Отражение и пречупване на светлината

1. Отражение на светлината

    Явление, при което светлината достигайки до границата между две среди, се връща в първата, като променя посоката си на разпространение се нарича отражение на светлината. 

    Закон за отражение на светлината (Евклид, 300 г. пр.н.е.): Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение (фиг.2-1).

Фиг.2-1.

    Успоредни  лъчи, които попадат  върху гладка повърхност, след отражението  стават  успоредни. Такова отражение се нарича огледално (фиг.2-2). Ако отразяващата  повърхност е грапава, отражението е дифузно (фиг.2-3). Неравната  повърхност, например хартия  или дърво, е  съставена от голям брой гладки участъци, всеки от които отразява огледално попадналата върху него светлина. Поради хаотичната ориентация на отделните участъци обаче, отразената от  цялата повърхност светлина не се разпространява насочено, а се разпръсква във всички посоки.

                                          

                                 Фиг.2-2.                                                                                     Фиг.2-3.

 

2. Пречупване на светлината


    Явление, при което при достигане на светлината до границата между две среди, светлината преминава във втората среда и променя посоката си на разпространение, се нарича пречупване на светлината.    


    Явленията отражение  и  пречупване на светлината се наблюдават, когато светлинен  лъч достигне границата  на две прозрачни среди  с различни показатели на пречупване   n1 и  n2. Падащият лъч, който се разпространява в първата среда, се разделя на два  лъча: отразен  лъч и пречупен лъч. Отразеният лъч се връща в първата среда, в съответствие със закона за отражението на светлината. Преминалият във втората среда лъч се отклонява от посоката  на разпространение на падащия лъч, поради което се нарича пречупен лъч (фиг.2-4). 

Фиг.2-4.

 

    Опитът показва, че:

 

1. Падащият лъч, отразеният лъч, пречупеният лъч и перпендикулярът към  граничната повърхност на две среди, прекаран през  точката на падане  О,  лежат в една равнина.
 
2. Отношението на синуса на ъгъла на падане  α1  към синуса на ъгъла на пречупване α2  не зависи от големината на ъгъла на падане и е равно на отношението на показателя на  пречупване на втората среда  n2 към показателя на пречупване на първата среда n1:
 

 

  Тази зависимост е установена експериментално от холандския физик Уилброрд Снелиус (1580-1627) и е известна като закон на Снелиус.















 
Вилеброрд Снелиус -  холандски астроном и математик

 

    От закона Снелиус следва, че когато светлината преминава от среда с по-малък показател на пречупване  n1  (например въздух) в среда с по-голям показател на пречупване  n2  (например стъкло ), пречупеният лъч се приближава към перпендикуляра. Действително тогава n2/n1 > 1 и sinα1 > sinα2, откъдето следва, че α1 > α2. (Ще припомним, че в интервала от  0° до 90° синусът е растяща функция.) Обратно, ако светлината навлиза  в среда с  по-малък показател на пречупване, пречупеният лъч се отдалечава от перпендикуляра.

    Опитно се установява, че пътят на светлинните лъчи е обратим. Например нека в точка А  да е разположен източник на светлина, а в точка В – приемник. Ако светлината се разпространява в противоположна посока, т.е. приемникът  В стане източник, пътят на лъча остава същия, само се променя посоката на разпространение.

 

    Пример: Светлинен сноп (лъч) преминава през стъклена пластинка с успоредни стени (плоскопаралелна пластинка). От фигурата се вижда, че плоскопаралелната пластинка не променя посоката на разпространение на светлинния сноп. Тя само измества снопа на известно разстояние от линията, по която той се е разпространявал преди да премине през пластинката (фиг.2-5).

Фиг.2-5.

3. Пълно вътрешно отражение

    Нека източникът на светлина е поставен във вода. На границата вода-въздух се наблюдават явленията отражение и пречупване: част от светлината преминава във въздуха, а останалата част се отразява от границата.  Пречупените лъчи се отдалечават от перпендикуляра към разделителната повърхност на двете среди, защото въздухът има по-малък показател на пречупване от водата (n2 < n1).  При определен ъгъл на падане  α1гр, наречен  граничен ъгъл, ъгълът на пречупване става α2 = 90° - пречупеният лъч се плъзга по  разделителната повърхност. Когато ъгълът на падане α1 е по-голям от граничният ъгъл, светлината изцяло се отразява от границата и не прониква във въздуха (фиг.2-6).

Фиг.2-6.

Явлението, при което светлината се разпространява в среда с показател на пречупване  n1 и изцяло се отразява от границата с другата среда с по-малък показател на пречупване n2 (n2 < n1), се нарича пълно вътрешно отражение.

 

    Граничният ъгъл на пълното вътрешно отражение  се определя от закона на Снелиус, като се положи sinα2 = sin90°=1.  Получава се:    
    Пълното вътрешно отражение от призми  се използва в биноклите , перископите и други оптични прибори за промяна посоката на разпространение на светлината.

4. Влакнеста оптика

    Пълното вътрешно отражение намира приложение в една от бързо развиващите се области на съвременната приложна физика - влакнестата оптика. Оптичните влакна са много тънки (с диаметър колкото човешки косъм) нишки от висококачествени кварцови стъкла с голяма прозрачност. Светлината претърпява  многократно пълно вътрешно отражение от околната повърхност на влакното и се разпространява само вътре във влакното (фиг.2-6).

 

Фиг.2-6.

    Оптични кабели, съставени от голям брой влакна, широко се използват в медицинската диагностика за пренасяне на оптични образи и наблюдаване на вътрешни органи на човешкото тяло.

    Колкото по-голяма е честотата на електромагнитната вълна, толкова повече информация може да се закодира в нея. Затова електромагнитните вълни от оптичния диапазон, които имат много по-голяма честота от радиовълните и микровълните, предоставят огромни възможности за пренасяне на информация. В съвременните телекомуникационни системи все по-широко се използват влакнестооптичните линии за връзка. По оптични кабели се предават телевизионни програми, телефонни разговори, компютърна информация и т.н. Изградени са междуконтинентални оптични линии за връзка.

Следващ урок - Дисперсия на светлината