride “ağaçlı bir göl” gördü. Mirage, Fransızca bir kelime olup "aynadaki gibi yansıtmak" anlamına gelir. Güneş ışınları hava aynasından geçerek “mucizelere” yol açar. Dünya iyi ısıtılırsa, alt hava katmanı üstteki katmanlardan çok daha sıcak olur.

Serap - optik fenomen Ufkun ötesinde bulunan görünmez nesnelerin havada kırılmış bir biçimde yansımasından oluşan, bireysel katmanlarının farklı ısıtma seviyelerine sahip açık, sakin bir atmosferde.

Bu yüzden güneş ışınları Hava kalınlığına nüfuz ederek asla düz gitmezler, ancak kavislidirler. Bu olaya kırılma denir.

Mirage'ın birçok yüzü var. Basit, karmaşık, üst, alt, yan olabilir.

Havanın alt katmanları iyice ısıtıldığında, nesnelerin hayali ters çevrilmiş görüntüsü olan daha düşük bir serap gözlenir. Bu çoğunlukla bozkırlarda ve çöllerde olur. Bu tür bir serap görülebilir Orta Asya, Kazakistan, Volga bölgesi.

Zemindeki hava katmanları üst katmanlardan çok daha soğuksa, üst serap meydana gelir - görüntü yerden çıkar ve havada asılı kalır. Nesneler gerçekte olduklarından daha yakın ve daha yüksek görünür. Bu tür serap, güneş ışınlarının henüz Dünya'yı ısıtmaya vakti olmadığı sabahın erken saatlerinde görülür.

Sıcak günlerde deniz yüzeyinde denizciler havada asılı duran gemileri ve hatta ufkun çok ötesindeki nesneleri görürler.

VIII. Bağımsız çalışma. Test – 5 dakika (Slayt 47-53).

1. Gelen ışın ile ayna düzlemi arasındaki açı 30°'dir. Neden açıya eşit yansımalar?

2. Kırmızı neden ulaşım için bir tehlike sinyalidir?

a) kanın rengiyle ilişkili;

b) daha iyi göze çarpıyor;

c) en düşük kırılma indisine sahiptir;

d) havada en az dağılıma sahiptir

3. İnşaat işçileri neden turuncu kask takıyor?

a) turuncu renk uzaktan açıkça görülebiliyorsa;

b) kötü havalarda çok az değişiklik olur;

c) en az ışık saçılımına sahiptir;

d) iş güvenliği gerekliliklerine göre.

4. Işığın değerli taşlardaki oyununu nasıl açıklayabiliriz?

a) kenarları dikkatlice cilalanmıştır;

b) yüksek kırılma indeksi;

c) taş düzenli bir çokyüzlü şeklindedir;

d) değerli taşın ışık ışınlarına göre doğru yerleştirilmesi.

5. Gelme açısı 15° artırılırsa gelen ışın ile yansıyan ışın arasındaki açı nasıl değişir?

a) 30° artacaktır;

b) 30° azalacaktır;

c) 15° artacaktır;

d) 15° artacaktır;

6. Kırılma indisi 2,4 ise ışığın elmastaki hızı nedir?

a) yaklaşık 2.000.000 km/s;

b) yaklaşık 125.000 km/s;

c) Işığın hızı ortama bağlı değildir, yani. 300000 km/s;

d) 720000 km/s.

IX. Dersi özetlemek. Ev ödevi. (Slayt 54-56).

Öğrencilerin dersteki etkinliklerinin analizi ve değerlendirilmesi. Öğrenciler dersin etkililiğini öğretmenle tartışır ve performanslarını değerlendirir.

1. Kaç tane doğru cevap aldınız?

3. Yeni bir şey öğrendiniz mi?

4. En iyi konuşmacı.

2) Deneyi evde bozuk parayla yapın.

Edebiyat

1. Gorodetsky D.N. Test çalışması fizikte “Yüksekokul” 1987
2. Demkovich V.P. Fizikte problemlerin toplanması “Aydınlanma” 2004
3. Giancole D. Fizik. “Mir” Yayınevi 1990
4. Perelman A.I. Eğlenceli fizik Yayınevi “Bilim” 1965
5. Lansberg G.D. Temel fizik ders kitabı Nauka Yayınevi 1972
6. İnternet kaynakları

Toplam iç yansıma olgusu, fiber optikte ışık sinyallerini uzun mesafelere iletmek için kullanılır. Sıradan ayna yansımasını kullanmak istenen sonucu vermez çünkü aynanın kendisi bile yüksek kalite(gümüş kaplama) ışık enerjisinin %3'üne kadar emer. Işığı uzun mesafelere iletirken ışığın enerjisi sıfıra yaklaşır. Işık kılavuzuna girerken, gelen ışın, sınırlayıcı olandan açıkça daha büyük bir açıyla yönlendirilir, bu da ışının enerji kaybı olmadan yansımasını sağlar. Bireysel fiberlerden oluşan ışık kılavuzları çapına ulaşır insan saçı, mevcut akış hızından daha hızlı bir iletim hızına sahip olup, bilgi aktarımının hızlandırılmasını mümkün kılar.

Fiber ışık kılavuzları tıpta başarıyla kullanılmaktadır. Örneğin mideye veya kalp bölgesine iç organların belirli bölgelerini aydınlatmak veya gözlemlemek için bir ışık kılavuzu yerleştirilir. Işık kılavuzlarının kullanılması, iç organları ampul takmadan incelemenize olanak tanır, yani aşırı ısınma olasılığını ortadan kaldırır.

f) Refraktometri (Latince refraktus - kırılmış ve Yunanca metreo - ölçümden gelir) - ışığın bir ortamdan diğerine geçerken kırılması olgusuna dayanan bir analiz yöntemi. Işığın kırılması, yani orijinal yönünün değişmesi, ışığın farklı ortamlardaki farklı dağılım hızlarından kaynaklanmaktadır.

28.Işığın polarizasyonu. Işık doğal ve polarizedir. Optik olarak aktif maddeler. Bir çözeltinin konsantrasyonunun polarizasyon düzleminin dönme açısıyla ölçülmesi (polarimetri).

a) Işığın polarizasyonu, elektrik vektörünün belirli bir yönelimine sahip ışınların doğal ışık ışınından ayrılmasıdır.

B ) DOĞAL IŞIK(polarize olmayan ışık) - elektrik manyetik yoğunluğunun olası tüm yönlerine sahip bir dizi tutarsız ışık dalgası. alanlar hızla ve rastgele birbirini değiştiriyor. Tarafından yayılan ışık Radyasyon merkezi (atom, molekül, kristal kafes ünitesi vb.), genellikle doğrusal olarak polarize edilir ve polarizasyon durumunu 10-8 saniye veya daha kısa bir süre korur (bu, ışık ışınlarının büyük bir yol farkındaki girişiminin gözlemlenmesine ilişkin deneylerden kaynaklanmaktadır) Bu nedenle, belirtilen zaman aralığının başında ve sonunda yayılan dalgalar girişime neden olabilir). Bir sonraki radyasyon eyleminde ışık farklı bir polarizasyon yönüne sahip olabilir. Genellikle çok sayıda merkezden gelen radyasyon aynı anda, farklı yönlendirilmiş ve istatistik yasalarına göre yönelimi değişen bir şekilde gözlemlenir. Bu radyasyon E. s.<Мн. источники света (раскалённые тела, светящиеся газы) испускают свет, близкий к Е. с., но всё же в небольшой степени поляризованный. Это объясняется прохождением света внутри источника от глубинных слоев наружу и прохождением света через среду от источника к наблюдателю (поляризация при отражении, при рассеянии света средой, дихроизм среды и т. п.). Близок к Е. с. прямой солнечный свет.

POLARİZE IŞIK - Elektromanyetik titreşimleri yalnızca bir yönde ilerleyen ışık dalgaları. Sıradan IŞIK, hareket yönüne dik olarak her yöne yayılır. Salınım ızgarasına bağlı olarak, bilim adamları üç tür polarizasyonu ayırt eder: doğrusal (düzlemsel), dairesel ve eliptik. Doğrusal polarize ışıkta, elektriksel titreşimler yalnızca bir yönle sınırlıdır ve manyetik titreşimler dik açılarla yönlendirilir. Doğrusal polarize ışık, örneğin bir cam tabakasından veya su yüzeyinden YANSITIĞINDA, ışık kuvars, turmalin veya kalsit gibi belirli türdeki kristallerden geçtiğinde oluşur. Polarize edici malzeme, yansıtıldığında polarize hale gelen ışığı saptırarak parlamayı azaltmak için polarize güneş gözlüklerinde kullanılır.

V) Optik olarak aktif maddeler- doğal optik aktiviteye sahip ortamlar. Optik aktivite, bir ortamın (bir maddenin kristalleri, çözeltileri, buharları), içinden geçen optik radyasyonun (ışık) polarizasyon düzleminin dönmesine neden olma yeteneğidir. Optik aktiviteyi incelemenin yöntemi polarimetridir.

d) Pek çok çözeltinin konsantrasyonunun optik olarak belirlenmesindeki hız ve doğruluk, bu yöntemin çok yaygınlaşmasını sağlamıştır. Işığın polarizasyon düzleminin dönmesi olgusuna dayanmaktadır.

Üzerlerine gelen doğrusal polarize ışığın polarizasyon düzlemini döndürebilen maddelere optik olarak aktif denir. Saf sıvılar (örneğin terebentin), belirli maddelerin çözeltileri (sulu şeker çözeltisi) ve bazı karbonhidratlar optik olarak aktif olabilir. Polarizasyon düzleminin dönme yönü farklı maddeler için aynı değildir. Bir maddeden geçen ışına doğru bakarsanız, maddelerin bir kısmı polarizasyon düzlemini saat yönünde döndürür (sağ tarafa dönen maddeler), diğer kısmı ters yönde döner (levora dönen maddeler). Bazı maddelerin iki modifikasyonu vardır; bunlardan biri polarizasyon düzlemini saat yönünde, diğeri saat yönünün tersine (kuvars) döndürür.

Polarizör P'den geçen doğal ışık, düzlem polarize ışığa dönüşür. Işık filtresi F, belirli bir frekanstaki ışığı K kuvars plakasına iletir. Kuvars plaka optik eksene dik olarak kesilir, bu nedenle ışık bu eksen boyunca çift kırılma olmadan yayılır. Önceden bir kuvars plakanın yokluğunda, analizör A tamamen karanlığa ayarlanırsa (nikoller çaprazlanır), ardından kuvars plaka yerleştirildiğinde görüş alanı aydınlanır. Tamamen karartmak için artık analizörü belirli bir açıyla φ döndürmeniz gerekiyor. Böylece kuvarstan geçen polarize ışık eliptik polarizasyon elde edemedi, ancak doğrusal olarak polarize kaldı; Kuvars içinden geçerken, polarizasyon düzlemi yalnızca A analizörünün dönüşüyle ​​ölçülen ve kuvarsın varlığında alanı karartmak için gerekli olan belirli bir açı kadar döndürülür. Işık filtresini değiştirerek polarizasyon düzleminin dönme açısının farklı dalga boyları için farklı olduğunu görebilirsiniz. rotasyonel dağılım meydana gelir.

Belirli bir dalga boyu için polarizasyon düzleminin dönme açısı plaka kalınlığı d ile orantılıdır:

burada φ polarizasyon düzleminin dönme açısıdır; d – levha kalınlığı; α – spesifik rotasyon.

Spesifik rotasyon dalga boyuna, maddenin doğasına ve sıcaklığa bağlıdır. Örneğin kuvars, λ = 589 nm için α = 21,7 derece/mm'ye ve λ = 405 nm için α = 48,9 derece/mm'ye sahiptir.

Doğrusal polarize ışık, optik olarak aktif bir madde çözeltisi içinde yayıldığında, polarizasyon düzleminin dönme açısı, katman kalınlığına d ve çözelti konsantrasyonuna C bağlıdır:

Şek. 2 ve gösterilirler: E1 – sol bileşenin ışık vektörü, E2 – sağ bileşenin ışık vektörü, РР – toplam E vektörünün yönü.

Her iki dalganın yayılma hızları aynı değilse, o zaman maddeden geçerken vektörlerden biri, örneğin E1, dönüşünde E2 vektörünün gerisinde kalacaktır (bkz. Şekil 2, b), yani. sonuçta ortaya çıkan E vektörü "daha hızlı" E2 vektörüne doğru dönecek ve QQ konumunu alacaktır. Dönme açısı φ'ye eşit olacaktır.

Işığın farklı dairesel polarizasyon yönleriyle yayılma hızındaki fark, moleküllerin asimetrisinden veya bir kristaldeki atomların asimetrik düzenlenmesinden kaynaklanmaktadır. Polarizasyon düzleminin dönme açılarını ölçmek için polarimetre ve sakarimetre adı verilen aletler kullanılır.

29.Radyasyonun özellikleri ve enerjinin atom ve moleküller tarafından emilmesi. Spektrumlar (emisyon ve absorpsiyon) atomik, moleküler ve kristal spektrumlar. Spektrometri ve tıptaki uygulamaları.

Bir atom ve bir molekül sabit enerji durumlarında olabilir. Bu hallerde enerji yaymazlar veya absorbe etmezler. Enerji durumları şematik olarak seviyeler halinde temsil edilir. En düşük enerji seviyesi (temel enerji) temel duruma karşılık gelir.

Kuantum geçişleri sırasında atomlar ve moleküller bir durağan durumdan diğerine, bir enerji seviyesinden diğerine atlarlar. Atomların durumundaki değişiklik elektronların enerji geçişleriyle ilişkilidir. Moleküllerde enerji, yalnızca elektronik geçişler sonucunda değil, aynı zamanda atomik titreşimlerdeki değişiklikler ve dönme seviyeleri arasındaki geçişler nedeniyle de değişebilmektedir. Bir atom veya molekül, yüksek enerji seviyelerinden düşük seviyelere geçerken enerji verir, ters geçişlerde ise enerji emer. Temel durumdaki bir atom yalnızca enerjiyi emebilir. İki tür kuantum geçişi vardır:

1) radyasyon olmadan veya bir atom veya molekül tarafından elektromanyetik enerjinin emilmesi olmadan. Bu ışınımsız geçiş, bir atom veya molekül diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde, örneğin bir çarpışma sırasında meydana gelir. Atomun iç durumunun değiştiği ve ışınımsal olmayan bir geçişin meydana geldiği elastik olmayan bir çarpışma ile atomun veya molekülün kinetik enerjisinde bir değişiklik olan, ancak iç durumun korunmasıyla elastik olan bir çarpışma arasında bir ayrım yapılır. ;

2) bir fotonun emisyonu veya soğurulması ile. Bir fotonun enerjisi, bir atom veya molekülün başlangıç ​​ve son durağan durumlarının enerjileri arasındaki farka eşittir.

Bir fotonun yayılmasıyla kuantum geçişine neden olan nedene bağlı olarak iki tür radyasyon ayırt edilir. Bu neden, kendiliğinden daha düşük bir enerji seviyesine doğru hareket eden içsel ve uyarılmış bir parçacık ise, bu tür radyasyona kendiliğinden denir. Zaman, frekans (farklı alt seviyeler arasında geçişler olabilir), yayılma yönü ve kutuplaşma açısından rastgele ve kaotiktir. Geleneksel ışık kaynakları çoğunlukla kendiliğinden radyasyon yayar. Başka bir radyasyon türü zorlanır veya indüklenir. Bir foton, uyarılmış bir parçacıkla etkileşime girdiğinde, fotonun enerjisi enerji seviyelerindeki farka eşit olduğunda ortaya çıkar. Zorunlu kuantum geçişinin bir sonucu olarak, parçacıktan aynı yönde iki özdeş foton yayılacaktır: biri birincil, zorlayıcı, diğeri ise ikincil, yayılır. Atomlar veya moleküller tarafından yayılan enerji emisyon spektrumunu, emilen enerji ise absorpsiyon spektrumunu oluşturur.

Herhangi bir enerji seviyesi arasında kuantum geçişleri meydana gelmez. Geçişlerin mümkün olduğu, imkansız olduğu veya ihtimal dışı olduğu koşulları formüle eden seçim veya yasaklama kuralları oluşturulmuştur.

Çoğu atom ve molekülün enerji seviyeleri oldukça karmaşıktır. Seviyelerin yapısı ve dolayısıyla spektrumlar yalnızca tek bir atomun veya molekülün yapısına değil aynı zamanda dış faktörlere de bağlıdır.

Spektrumlar çeşitli bilgilerin kaynağıdır.

Her şeyden önce atomlar ve moleküller, niteliksel spektral analizin görevinin bir parçası olan spektrum türüne göre tanımlanabilir. Spektral çizgilerin yoğunluğu, yayan (emici) atomların sayısını belirler - niceliksel spektral analiz. Bu durumda, %10~5-10~6 konsantrasyonlarındaki safsızlıkları bulmak ve çok küçük kütleli (onlarca mikrograma kadar) numunelerin bileşimini belirlemek nispeten kolaydır.

Spektrumlardan bir atomun veya molekülün yapısı, enerji seviyelerinin yapısı, büyük moleküllerin tek tek parçalarının hareketliliği vb. değerlendirilebilir. Spektrumun bir atom veya moleküle etki eden alanlara bağımlılığını bilerek, komşu atomların (moleküllerin) etkisi bir elektromanyetik alan aracılığıyla gerçekleştirildiğinden parçacıkların göreceli konumu hakkında bilgi elde edilir.

Hareketli cisimlerin spektrumlarının incelenmesi, optik Doppler etkisine dayanarak radyasyon yayıcı ve alıcının göreceli hızlarının belirlenmesini mümkün kılar.

Bir maddenin spektrumundan onun durumu, sıcaklığı, basıncı vb. hakkında sonuçlar çıkarmanın mümkün olduğunu düşünürsek, o zaman radyasyonun kullanımını ve enerjinin atomlar ve moleküller tarafından emilmesini bir araştırma yöntemi olarak oldukça takdir edebiliriz.

Bir atom (veya molekül) tarafından yayılan veya emilen fotonun enerjisine (frekansına) bağlı olarak aşağıdaki spektroskopi türleri sınıflandırılır: radyo, kızılötesi, görünür radyasyon, ultraviyole ve x-ışını.

Maddenin türüne (spektrum kaynağı) bağlı olarak atomik, moleküler ve kristal spektrumlar ayırt edilir.

MOLEKÜLER SPEKTRUMLAR- aynı enerjiden moleküllerin kuantum geçişleri sırasında ortaya çıkan absorpsiyon, emisyon veya saçılma spektrumları. diğerine belirtir. M.s. molekülün bileşimi, yapısı, kimyasalın doğası ile belirlenir. dış ortamlarla iletişim ve etkileşim alanlar (ve dolayısıyla onu çevreleyen atomlar ve moleküller ile birlikte). Naib. karakteristik M. s. spektral çizgilerin basınçla genişletilmediği durumlarda seyreltilmiş moleküler gazlar: böyle bir spektrum, Doppler genişliğine sahip dar çizgilerden oluşur.

Pirinç. 1. İki atomlu bir molekülün enerji seviyelerinin şeması: A Ve B-elektronik seviyeler; sen " ve sen "" - titreşimsel kuantum sayıları; J" Ve J"" - dönme kuantum sayıları.

Bir moleküldeki üç enerji seviyesi sistemine uygun olarak - elektronik, titreşimli ve dönme (Şekil 1), M. s. bir dizi elektronik titreşimden oluşur. ve döndürün. spektrumları ve geniş bir el-magnetik aralığı içinde yer alırlar. dalgalar - radyo frekanslarından x-ışınlarına kadar. spektrumun alanları. Rotasyonlar arasındaki geçişlerin sıklıkları. enerji seviyeleri genellikle mikrodalga bölgesine (0,03-30 cm -1 dalga sayısı ölçeğinde), salınımlar arasındaki geçişlerin frekanslarına düşer. IR bölgesindeki seviyeler (400-10.000 cm -1) ve spektrumun görünür ve UV bölgelerindeki elektronik seviyeler arasındaki geçiş frekansları. Bu bölünme şartlıdır çünkü sıklıkla dönüşümlü olarak yapılır. geçişler aynı zamanda IR bölgesine yani salınımlara da düşer. geçişler görünür bölgede, elektronik geçişler ise IR bölgededir. Tipik olarak elektronik geçişlere titreşimlerdeki değişiklikler eşlik eder. molekülün enerjisi ve titreşimlerle. geçişler değişir ve döner. enerji. Bu nedenle, elektronik spektrum çoğunlukla elektron titreşim sistemlerini temsil eder. bantlar ve yüksek çözünürlüklü spektral ekipmanlarla rotasyonları tespit edilir. yapı. M. s'deki çizgilerin ve şeritlerin yoğunluğu. karşılık gelen kuantum geçişinin olasılığı ile belirlenir. Naib. yoğun çizgiler seçim kurallarının izin verdiği geçişe karşılık gelir. Auger spektrumlarını ve X-ışını spektrumlarını da içerir. molekül spektrumları(makalede ele alınmıyor; bkz. Auger etkisi, Auger spektroskopisi, X-ışını spektrumları, X-ışını spektroskopisi).

Kristallerin spektrumları(optik) yapı olarak çeşitlidir. Dar çizgilerle birlikte geniş bantlar (n frekansının ışık hızına oranı) içerirler. İle kesirlerden birkaç bine kadar. cm-1) ve onbinlerce km'ye yayılan spektrumun sürekli bölgeleri. cm-1(santimetre. Optik spektrum). Absorbsiyon spektrumunun kızılötesi bölgesinde, elektrik dipol momentindeki değişikliklerin eşlik ettiği kristal parçacıkların titreşim hareketlerinin neden olduğu enerji seviyeleri arasındaki kuantum geçişleriyle ilişkili bantlar gözlenir: bir foton emilir ve bir kuantum doğar. kristal kafesin titreşimleri - fonon. Birkaç fonon üretiminin eşlik ettiği süreçler, gözlemlenen spektrumu "bulanıklaştırır" ve karmaşıklaştırır. Gerçek bir kristalin genellikle yapısal kusurları vardır (bkz. Kristallerdeki kusurlar), Yakınlarında yerel titreşimler meydana gelebilir, örneğin bir yabancı madde molekülünün iç titreşimleri. Bu durumda, yerel titreşimlerin kafes titreşimleriyle bağlantısının neden olduğu spektrumda olası "uydulara" sahip ek çizgiler belirir. İÇİNDE yarı iletkenler bazı safsızlıklar, elektronların hidrojen benzeri yörüngelerde hareket ettiği merkezler oluşturur. Kızılötesi bölgede sürekli bir absorpsiyon bandıyla biten bir dizi çizgiden oluşan (safsızlık iyonizasyonu) bir absorpsiyon spektrumu verirler. Yarı iletkenlerdeki iletken elektronlar ve delikler tarafından ışığın emilmesi ve metaller aynı zamanda kızılötesi bölgede de başlar (bkz. Metal optik). Manyetik olarak düzenlenmiş kristallerin spektrumlarında magnonlar kendilerini fononlara benzer şekilde gösterirler (bkz. Döndürme dalgaları).

Dağınık ışık spektrumunda, ışığın kristalin polarize edilebilirliğinin değiştiği kafes titreşimleri ile etkileşimi nedeniyle, başlangıç ​​frekansı n o çizgisi ile birlikte, kafes titreşimlerinin frekansı ile her iki tarafında da çizgiler kaymış görünür. fononların yaratılmasına veya emilmesine karşılık gelir (bkz. Işığın Raman saçılımı, pirinç. 1 ). Akustik kafes titreşimleri, ışık termal dalgalanmalarla saçıldığında, yoğunluk dalgalanmalarının yayılmasıyla saçılma nedeniyle merkezi (kaydırılmamış) Rayleigh çizgisinin yakınında yan uyduların da görünmesine neden olur (bkz. Işık saçılımı).

Kızılötesi bölgenin ötesindeki çoğu metalik olmayan kristal, belirli bir frekans aralığında şeffaftır. Foton enerjisi, elektronların üst dolu değerlik bandından kristalin iletim bandının alt kısmına aktarılmasına neden olacak kadar yüksek olduğunda soğurma tekrar meydana gelir. Işığın bu yoğun kendi kendine soğurulmasının spektrumu, kristalin elektronik enerji bantlarının yapısını yansıtır ve diğer enerji bantları arasındaki geçişler "açıldıkça" görünür aralığa doğru uzanır. Kendi kendine soğurma kenarının konumu, ideal bir kristalin rengini (kusursuz) belirler. Yarı iletkenler için, içsel soğurma bölgesinin uzun dalga sınırı yakın kızılötesi bölgede yer alır. iyonik kristaller - yakın ultraviyole bölgede. Elektronların doğrudan geçişlerinin yanı sıra, dolaylı geçişler de bir kristalin içsel emilimine katkıda bulunur; bu sırada fononlar ek olarak oluşturulur veya emilir. Elektronların iletim bandından değerlik bandına geçişlerine rekombinasyon radyasyonu eşlik edebilir.

Elektrostatik çekim nedeniyle bir iletken elektron ve bir delik, bağlı bir durum (bir eksiton) oluşturabilir. Eksitonların spektrumu hidrojen benzeri serilerden geniş bantlara kadar değişebilir. Eksiton absorpsiyon çizgileri, kristalin kendi absorpsiyonunun uzun dalga boyu sınırında yer alır. Eksitonlar, moleküler kristallerin elektronik absorpsiyon spektrumlarından sorumludur. Eksiton da bilinir ışıldama.

Kusur merkezlerinin yerel seviyeleri arasındaki elektronik geçişlerin enerjileri genellikle ideal bir kristalin şeffaflık bölgesine düşer, bu nedenle genellikle kristalin rengini belirlerler. Örneğin alkali halojenür kristallerinde anyonda lokalize olan bir elektronun uyarılması boş pozisyonlar(F-renk merkezi), kristalin karakteristik rengine yol açar. Çeşitli safsızlık iyonları (örneğin, KCl'deki Tl), lüminesans merkezleri oluşturur. kristalofosfor. Elektronik titreşim (vibronik) spektrumları verirler. Kusur merkezindeki elektron-fonon (vibronik) etkileşimi zayıfsa, spektrumda yoğun, dar bir sıfır fonon çizgisi belirir (çizginin optik bir analogu). Mössbauer etkisi ), bir kristalin dinamiklerini safsızlıkla yansıtan bir yapıya sahip bir “fonon kanadı” bitişiktir ( pirinç. 3 ). Vibronik etkileşim arttıkça sıfır fonon hattının yoğunluğu azalır. Güçlü vibronik bağlantı, geniş, yapısız bantlarla sonuçlanır. Radyasyondan önce titreşimsel gevşeme sürecindeki uyarılma enerjisinin bir kısmı kristalin geri kalanında dağıldığından, lüminesans bandının maksimumu, soğurma bandının uzun dalga boyu tarafında bulunur (Stokes kuralı). Bazen, ışık kuantumu yayıldığında, titreşim alt seviyeleri arasında bir denge dağılımının merkezde kurulması için zaman kalmaz ve "sıcak" ışıldama mümkün olur.

Kristal, safsızlıklar olarak bitmemiş atomlar veya geçiş iyonları veya nadir toprak elementleri içeriyorsa F- veya d-kabukları varsa, atomik seviyelerin kristal içi bir elektrik alanı tarafından bölünmesinden kaynaklanan alt seviyeler arasındaki geçişlere karşılık gelen ayrık spektral çizgiler gözlemlenebilir.

SPEKTROMETRİ, elektromanyetik spektrumların ölçülmesine yönelik bir dizi yöntem ve teoridir. radyasyon ve optik biliminde maddelerin ve cisimlerin spektral özelliklerinin incelenmesi. dalga boyu aralığı (~1 nm - 1 mm). S.'deki ölçümler kullanılarak gerçekleştirilir. spektral cihazlar.