Физика · конспекты
★0
Физика › 9 класс › Законы распространения света

Тема 31Полное внутреннее отражение света

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Полное внутреннее отражениеПредельный угол полного отраженияполностью отражаетсяболее плотнойменее плотнуюСветоводы (оптоволокно)Отражательные призмыБлеск алмаза

Пустим луч из стекла в воздух и будем увеличивать угол падения. Угол преломления растёт быстрее и при некотором угле падения становится равным 90°: преломлённый луч скользит вдоль границы. При ещё больших углах свет полностью отражается обратно в стекло.

С ростом угла падения преломлённый луч слабеет и наконец исчезает — весь свет отражается
С ростом угла падения преломлённый луч слабеет и наконец исчезает — весь свет отражается Иллюстрация: light-fizika.ru
Определение

Полное внутреннее отражение — отражение всего света от границы с оптически менее плотной средой, когда угол падения больше предельного. Предельный угол полного отражения — угол падения α0\alpha_0, при котором угол преломления равен 90°.

sin⁡α0=n2n1;на границе с воздухомsin⁡α0=1n.\sin\alpha_0=\frac{n_2}{n_1};\qquad\text{на границе с воздухом}\quad \sin\alpha_0=\frac1n.
СредаПредельный угол
вода49°
стекло (n=1,5n=1{,}5)42°
алмаз24°
Опыт: при большом угле падения луч в стеклянном полуцилиндре полностью отражается
Опыт: при большом угле падения луч в стеклянном полуцилиндре полностью отражается Иллюстрация: light-fizika.ru

Полное отражение возможно только при переходе света из более плотной среды в менее плотную.

Применение

  • Световоды (оптоволокно): свет, много раз полностью отражаясь от стенок, бежит по тонкому стеклянному волокну на тысячи километров. Так передают интернет и телефонные разговоры, а врачи с помощью эндоскопов заглядывают внутрь организма.
  • Отражательные призмы в биноклях и перископах: они отражают свет лучше зеркал.
  • Блеск алмаза: предельный угол мал, и свет многократно отражается внутри огранённого камня.
  • Серебристый блеск пузырьков воздуха в воде, миражи.
Пример решения

Найдите предельный угол полного отражения для воды (n=1,33n=1{,}33).

sin⁡α0=11,33≈0,75\sin\alpha_0=\dfrac{1}{1{,}33}\approx0{,}75, α0≈49∘\alpha_0\approx49^\circ.

Образ для запоминания

Полное отражение — «стеклянная ловушка»: если луч изнутри бьёт в стенку слишком наискосок, он не может выбраться наружу и отскакивает обратно. Так свет и бежит по оптоволокну, как шарик по трубе.

⚗ Мини-опыт

Направьте луч из стекла (или воды) в воздух и увеличивайте угол падения. При каком угле преломлённый луч исчезает? В режиме «Световод» посмотрите, как свет бежит по изогнутому волокну.

▶ Симуляция PhET

На экране «Введение» поставьте сверху стекло, снизу воздух и направьте лазер снизу вверх. Найдите угол, при котором свет перестаёт выходить наружу.

Преломление светаОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1При каком переходе возможно полное отражение?
Нужен переход в оптически менее плотную среду.
2Что происходит, если угол падения больше предельного?
Преломлённого луча нет.
3Где используют полное отражение?
По световоду свет идёт, отражаясь от стенок.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Что такое предельный угол полного отражения?

    Ответ

    Угол падения, при котором угол преломления равен 90°.

    Как получилось?

  2. Найдите предельный угол для стекла с n=1,5n=1{,}5.

    Ответ

    sin⁡α0=11,5≈0,67\sin\alpha_0=\dfrac{1}{1{,}5}\approx0{,}67, α0≈42∘\alpha_0\approx42^\circ.

    Как получилось?

  3. Почему алмаз сверкает сильнее стекла?

    Ответ

    У алмаза предельный угол мал (24°), поэтому свет многократно полностью отражается внутри огранки.

    Как получилось?

  4. Как устроен световод?

    Ответ

    Это тонкое стеклянное волокно: свет идёт по нему, многократно полностью отражаясь от стенок.

    Как получилось?

  5. Возможно ли полное отражение при переходе света из воздуха в воду?

    Ответ

    Нет: только из более плотной среды в менее плотную.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Предельный угол для вещества 30°. Найдите его показатель преломления.

    Ответ

    n=1sin⁡30∘=2n=\dfrac{1}{\sin30^\circ}=2.

    Как получилось?

  2. Найдите предельный угол на границе стекло (n=1,5n=1{,}5) — вода (n=1,33n=1{,}33).

    Ответ

    sin⁡α0=1,331,5≈0,89\sin\alpha_0=\dfrac{1{,}33}{1{,}5}\approx0{,}89, α0≈63∘\alpha_0\approx63^\circ.

    Как получилось?

  3. Почему ныряльщик, глядя из-под воды вверх, видит небо только в круге над головой, а вокруг — отражение дна?

    Ответ

    Свет из воздуха входит в воду под углами не больше 49° к вертикали. Под бо́льшими углами из-под воды видно полное отражение от поверхности.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Полное внутреннее отражение
Весь свет отражается от границы с менее плотной средой при угле больше предельного.
Предельный угол полного отражения
Угол падения α0\alpha_0, при котором угол преломления равен 90°.
Формула предельного угла
sin α₀ = 1/n (на границе с воздухом).
Световод
Волокно, по которому свет идёт, многократно полностью отражаясь от стенок.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.