Контрольні завдання

1. Які існують види коливальних систем.

2. Що таке механічні та електромагнітні коливання.

3. Чим відрізняються вільні та вимушені коливання.

4. Що таке логарифмічний декремент затухання.

Література

1. Савельев И.В. Курс общей физики. т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. – М.: Наука, 1989. – 352 с.

2. Лабораторный практикум по физике: Уч. Пособие для вузов/Под ред. К.А. Барсукова. – М.: Высш. шк., 1988. – 351 с.

3. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. – М.: Высш. шк.,1970.–448с.

4. Физический практикум : Механика и молекулярная физика //Под ред. В.И.Ивероновой. – М.: Высшая школа,1967.

Лабораторне заняття № 17

Тема: Вивчення законів відбивання та заломлення світла.

Мета роботи: Визначити показник заломлення скла відносно повітря. Визначити кут повного внутрішнього відбивання.

Прилади та обладнання: лазерний ліхтарик, плоскопаралельна пластинка, транспортир, набір для креслення.

Теоретичні відомості

Перші уявлення давніх учених про те, що таке світло, були досить наївні. Вважали, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і що зорові враження виникають від ощупування ними предметів.

Перші наукові гіпотези про природу світла були висунуті в XVII ст.. До цього годині було виявлено дві чудові властивості світла - прямолінійність розповсюдження в однорідному середовищі і незалежність розповсюдження світлових пучків, тобто відсутність впливу одного світла на розповсюдження іншого світлового пучка.

І. Ньютон в 1672 р. висловив припущення про корпускулярну природу світла. Проти корпускулярної теорії світла виступали сучасники Ньютона – Р.Гук і Гюйгенс, що розробили хвильову теорію світла.

Одним із найбільш тяжких для хвильової теорії світла було питання про те, що ж коливається при поширені світлових хвиль, в якому середовищі вони розповсюджуються.

На питання про природу світла і механізм його розповсюдження відповідь давала гіпотеза Максвела. На основі збігу експериментального вимірювання швидкості світла у вакуумі зі значенням розповсюдження електромагнітних хвиль Максвел зробив припущення, що світло – електромагнітні хвилі. Ця гіпотеза підтверджується багатьма експериментальними фактами. Уявлення про електромагнітну теорію світла повністю відповідає експериментальному відкриттю законів відбивання та заломлення світла, явище інтерференції, дифракції і поляризації світла.

Закони фотоефекту, явище взаємодії світла з речовиною - електромагнітна теорія світла не може пояснити. В ХХ ст.. у фізиці затвердилися уявлення про корпускулярно – хвильовий дуалізм.

Той факт, що світло в одних дослідах проявляє хвильові властивості, а в інших – корпускулярні означає, що природа світла складніша ніж природа звичних нам тіл, які оточують нас. Світло не є сукупністю частинок, подібних маленьким дробинкам, неможливо його уявити собі і подібними до звукових хвиль або хвиль на поверхні води.

У будь-яких світлових явищах при глибшому вивченні виявляється нерозривний зв'язок корпускулярних і хвильових властивостей світла.

Спостереження показують, що в однорідному середовищі світло розповсюджується прямолінійно. Пряма, що вказує на розповсюдження світла, називається світловим променем.

На границі розділу двох середовищ світло може частково відбитися і розповсюдитися у першому середовищі по новому напрямку, а також частково пройти через границю розділу і розповсюдитися в іншому середовищі.

У більшому чи меншому ступені відбивання світла відбувається від будь-яких предметів, те мі бачимо всі освітлені тіла.

Як показують спостереження, при відбивані завжди виконується закон відбивання: промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр проведений до границі розділу двох середовищ лежать в одній площині; кут відбивання α дорівнює куту падіння γ(мал.1).

мал.1 мал.2

Цей закон співпадає із законом відбивання для хвиль будь-якої природи і може бути отриманий як наслідок з принципу Гюйгенса. Може здатися, що закон відбивання успішно пояснюється і корпускулярною теорією світла. Дійсно при ударі об підлогу пружного м’яча кут відбивання також дорівнює куту падіння, тому світло можна уявити як потік частинок, для яких властиві пружні зіткнення із поверхнею розділу двох середовищ. Але ця гіпотеза не може пояснити, чому світло майже не відбивається від поверхні твердого скла або навіть діаманту, але повністю відбивається найтоншою плівкою срібла або рідкої ртуті. Електромагнітна теорія світла пояснює ці факти. Скло та діамант діелектрики, а діелектрики прозорі для електромагнітних хвиль. Тонкий шар срібла або іншого металу, нанесеного на лист скла, робить цей лист непрозорим для електромагнітних хвиль. Падаюча електромагнітна хвиля порушує в провідному шарі вимушені коливання вільних електронів з частотою, рівній частоті коливання вектора напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі. Ці коливання електронів і породжують відображену електромагнітну хвилю. Таким чином, пояснюється здатність дзеркала відображати падаючий на нього світло.

Хвильова теорія світла пояснила і явища заломлення світла. Спостереження показують, що при переході з одного середовища в інше може відбуватися зміна напряму розповсюдження світла - заломлення світла.

В ХVІІ ст. був експериментально встановлений закон заломлення світла: падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох даних середовищ.

Позначимо кут падіння α, кут заломлення β (рис.2), тоді закон заломлення світла отримає вираз:

(1)

де n – постійна величина для даних середовищ, звана відносним показником заломлення другого середовища щодо першого.

Експериментально встановлений закон заломлення світла одержує пояснення на основі принципу Гюйгенса. Згідно хвильовим уявленням заломлення світла є слідством зміни швидкості зміни одного середовища в іншу, а фізичне значення показника заломлення – це співвідношення швидкості розповсюдження хвиль в першому середовищі υ₁ до швидкості їх розповсюдження в другому середовищі υ_2:

(2)

Показник заломлення середовища щодо вакууму називається абсолютним показником заломлення цього середовища:

(3)

де с – швидкість світла у вакуумі;

υ – швидкість світла в даному середовищі.

Абсолютні показники заломлення всіх речовин більше одиниці. Це значить, що швидкість розповсюдження світла в будь-якій речовині менше швидкості розповсюдження світла у вакуумі.

Для двох середовищ з абсолютними показниками заломлення n₁ і n₂, відносний показник заломлення n рівний відношенню абсолютного показника заломлення другого середовища до абсолютного показника заломлення першого середовища. Дійсно, оскільки

і

то

(4)

З двох середовищ те середовище, яке володіє меншим значенням абсолютного показником заломлення, називається оптично менш щільним середовищем. Якщо світло переходить з оптично менш щільного середовища в оптично більш щільне середовище, то кут заломлення γ менше кута падіння α.

При переході з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне середовище кут заломлення β виявляється більше кута падіння α (рис.3).

Рис.3

При спостереженні явища заломлення світла можна помітити, що разом із заломленням відбувається відбивання світла від межі розділу двох середовищ; при збільшенні кута падіння інтенсивність відбитого променя збільшується. У разі переходу світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне середовище, наприклад з скла в повітря, при поступовому збільшенні кута падіння можна досягти, такого його значення α₀, при якому кут заломлення повинен стати рівним 90⁰ (див. рис.3). При цьому виконується рівність

Досвід показує, що досягши такого кута падіння інтенсивність заломленого променя стає рівною нулю: світло, падаюче на межу розділу двох середовищ, повністю відображається від неї.

Кут падіння α₀, при якому наступає повне відбивання світла, називається граничним кутом повного відбивання. При всіх кутах падіння, більше або рівних α₀, відбувається повне відбивання світла.