"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Полное внутреннее отражение возникает, когда свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную и падает на границу под углом больше предельного. Тогда луч не преломляется во вторую среду, а полностью возвращается в первую. Предельный угол — тот угол падения, при котором преломлённый луч скользит вдоль границы. Это явление помогает передавать свет по оптическим волокнам и применяется в призмах приборов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оптически более плотная среда — среда, в которой свет распространяется медленнее. Чтобы возникло полное внутреннее отражение, свет должен идти именно из неё в оптически менее плотную среду. Это условие помогает сразу проверить, возможно ли такое явление в задаче.
Предельный угол — угол падения, при котором преломлённый луч скользит вдоль границы сред, а угол преломления равен 90°. Его обозначают, например, αпр. Это граница между обычным преломлением и полным внутренним отражением.
Полное внутреннее отражение — явление, при котором свет при переходе из оптически более плотной среды в менее плотную полностью отражается от границы и не выходит во вторую среду. Луч возвращается в первую среду. Это название отличает такой случай от обычного отражения, которое может происходить одновременно с преломлением.
Граница раздела сред — поверхность, на которой встречаются две прозрачные среды. Перпендикуляр к этой поверхности в точке падения луча называют нормалью. От нормали, а не от самой поверхности, отсчитывают углы падения и отражения.
Когда свет попадает из одной прозрачной среды в другую, скорость его распространения меняется. Из-за этого меняется и направление луча: при переходе из более плотной среды в менее плотную он отклоняется от перпендикуляра к границе. Такое изменение направления называют преломлением. Если луч падает точно по перпендикуляру, направление не меняется, хотя скорость света в новой среде становится другой.
По мере увеличения угла падения увеличивается и угол преломления. Причина в том, что при наклонном переходе в среду, где свет распространяется быстрее, луч всё сильнее отклоняется от перпендикуляра. При некотором угле падения преломлённый луч направляется вдоль границы раздела. Этот угол падения и называют предельным, а угол преломления в такой ситуации равен 90°.
Если угол падения становится ещё больше, луч не может продолжить путь во вторую среду как преломлённый. Свет отражается от границы обратно в первую среду — происходит полное внутреннее отражение. Поэтому для его возникновения нужно сравнивать угол падения именно с предельным углом: больший угол приводит к полному отражению. При угле меньше предельного свет выходит во вторую среду, преломляясь.
Направление перехода здесь принципиально. Полное внутреннее отражение возможно, только если луч идёт из оптически более плотной среды в менее плотную: именно при таком переходе угол преломления растёт до 90°. Если направить свет из менее плотной среды в более плотную, луч при преломлении приближается к перпендикуляру, и предельная ситуация не возникает. Одного большого угла падения для полного отражения недостаточно — нужно также верно выбрать направление перехода.
При полном внутреннем отражении луч остаётся в первой среде и отражается по закону отражения. Угол отражения равен углу падения, причём оба угла измеряют от перпендикуляра к границе. Это позволяет построить отражённый луч так же, как при обычном отражении от поверхности. Отличие состоит в том, что во вторую среду свет не проходит.
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите направление перехода и проверьте, выходит ли свет из более плотной среды в менее плотную. Затем сравните угол падения с предельным: равенство соответствует лучу вдоль границы, а превышение — полному внутреннему отражению. Во всех случаях отсчитывайте углы от перпендикуляра.
| Условие или свойство | Преломление | Полное внутреннее отражение |
|---|---|---|
| Направление перехода света | Свет переходит из одной среды в другую; при данном сравнении углов — из более плотной в менее плотную. | Только из оптически более плотной среды в менее плотную. |
| Угол падения | Меньше предельного; при предельном преломлённый луч идёт вдоль границы. | Больше предельного. |
| Что происходит с лучом на границе | Луч проходит во вторую среду и меняет направление. | Луч не выходит во вторую среду, а отражается обратно. |
| Направление отражённого луча | Если отражённый луч есть, угол отражения равен углу падения. | Отражённый луч остаётся в первой среде; угол отражения равен углу падения. |
Задача 1. Свет идёт из стекла в воздух. Укажите, при каком направлении перехода возможно полное внутреннее отражение.
Ответ: при переходе света из стекла в воздух, если угол падения больше предельного.
Задача 2. Предельный угол для границы стекло—воздух равен примерно 42°. Свет падает на границу под углом 30° к перпендикуляру. Будет ли полное внутреннее отражение?
Ответ: полного внутреннего отражения не будет, свет преломится в воздух.
Задача 3. Показатель преломления первой среды относительно второй равен 1,5. Найдите предельный угол и определите, что произойдёт при угле падения 50°.
Ответ: предельный угол примерно 42°; при падении под углом 50° произойдёт полное внутреннее отражение.
Ошибка: считать, что полное внутреннее отражение возможно при любом направлении перехода. Часто запоминают только условие о большом угле и забывают сравнить оптическую плотность сред. Проверьте себя: свет должен идти из среды, где он распространяется медленнее, в среду, где он распространяется быстрее.
Ошибка: сравнивать угол падения с 90°, а не с предельным углом. Число 90° относится к углу преломления в предельном случае, а не задаёт условие полного отражения. Перед выводом найдите или используйте данный предельный угол и сравните с ним угол падения.
Ошибка: отсчитывать углы от поверхности раздела. Так иногда делают, потому что лучи видны рядом с поверхностью, но это меняет значение угла. Для проверки нарисуйте перпендикуляр к границе в точке падения и измеряйте угол между лучом и этим перпендикуляром.
Ошибка: называть преломление под углом 90° полным внутренним отражением. При предельном угле преломлённый луч ещё направлен вдоль границы, а полное отражение возникает при большем угле падения. Проверьте знак сравнения: равенство — предельный случай, превышение — полное внутреннее отражение.
Для понимания полного внутреннего отражения нужны законы отражения и преломления света. Особенно важно помнить, что углы падения и отражения измеряют от перпендикуляра к границе, иначе сравнение с предельным углом будет неверным. Само явление помогает понять, как устроены оптические волокна: свет в них многократно отражается внутри. Полное отражение также используют призмы оптических приборов, чтобы направлять свет.
Почему свет при полном внутреннем отражении не выходит из первой среды?
При переходе в менее плотную среду угол преломления увеличивается вместе с углом падения. Когда угол падения становится больше предельного, луч уже не может преломиться наружу, поэтому свет отражается обратно в первую среду.
Можно ли наблюдать полное внутреннее отражение при переходе света из воздуха в стекло?
Нет. Полное внутреннее отражение возможно, только если свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную. При переходе из воздуха в стекло свет входит в более плотную среду.
Что называют предельным углом?
Предельный угол — это угол падения, при котором преломлённый луч направлен вдоль границы сред. Угол преломления в этот момент равен 90°.
От чего зависит предельный угол?
Он зависит от того, какие две среды граничат друг с другом, то есть от их оптических свойств. Для данного направления перехода можно найти его по условию sin αпр = 1/n, где n — показатель преломления первой среды относительно второй.
Где в технике используют полное внутреннее отражение?
Его используют в оптических волокнах, по которым свет передаёт информацию или освещает труднодоступные места. Также полное отражение применяют в призмах оптических приборов, чтобы менять направление световых лучей.
§ 55. Полное внутреннее отражение
