Контрольные вопросы

1. Что такое естественный и поляризованный свет?

2. Укажите способы получения поляризованного света.

3. Что называется плоскостью колебаний и плоскостью поляризации?

4. Сформулируйте и объясните закон Малюса.

5. Какие вещества называются оптически активными?

6. Физика явлений в сахариметре (поляриметре).

Работа № 4(6) определение показателей преломления жидкостей с помощью рефрактометра

Приборы и принадлежности: рефрактометр типа РДУ, растворы NaCl различной концентрации, стеклянная палочка, фильтровальная бумага или салфетка, дистиллированная вода.

Краткая теория

В различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими скорости света в вакууме, т.е.

(1)

где с - скорость света в вакууме, n - абсолютный показатель преломления.

Абсолютный показатель преломления (или просто показатель преломления) - важная оптическая характеристика среды: он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде. Очевидно, что абсолютный показатель преломления вакуума равен 1.

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной средой.

Рассмотрим, исходя из волновой теории, явление преломления монохроматического света на плоской границе раздела двух различных оптически однородных сред. Для этого воспользуемся принципом Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является в свою очередь центром вторичных волн.

П

D

оверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает к этому моменту положение фронта распространяющейся волны.

D

Для вывода закона преломления предположим, что плоская волна (фронт волны - плоскость АВ), распространяющаяся в среде с показателем преломления n₁ вдоль направления 1, падает на границу раздела со средой, показатель преломления которой n₂. Скорости световой волны в этих средах соответственно равны V₁ и V₂ (рис.1). Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС, равно t. Тогда ВС=V₁t. За это же время фронт волны, возбуждаемый точкой А в среде со скоростью V₂, достигнет точек полусферы, радиус которой АD=V₂t. Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DС, а направление ее распространения - лучом П. Из рис.1 следует, что

D

т.е. , или

Учитывая (1), закон преломления можно записать в виде

(2)

Из симметрии выражения (2) вытекает обратимость световых лучей. Если обратить луч П (рис.1), заставив его падать на границу раздела под углом i₂, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом i₁, т.е. пойдет в обратном направлении вдоль луча 1.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления n₁ (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n₂ (оптически менее плотную) (n₁ > n₂), например, из стекла в воду, то, согласно (2)

и преломленный луч удаляется от нормали, а угол преломления i₂ больше, чем угол падения i₁ (рис.2а).С увеличением угла падения увеличивается угол преломления i₂ (рис.2,б,в) до тех пор пока при некотором угле падения (i₁=i_пр) угол преломления не окажется равным 90^о. Угол i_пр называется предельным углом, при углах падения i₁> i_пр весь падающий свет полностью отражается (рис.2г). По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного растет. Если i₁= i_пр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего.

Таким образом, при углах падения в пределах от i_пр до 90^о, луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду. Причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол i_пр можно определить из формулы (2) при подстановке в нее i₂=90^о. Тогда (3)

Уравнение (3) удовлетворяет значениям угла i_пр при n₂  n₁. Следовательно, явление полного отражения имеет место только при падении света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную.

Величина n₂₁ называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения. Показатель преломления стекла равен n  1,5, поэтому предельный угол для границы стекло-воздух i_пр=arc sin (1/1,5)=42^о. Поэтому при падении света на границу стекло-воздух при i_пр>42^о всегда будет иметь место полное отражение. Такие призмы, позволяющие повернуть угол на 90^о или обернуть луч, применяются в биноклях, перископах, рефрактометрах и других оптических приборах.

Явление полного отражения в настоящее время широко используется в световодах (светопроводах), представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала (рис.3). В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом - оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углами, большими предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.

Таким образом, с помощью световодов можно как угодно искривлять путь светового пучка. Световоды используются для передачи световых волн и изображений, в медицине (например, для диагностики желудка) и т.д.