Полное внутреннее отражение

Слайд 1. Полное внутреннее отражение

Физика, 11 класс: когда свет отказывается выходить наружу

Слайд 2. Суть явления

Обычно, когда свет переходит из одной прозрачной среды в другую (например, из воды в воздух), он частично преломляется и уходит во вторую среду, а частично отражается.

Однако существует критический угол падения, при котором преломлённый луч вообще не попадает во вторую среду, а полностью возвращается в первую. Это явление называется полным внутренним отражением.

Слайд 3. Сравнение сред

Среда с бóльшим показателем преломления ($n_1$). Скорость света здесь меньше. Примеры: стекло, алмаз, вода.

Среда с меньшим показателем преломления ($n_2$). Скорость света здесь выше. Примеры: воздух, вакуум.

Слайд 4. Геометрия предельного угла

Слайд 5. Условия возникновения

1. Свет должен распространяться из оптически более плотной среды в менее плотную ($n_1>n_2$).

2. Угол падения $\alpha$ должен быть больше или равен предельному углу ${\alpha }_0$.

3. Предельный угол находится из условия: $\sin {\alpha }_0=\frac{n_2}{n_1}$.

4. Если вторая среда — воздух ($n_2\approx 1$), то $\sin {\alpha }_0=\frac{1}{n_1}$.

Слайд 6. Предельные углы для разных веществ

Данные приведены для перехода вещества в воздух. Чем выше показатель преломления, тем меньше предельный угол. У алмаза он минимален, поэтому свет «запутывается» внутри него, создавая знаменитый блеск.

Слайд 7. Волоконная оптика

Это самое важное практическое применение. Световод — это тонкая нить, состоящая из сердцевины и оболочки с меньшим показателем преломления.

Луч света, попадая внутрь под углом больше предельного, многократно отражается от стенок и передает сигнал на огромные расстояния почти без потерь. Так работает современный интернет.

Слайд 8. Примеры в природе

Миражи: из-за разной плотности слоев воздуха свет отражается от теплого слоя над дорогой.

Блеск капель росы: свет отражается от задней поверхности капли.

«Серебристая» поверхность: если смотреть из-под воды вверх под большим углом, поверхность кажется зеркальной.

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

Почему аквалангист, находясь под водой, видит поверхность как зеркало, если смотрит вдаль?

Как изменится предельный угол, если стекло погрузить в воду вместо воздуха?

Почему огранка алмаза имеет строго определенные углы между гранями?

В каких медицинских приборах используется полное отражение?

Слайд 10. Главное в теме

Полное отражение возможно только при переходе из более плотной среды в менее плотную.

При $\alpha \ge {\alpha }_0$ вся энергия света отражается обратно в первую среду.

Формула предельного угла: $\sin {\alpha }_0=n_2/n_1$.

Явление широко используется в технике (эндоскопы, оптоволокно) и объясняет красоту природных явлений.