Отражение и преломление

Свет отражается и распространяется с разной скоростью и направлением или преломляется, в зависимости от материала, через который он распространяется, вызывая множество интересных оптических явлений.

Когда луч света попадает на поверхность стеклянного блока, его часть меняет направление на границе раздела и возвращается в среду, из которой она произошла; Это отражение. А остальной свет меняет свое направление на границе раздела и проходит через стеклянный блок для сохранения энергии и импульса; Это и есть преломление.

Линзы, используемые в оптических системах, таких как микроскопы, используют отражение и преломление для создания изображений, которые могут быть восприняты человеческим глазом.

Здесь мы сначала обсудим принципы и параметры отражения и преломления. Затем мы продемонстрируем эти явления в системе, где воздух и вода являются двумя средами. Далее мы изучим способы, с помощью которых линзы создают изображения, а затем рассмотрим несколько приложений в области оптики.

Чтобы понять принципы и параметры отражения и преломления, выберем две среды – воду и воздух.

Первым ключевым параметром, на который следует обратить внимание, является «показатель преломления», «n» - характеристика среды, через которую распространяется свет. Она определяется как отношение между скоростью света в вакууме 'c' и скоростью света в среде 'v'. Поскольку n воздуха ниже, чем в воде, свет проходит через воду медленнее, чем воздух.

Предположим теперь, что две среды, вода и воздух, находятся в контакте друг с другом на границе раздела.

Теперь, когда свет распространяется от воды к воздуху и попадает на границу раздела, часть его отражается на границе раздела, а остальная часть преломляется или искривляется на угол, который зависит от показателей преломления двух сред. Как отражение, так и преломление также зависят от другого параметра - угла падения, или ?i.

Это угол между падающим светом и нормалью к границе раздела воздух-вода внутри первой среды, воды. «Угол отражения» измеряется между отраженным светом и той же нормой внутри первой среды, воды, и равен углу падения. В то время как «угол преломления», или ?r, — это угол между преломленным светом и нормалью к границе раздела воздух-вода во второй среде, воздухе.

Таким образом, угол преломления зависит от угла падения и показателей преломления двух сред. Закон преломления или закон Снеллиуса обеспечивает взаимосвязь между всеми этими параметрами.

Теперь, если медленно увеличивать угол падения, то в одной точке свет появится вдоль границы раздела вода-воздух, а угол преломления будет равен 90 градусам. Этот угол падения называется «критическим углом». Обратите внимание, что это может произойти только в том случае, если показатель преломления первой среды больше второй.

При этом же условии, если угол падения увеличивается еще больше, то световой луч преломляется так резко, что фактически полностью отражается обратно в первую среду, из которой исходил свет. Это явление называется тотальным внутренним отражением.

Рассмотрев параметры, влияющие на отражение и преломление, давайте посмотрим, как провести эксперимент в физической лаборатории, который подтвердит эти принципы. Соберите все необходимые материалы и оборудование, в том числе специализированный рефракционный бак со световым лучом.

Заполните одну половину емкости для преломления водой. Включите световой луч и направьте луч в половину резервуара, наполненного водой.

С помощью транспортира измерьте угол падения светового луча или угол, измеренный в воде между световым лучом и нормалью к границе раздела воздух-вода. Кроме того, измерьте угол преломления или измеренный в воздухе угол между световым лучом и нормалью к границе раздела воздух-вода

Теперь, когда угол падения увеличивается, достигается точка, в которой световой луч появляется вдоль границы раздела воздух-вода. Обратите внимание на этот угол падения, так как он является критическим для полного внутреннего отражения.

Далее продолжайте увеличивать угол падения, вращая источник света против часовой стрелки. Преломленный луч теперь полностью отражается в воду, демонстрируя полное внутреннее отражение.

Затем переместите источник света так, чтобы луч сначала попадал в воздушную половину бака, прежде чем попасть в воду. Повторите протокол для новой траектории светового луча для различных углов падения и запишите соответствующий угол преломления.

Теперь поговорим об объективах, которые используют преимущества отражения и преломления света для создания реальных и виртуальных изображений объектов. Все линзы, будь то выпуклые или вогнутые, имеют фокусное расстояние 'f', которое представляет собой расстояние от линзы, на котором световые лучи, исходящие от бесконечно далекого расстояния, будут фокусироваться после прохождения через линзу. Для выпуклых линз f положительная, а для вогнутых линз f отрицательная.

Когда объект помещается перед объективом, он создает изображение. 'Уравнение тонкого объектива' обеспечивает математическую зависимость между фокусным расстоянием 'f', расстоянием между объектом и объективом, 'o', и расстоянием между объективом и изображением, 'i'.

Именно это математическое расстояние до изображения «i» говорит нам, является ли изображение, сформированное линзой, реальным или виртуальным. Если математически вычисленное 'i' положительно, то сформированное изображение будет реальным, а если отрицательным, то изображение будет виртуальным.

Для выпуклого объектива, когда расстояние до объекта 'o' больше фокусного расстояния 'f', математически рассчитанное расстояние изображения 'i' будет положительным и будет сформировано реальное изображение. Это происходит из-за физической конвергенции световых лучей, которые исходят от объекта, как изображение, снятое камерой или микроскопом.

Однако, когда расстояние до объекта 'o' меньше фокусного расстояния 'f', математически вычисленное расстояние от изображения 'i' становится отрицательным и формируется виртуальное изображение. Это происходит потому, что световые лучи кажутся сходящимися, но на самом деле физически расходятся, и наши глаза создают для них исходную точку. Это наблюдается в случае с лупой, где формируется увеличенное виртуальное изображение.

Для вогнутых линз световые лучи, которые исходят от объекта, проходят через линзу и всегда расходятся. Таким образом, вычисленное «i» всегда отрицательное, а создаваемый образ всегда виртуальный.

В этом разделе мы проверим формирование реальных и виртуальных изображений с помощью простых выпуклых и вогнутых линз. Соберите необходимые материалы, а именно выпуклую линзу, вогнутую линзу, лист белой бумаги, небольшой отличительный предмет и зажим для вертикального удержания бумаги

Сначала поместите выпуклую линзу между объектом и листом бумаги. Следите за тем, чтобы все они были в одну линию и на одной высоте.

Перемещайте объект и бумагу до тех пор, пока на бумаге не появится четкое изображение объекта. Это изображение, которое видно на бумаге, является реальным изображением, так как его можно запечатлеть на экране.

Теперь измерьте расстояние от линзы до объекта и от линзы до бумаги. Используйте уравнение тонкого объектива для определения фокусного расстояния объектива.

Затем отложите бумагу в сторону и переместите объект ближе к объективу до тех пор, пока расстояние между объективом и объектом не станет меньше фокусного расстояния объектива. Посмотрите через объектив и наблюдайте за изображением.

Замените выпуклую линзу на вогнутую линзу. Посмотрите через вогнутую линзу и наблюдайте за уменьшенным увеличением виртуального изображения.

Теперь, когда мы завершили работу над протоколом эксперимента, давайте рассмотрим, как анализировать полученные данные. В первом эксперименте мы измерили угол падения и угол преломления на границе раздела вода-воздух.

Используя закон Снеллиуса и подставляя значения этих углов в уравнение, наряду с показателем преломления воздуха, мы можем рассчитать показатель преломления воды, который получается равным 1,33.

Затем этот расчет можно повторить для различных углов падения и преломления. Среднее из всех рассчитанных показателей преломления обеспечит более точное измерение показателя преломления воды.

Мы также можем рассчитать критический угол для полного внутреннего отражения, используя закон Снеллиуса. Это угол падения, когда угол преломления равен 90 градусам. Перестройте это уравнение для расчета критического угла.

Используя ранее рассчитанное среднее значение показателя преломления воды, закон Снеллиуса предсказывает, что критический угол падения составляет 48,8 градуса. Это очень близко к углу, измеренному экспериментально, что подтверждает закон Снеллиуса.

Когда световой луч проецируется из воздуха в воду, полное внутреннее отражение не происходит даже при углах более 48,8 градусов, так как свет теперь распространяется из среды с более низким индексом в более высокий.

В эксперименте с линзами уравнение тонкой линзы показывает, что для расстояния до объекта 11,02 сантиметра от линзы и расстояния изображения около 9,21 сантиметра фокусное расстояние линзы составляет около 5,02 сантиметра.

В случае, когда объект рассматривается через выпуклую линзу, на расстоянии меньше его фокусного расстояния, наблюдается увеличенная версия объекта. Это виртуальное изображение, так как это изображение не может быть запечатлено на экране. Аналогично, при использовании вогнутой линзы наблюдается увеличенное виртуальное изображение объекта.

Оптика, в частности оптические линзы, используется во всех сферах жизни — от фотографии до медицинской визуализации и человеческого глаза.

Оптические волокна используются для передачи данных во многих современных приложениях, таких как передача телефонных сигналов. Эти волокна состоят из сердцевины, оболочки и защитного внешнего покрытия или буфера, а также других укрепляющих слоев.

Оболочка направляет данные в виде световых импульсов вдоль сердцевины методом полного внутреннего отражения. Это свойство передачи данных позволяет оптоволоконным камерам, используемым врачами, просматривать замкнутые пространства в организме человека.

Микроскопия – это область использования микроскопов для просмотра объектов, которые не видны невооруженным глазом. Оптическая или световая микроскопия включает в себя пропускание видимого света, который преломляется через образец или отражается от него, через одну или несколько линз, чтобы обеспечить увеличенное изображение образца. Полученное изображение может быть обнаружено непосредственно глазом или зафиксировано в цифровом виде.

Вы только что посмотрели введение JoVE в рефлексию и преломление. Теперь вы должны понять принципы преломления, закон Снеллиуса и полное внутреннее отражение, а также теорию линз и то, как они создают изображения. Как всегда, спасибо за просмотр!