§ 70. Повне відбивання

Із закону заломлення світла (67.2) випливає, що при переході світла з оптично більш густого середовища в оптично менш густе (наприклад, із скла або води в повітря) кут заломлення завжди більший за кут падіння. Справді,

з формули (67.2) sin p* = -^-sina. Але якщо Лі>л₂, то

sin p>sina і p>a. Зі збільшенням кута падіння залом­лення також зростає і при певному гострому куті падіння буде дорівнювати 90°. При подальшому збільшенні кута

падіння світло не переходитиме в друге оередовище, а відбивати­меться від поверхні розділення всередину оптично більш густого середовища (мал. 152).

Перевірим© ці висновки на досліді. Закріпимо скляний пів-циліндр на оптичній шайбі так, щоб пучок світла від освітлю­вача падав нормально на бічну поверхню циліндра (мал. 153). У цьому випадку кут падіння променя дорівнює нулю і на по­верхні циліндра світло не за­ломлюється. Промінь світла, який проходить усередині скляного півциліндра (падаючий промінь), падає на плоску грань півциліндра, заломлюється і переходить у повітря. Кут заломлення більший за кут падіння. Крім падаючого променя, всередині скла видно і відбитий про­мінь. Його слід можна помітити на матовій поверхні пів­циліндра. Переміщенням освітлювача збільшуватимемо кут падіння а на плоску грань півциліндра. Зі збільшен­ням кута падіння яскравість заломленого променя змен­шується, а відбитого — зростає.

При певному куті падіння (близько 42°) заломлений промінь ковзає вздовж плоскої грані півциліндра (кут Р=90°) і при незначному збільшенні кута падіння зни­кає зовсім. А яскравість відбитого променя різко зростав і стає однаковою з яскравістю падаючого променя. При

подальшому збільшенні кута падіння спостерігається лише відбитий промінь, тобто буде повне відбивання світ­ла. Найменший кут падіння, при якому настає повне від­бивання, називають граничним кутом повного відбивання. Граничному кутові падіння відповідає кут заломлення Р=90°.

Граничний кут повного відбивання ос„ можна просто обчислити, знаючи показник заломлення середовища. Запишемо закон заломлення світла для випадку переходу світла з якогось середовища з показником заломлення п\

у повітря (показник заломлення п₂— 1):Вра-

ховуючи, що По== 1, sin p= sin 90°= 1, дістанемо

(70.1)

За формулою (70.1) можна обчислити граничні кути для різних речовин, коли другим середовищем в повітря.

Повним відбиванням пояснюється яскравий блиск краплинок роси, сніжинок, тріщин у склі, пухирців по­вітря у воді тощо. Це явище використовується при огранпд і шліфовці дорогоцінного та напівдорогоцінного каміння. Оброблюваному камінцю прагнуть надати такої форми, щоб більшість падаючих на нього променів після залом­лення відбивалась від внутрішніх граней. Якщо таких граней багато і вони повністю відбивають практично кожен промінь, то камінець сильно виблискує при будь-якому повороті. Особливо значний ефект досягається, якщо оптична густина оброблюваної речовини дуже велика (наприклад, в алмазу).

Останнім часом повне відбивання світла знайшло оригі­нальне технічне застосування. Мова йде про волоконну оптику, суть якої можна зрозуміти з такого прикладу. Тонка скляна нитка (п\) покривається шаром оптично менш густої речовини (лз). Пучок світла, падаючи на торець такої нитки, проходить через усю нитку, зазнаючи багатократних відбивань від її бічної поверхні (мал. 154), і виходить через другий її торець незалежно від того, яким чином зігнута нитка. Джгут, складений з великої кіль­кості таких ниток, утворює світловод, який дає можливість як завгодно викривляти траєкторію світлового пучка. Якщо перед торцем світловода помістити освітлений об'єкт, то на другому кінці світловода виникне його точне зображення. Світловод може бути довільним способом

зігнутий, навіть зав'язаний у вузол, але зображення він передає без спотворення.

Світловоди використовуються в різних галузях тех­ніки, медицини. Зокрема, з них виготовляють гнучкі зонди для огляду об'єктів, недоступних для бевпосереднього спостереження (наприклад, внутрішніх поверхонь шлунка людини, циліндра автомобільного двигуна, підшипників тощо).

? 1. У яких випадках спостерігається повне відбивання світла? 2. Чи можна спостерігати повне відбивання під час падіння світлового променя з повітря на воду? Під час переходу з води в повітря? 3. Який кут називають граничним кутом повного відбивання?

Вправа 8

1. Граничний кут повного відбивання для алмазу а=24°30\ Визначити його показник заломлення.

2. У цистерні з сірководнем на глибині h = 26 см під поверхнею рідини знаходиться точкове джерело світла. Обчислити площу круга на поверхні рідини, в межах якого можливий вихід променів у повітря. Показник заломлення сірководню п= 1,64.

3. Водолаз, що стоїть на дні річки, бачить зображення відбитих від поверхні води предметів, які розташовані від нього на відстані 9,4 м і більше. Визначити глибину річки, якщо відстань від дна до очей водолаза дорівнює 1,75 м.