Полное отражение света

На прошлом уроке мы с вами показали, что если пучок света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. А если наоборот свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. При этом может наблюдаться один очень интересный эффект, о котором ещё писал древнеримский писатель Плиний Старший в своей «Естественной истории», составленной примерно в 77 г. н. э.  В одной из книг он рассказывает о ловцах жемчуга, которые перед погружением в воду набирали в рот оливковое масло, а непосредственно уже под водой выпускали его. Растекавшаяся по поверхности моря масляная плёнка, показатель преломления которой больше, чем у воды, резко уменьшала яркость бликов и улучшала условия видимости.

Почему так происходит? Попробуем ответить на этот вопрос с помощью простого опыта. Укрепим в центре оптического диска стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью.

Направим узкий пучок света от осветителя так, чтобы он проходил через выпуклую поверхность (на ней свет не преломляется) и попадал в центр плоской грани прозрачного полуцилиндра. Мы видим, что луч света достигнув внутренней поверхности плоской грани, частично отражается от неё и частично преломляется. При этом отражение и преломление происходят в полном соответствии с законами отражения и преломления.

Будем раз за разом увеличивать угол падения светового луча. Мы видим, что по мере увеличения угла падения, угол преломления также увеличивается, оставаясь все время больше угла падения. При этом обратите внимание на то, что яркость (и, следовательно, энергия) отражённого пучка усиливается, в то время как яркость преломлённого пучка падает. Проще говоря, всё большая доля энергии падающего луча достаётся отражённому лучу и всё меньшая — преломлённому. Преломлённый луч становится всё тусклее и в какой-то момент исчезает совсем. Это исчезновение происходит при достижении угла падения, которому отвечает угол преломления в 90^о. В данной ситуации преломлённый луч должен был бы пойти параллельно плоской грани, то есть границе раздела двух сред. Но идти уже нечему — вся энергия падающего луча целиком досталась лучу отражённому.

Попробуем выяснить, куда направится преломлённый луч света, если угол падения увеличить ещё больше? Как видим, преломлённый пучок света исчез и весь свет отражается от границы раздела, то есть мы наблюдаем явление полного внутреннего отражение света.

Отражение света, падающего из оптически более плотной среды на границу с оптически менее плотной средой под углом падения, большим некоторого критического угла, называется полным внутренним отражением.

Угол, при котором возникает полное отражение, называется предельным углом полного отражения.

Он определяется из закона преломления при условии, что угол преломления светового луча равен 90°:

Примерами полного внутреннего отражения в природе являются эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре или зеркальная гладь воды в пустыне. Они возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней также объясняется полным внутренним отражением.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать и если смотреть из-под воды на поверхность: при определённых углах на границе раздела наблюдается не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Полное отражение можно наблюдать и в равнобедренной прямоугольной стеклянной призме, которая широко используется в перископах, биноклях и так далее. Рассмотрим ход лучей в такой призме.

Итак, пусть параллельный пучок света падает перпендикулярно боковой грани призмы катетов. Лучи, не испытывая преломления, попадают на основание призмы под углом 45^о. Но для стекла предельный угол равен 42^о. Поэтому на этой грани свет испытывает полное внутреннее отражение и выходит из призмы перпендикулярно нижней грани. Такая призма называется поворотной, так как она поворачивает пучок света на 90^о.

Теперь установим призму на одну из её вершин так, как это показано на экране, и направим на неё параллельный пучок света.

Внутри призмы свет испытывает уже двукратное полное отражение и пучок света после прохождения призмы поворачивается на 180^о. Поэтому это тоже поворотная призма.

Перевернём ещё раз призму и повторим операцию. Не трудно заметить, что при выходе из призмы лучи параллельны падающим.

Но теперь верхний падающий луч выходит из призмы ниже, а нижний — выше. В этом случае призма называется оборо́тной.

Несложное явление полного внутреннего отражения, впервые описанное Иоганном Кеплером в начале XVII века и, казалось бы, прекрасно изученное, сегодня стало объектом пристального внимания. Вначале полное отражение представляло лишь любопытное явление. Но со временем оно привело к революции в области передачи данных. В 1966 году открытие китайского учёного Чарльза Као, проложило дорогу оптическим волокнам, которые используются сегодня в области телевидения и интернет-связи.

Као удалось разработать метод производства сверхчистого оптического волокна, благодаря чему световые сигналы стало возможным передавать без искажений на расстояние до 100 км, по сравнению всего лишь с десятками метров, что было пределом на тот момент.

За «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи» в 2009 году учёный был удостоен Нобелевской премии по физике.

Оптическое волокно представляет собой стеклянное волокно — световод —цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления.

Если в торец световода направить пучок света, то после многократного полного внутреннего отражения пучок выйдет с противоположной стороны практически без потерь энергии. Это произойдёт независимо от того, прямая это трубка или изогнутая. Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передаётся какой-нибудь элемент изображения.

Несущая частота при передаче сигнала световой волной в миллион раз превышает частоту радиосигнала, это значит, что количество информации, которое мы можем передать при помощи световой волны, в миллионы раз больше количества информации, передающейся радиоволнами. Волоконная оптика незаменима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объём передаваемой информации. А в основе всего этого лежит такое простое и обычное явление, как преломление света.

Для закрепления материала решим с вами задачу. Определите предельный угол полного отражения на границе вещества со стеклом, показатель преломления которого равен 1,5, если известно, что на границе этого вещества с воздухом предельный угол полного отражения равен 35°.