ИЗУЧЕНИЕ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

ОПТИКА

АТОМНАЯ ФИЗИКА

Учебно-методическое пособие
к лабораторным занятиям

Издание второе, дополненное

Челябинск 2008

УДК 539 (07)

Ш 95

В пособии приводятся основные понятия, теоретические законы, которые изучаются при выполнении лабораторных работ по курсу «Оптика. Атомная физика». Представлено описание лабораторных установок, указан порядок проведения эксперимента и обработки результатов измерений, даны вопросы для контроля знания изучаемой темы.

Предназначено для студентов очного и заочного отделений Челябинского института путей сообщения.

Составитель старший преподаватель кафедры

естественнонаучных дисциплин А. В. Шушарин

Рецензент кандидат физико-математических наук,

профессор кафедры общей и теоретической физики ЮУрГУ А. Е. Гришкевич

Печатается по решению научно-методического совета
Челябинского института путей сообщения, протокол № 4.

Филиал Уральского государственного университета путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения, 2008

Работа 30

ИЗУЧЕНИЕ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

Цель работы: изучить и экспериментально проверить законы отражения и преломления света на границе стекло – воздух.

Оборудование: полупроводниковый лазер, стеклянный полуцилиндр, поворотный столик со шкалой и визиром.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Геометрическая оптика – это раздел оптики, изучающий распространение света в прозрачных средах, отражение и преломление лучей света на границе раздела сред. Луч света – это пучок света малого поперечного сечения. В геометрической оптике размеры границ сред считаются намного больше длины волны, так что дифракционными явлениями можно пренебречь.

Экспериментально установлены следующие законы геометрической оптики.

1. В однородной изотропной среде свет распространяется прямолинейно.

2. Закон отражения света. При падении луча света на зеркальную поверхность он отражается. Луч падающий, отражённый и нормаль в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения α = γ (рис. 1).

3. Закон преломления света. При падении луча света на границу раздела двух прозрачных сред луч света частично отражается, частично переходит во вторую среду и преломляется. Луч падающий, преломлённый и нормаль к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данной пары сред постоянно и равно относительному показателю преломления (рис.1)

. (1)

Если свет падает из вакуума на границу с прозрачной средой, то показатель преломления называется абсолютным. Относительный показатель преломления может быть определён как отношение абсолютных показателей преломления . Чем больше абсолютный показатель преломления, тем среда считается оптически более плотной.

Если луч света падает на границу с оптически менее плотной средой, например из стекла в воздух, то преломленный луч отклоняется от нормали на угол, больший угла падения. При падении под некоторым углом, названным предельным углом полного внутреннего отражения α_пр, преломлённый луч отклонится на угол β = 90^о и будет распространяться по поверхности раздела сред (рис. 2).

Если угол падения ещё увеличить, то преломленный луч исчезнет. Останется только отражённый луч, интенсивность которого по закону сохранения энергии равна интенсивности падающего луча. Это явление называется полным внутренним отражением. Предельный угол полного внутреннего отражения, согласно закону преломления при β = 90^о, можно определить по формуле

, (2)

где n ₁₂ – относительный показатель преломления первой, оптически более плотной среды, по отношению ко второй.

Теоретическим обоснованием законов геометрической оптики является принцип Гюйгенса: точки среды, до которых дошла волна, становятся источниками вторичных волн. В однородной изотропной среде фронт вторичных волн – полусфера. Огибающая поверхность фронтов вторичных волн определяет новое положение фронта волны, а нормаль к фронту – направление распространения луча.

В качестве примера выведем закон преломления света. Пусть на границу двух сред падает параллельный пучок света. Как только фронт падающей волны в точке А коснётся границы, от этой точки начнёт распространяться вторичная волна (рис.3). В момент, когда фронт падающей волны дойдёт через время τ = BC/V ₁ до точки С, от точки А распространится вторичная волна на расстояние V ₂∙ τ, где V ₂ – скорость распространения волны во второй среде. Для других источников на границе радиусы фронтов будут меньше. Огибающая фронтов вторичных волн СД будет фронтом преломленной волны. Для треугольников АВС и АСД можно составить отношение синусов угла падения α и угла преломления β:

. (3)

Экспериментальное исследование законов отражения и преломления света производится на установке (рис.4). Луч света от лазера падает по радиусу на цилиндрическую поверхность стеклянного полуцилиндра и, не преломляясь, попадает в центр нижней грани. В этой точке на границе с воздухом луч частично отражается, частично преломляется. Поворачивая визир, ловят преломленный луч, наблюдая его через щель визира. Углы

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включить блок питания лазера в сеть 220 В. Появится луч красного цвета. Повернуть корпус со шкалой, ослабив и потом зажав винты стойки так, чтобы луч лазера распространялся по линии «180–0» шкалы на корпусе. При необходимости установить лазер регулировочными винтами. Повернуть визир на линию прошедшего луча так, чтобы яркость пятна лазера в щели визира была максимальна. При этом риска визира должна быть на отметке «0».

2. Повернуть корпус против часовой стрелки на некоторый угол падения луча α. Угол отсчитывается от деления 180^о, которое следует принять за α = 0. При зажатом корпусе, поворачивая визир, поймать преломленный луч щелью визира. Измерить угол преломления β по шкале по положению риски визира.

Убедиться визуально, что угол отражения лазерного луча γ равен углу падения. Опыт произвести не менее шести раз в интервале 0^о – 45^о, пока преломленный луч не исчезнет при некотором предельном угле падения. Результаты записать в таблицу.

Выключить лазер.

3. Произвести расчеты. Определить значения синусов углов падения и преломления.

4. Построить график зависимости синуса угла преломления sin β от синуса угла падения sin α. Размер графика не менее половины страницы. На осях нанести равномерный масштаб. Около точек провести прямую линию из начала координат так, чтобы отклонения точек были минимальны.

5. Определить среднее значение показателя преломления стекла. Для этого на графике провести линию с ординатой, равной единице, до пересечения с экспериментальной линией (точка К на рис. 6). Определить абсциссу точки sin α_пр. Среднее значение показателя пре ломления стекла (2) будет равно

. (3)

6. Оценить случайную погрешность измерения показателя преломления графическим методом (рис. 6):

. (4)

7. Записать предельный угол полного внутреннего отражения α и результат измерения показателя преломления , P = 0,9. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулируйте законы отражения и преломления света.

2. Объясните, в чём заключается явление полного внутреннего отражения, где оно используется?

3. Сформулируйте принцип Гюйгенса. Выведите закон преломления света с помощью принципа Гюйгенса.

4. Дайте определение показателю преломления света, каков его физический смысл?

5. Докажите, что угол преломления луча лазера на границе стеклянного полуцилиндра и воздуха больше угла падения.

6

Работа 31

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: