Това, което се нарича относителен индекс на пречупване. Закони за отражение и пречупване на светлината. индекс на пречупване. Ефект на пречупване на светлинния лъч

Дигиталният ресурс може да се използва за обучение в рамките на основните и гимназия(базово ниво).

Моделът е анимирана илюстрация на тема "Закон за пречупване на светлината". Разглежда се системата вода-въздух. Начертан е ходът на падащите, отразени и пречупени лъчи.

Кратка теория

Законът за пречупване на светлината намира обяснение във вълновата физика. Според вълновите концепции пречупването е следствие от промяна в скоростта на разпространение на вълната по време на прехода от една среда към друга. Физическото значение на индекса на пречупване е съотношението на скоростта на разпространение на вълните в първата среда υ 1 към скоростта на тяхното разпространение във втората среда υ 2:

Работа с модела

Бутонът Старт/Стоп ви позволява да започнете или поставите на пауза експеримента, бутонът Нулиране ви позволява да започнете нов експеримент.

Този модел може да се използва като илюстрация в уроците за изучаване на нов материал по темата "Закон за пречупване на светлината". Използвайки този модел като пример, студентите могат да вземат предвид пътя на лъча, когато се движат от оптично по-малко плътна средав оптически по-плътен.

Пример за планиране на урок с помощта на модела

Тема "Пречупване на светлината"

Целта на урока: да се разгледа явлението пречупване на светлината, пътя на лъча по време на прехода от една среда в друга.

Примерни въпроси и задачи

• Светлината преминава от вакуум към стъкло, докато ъгълът на падане е α, ъгълът на пречупване е β. Каква е скоростта на светлината в стъкло, ако скоростта на светлината във вакуум е c?
• Коефициентите на пречупване на водата, стъклото и диаманта спрямо въздуха са съответно 1,33, 1,5, 2,42. В кое от тези вещества граничният ъгъл на пълно отражение има минимална стойност?
• Водолаз изследва от дъното нагоре от водата лампа, окачена на височина 1 m над повърхността на водата. Каква е видимата височина на лампата под водата?

Няма нищо друго освен отношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване

Коефициентът на пречупване зависи от свойствата на веществото и дължината на вълната на лъчението, за някои вещества индекс на пречупванесе променя доста силно с честотата електромагнитни вълниот ниски честоти до оптични и отвъд, и също така може да се промени още по-драматично в определени области на честотната скала. По подразбиране обикновено е оптичният обхват или обхватът, определен от контекста.

Стойността на n, при други равни условия, обикновено е по-малка от единица, когато лъчът преминава от по-плътна среда към по-малко плътна среда, и по-голяма от единица, когато лъчът преминава от по-малко плътна среда към по-плътна среда (например от газ или от вакуум към течност или твърдо). Има изключения от това правило и затова е обичайно една среда да се нарича оптически повече или по-малко плътна от друга (да не се бърка с оптичната плътност като мярка за непрозрачността на средата).

Таблицата показва някои стойности на индекса на пречупване за някои медии:

Среда с по-висок индекс на пречупване се нарича оптически по-плътна. Обикновено се измерва индексът на пречупване различни средиспрямо въздуха. Абсолютният индекс на пречупване на въздуха е. По този начин абсолютният индекс на пречупване на всяка среда е свързан с нейния индекс на пречупване спрямо въздуха по формулата:

Коефициентът на пречупване зависи от дължината на вълната на светлината, тоест от нейния цвят. Различните цветове съответстват на различни индекси на пречупване. Това явление, наречено дисперсия, играе важна роля в оптиката.

Нека се обърнем към по-подробно разглеждане на индекса на пречупване, въведен от нас в § 81 при формулирането на закона за пречупване.

Коефициентът на пречупване зависи от оптичните свойства и средата, от която пада лъчът и средата, в която прониква. Коефициентът на пречупване, получен при падане на светлина от вакуум върху среда, се нарича абсолютен индекс на пречупване на тази среда.

Ориз. 184. Относителен индекс на пречупване на две среди:

Нека абсолютният индекс на пречупване на първата среда е , а на втората среда - . Като се има предвид пречупването на границата на първата и втората среда, ние се уверяваме, че индексът на пречупване по време на прехода от първата среда към втората, така нареченият относителен индекс на пречупване, е равен на съотношението на абсолютните показатели на пречупване на втора и първа медия:

(фиг. 184). Напротив, при преминаване от втората среда към първата имаме относителен показател на пречупване

Установената връзка между относителния индекс на пречупване на две среди и техните абсолютни показатели на пречупване може също да се изведе теоретично, без нови експерименти, точно както може да се направи за закона за обратимостта (§ 82),

Среда с по-висок индекс на пречупване се нарича оптически по-плътна. Обикновено се измерва коефициентът на пречупване на различни среди спрямо въздуха. Абсолютният индекс на пречупване на въздуха е. По този начин абсолютният индекс на пречупване на всяка среда е свързан с нейния индекс на пречупване спрямо въздуха по формулата

Таблица 6. Индекс на пречупване различни веществаспрямо въздуха

Коефициентът на пречупване зависи от дължината на вълната на светлината, тоест от нейния цвят. Различните цветове съответстват на различни индекси на пречупване. Това явление, наречено дисперсия, играе важна роля в оптиката. Ще се занимаваме с това явление многократно в следващите глави. Данните, дадени в табл. 6, се отнасят до жълта светлина.

Интересно е да се отбележи, че законът за отражението може да бъде официално написан в същата форма като закона за пречупването. Спомнете си, че се съгласихме винаги да измерваме ъглите от перпендикуляра към съответния лъч. Следователно трябва да считаме, че ъгълът на падане и ъгълът на отражение имат противоположни знаци, т.е. законът за отражение може да бъде написан като

Сравнявайки (83.4) със закона за пречупване, виждаме, че законът за отражение може да се разглежда като специален случай на закона за пречупване при . Това формално сходство между законите на отражението и пречупването е от голяма полза при решаването на практически проблеми.

В предишното изложение индексът на пречупване имаше значението на константа на средата, независимо от интензитета на светлината, преминаваща през нея. Подобно тълкуване на индекса на пречупване е съвсем естествено, но в случай на висок интензитет на излъчване, постижим с помощта на съвременни лазери, то не е оправдано. Свойствата на средата, през която преминава силно светлинно лъчение, в този случай зависят от нейния интензитет. Както се казва, средата става нелинейна. Нелинейността на средата се проявява по-специално във факта, че светлинна вълна с висок интензитет променя индекса на пречупване. Зависимостта на коефициента на пречупване от интензитета на излъчване има формата

Тук е обичайният индекс на пречупване, a е нелинейният индекс на пречупване и е факторът на пропорционалност. Допълнителният член в тази формула може да бъде положителен или отрицателен.

Относителните промени в индекса на пречупване са относително малки. При нелинеен индекс на пречупване. Въпреки това, дори такива малки промени в индекса на пречупване са забележими: те се проявяват в особен феномен на самофокусиране на светлината.

Помислете за среда с положителен нелинеен индекс на пречупване. В този случай зоните с повишен интензитет на светлината са едновременно зони с повишен индекс на пречупване. Обикновено реално лазерно лъчениеразпределението на интензитета върху напречното сечение на лъчевия лъч е неравномерно: интензитетът е максимален по оста и постепенно намалява към краищата на лъча, както е показано на фиг. 185 плътни криви. Подобно разпределение описва и изменението на показателя на пречупване по напречното сечение на клетка с нелинейна среда, по оста на която се разпространява лазерният лъч. Коефициентът на пречупване, който е най-голям по оста на клетката, постепенно намалява към стените й (пунктирани криви на фиг. 185).

Сноп от лъчи, излизащи от лазера успоредно на оста, попадащи в среда с променлив коефициент на пречупване, се отклоняват в посоката, където той е по-голям. Следователно, повишеният интензитет в близост до OSP клетката води до концентрация на светлинни лъчи в тази област, която е показана схематично в напречни сечения и на фиг. 185, а това води до допълнително увеличение на . В крайна сметка ефективното напречно сечение на светлинен лъч, преминаващ през нелинейна среда, намалява значително. Светлината преминава сякаш през тесен канал с повишен коефициент на пречупване. По този начин лазерният лъч се стеснява и нелинейната среда действа като събирателна леща под действието на интензивно лъчение. Това явление се нарича самофокусиране. Може да се наблюдава например в течен нитробензен.

Ориз. 185. Разпределение на интензитета на излъчване и индекса на пречупване върху напречното сечение на лазерния лъч от лъчи на входа на кюветата (а), близо до входния край (), в средата (), близо до изходния край на кюветата ( )

Законите на физиката играят много важна роля при извършването на изчисления за планиране на конкретна стратегия за производство на всеки продукт или при изготвянето на проект за изграждане на конструкции за различни цели. Много стойности се изчисляват, така че измерванията и изчисленията се правят преди започване на работата по планирането. Например коефициентът на пречупване на стъклото е равен на отношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване.

Така че първо има процес на измерване на ъгли, след това се изчислява синусът им и едва тогава можете да получите желаната стойност. Въпреки наличието на таблични данни, струва си да се извършват допълнителни изчисления всеки път, тъй като справочниците често използват идеални условия, които могат да бъдат постигнати в Истински животпочти невъзможно. Следователно в действителност индикаторът задължително ще се различава от табличния, а в някои ситуации това е от основно значение.

Абсолютен показател

Абсолютният индекс на пречупване зависи от марката стъкло, тъй като на практика има огромен брой опции, които се различават по състав и степен на прозрачност. Средно тя е 1,5 и се колебае около тази стойност с 0,2 в една или друга посока. В редки случаи може да има отклонения от тази цифра.

Отново, ако точният индикатор е важен, тогава допълнителните измервания са незаменими. Но дори те не дават 100% надежден резултат, тъй като позицията на слънцето в небето и облачността в деня на измерванията ще повлияят на крайната стойност. За щастие в 99,99% от случаите е достатъчно просто да знаете, че коефициентът на пречупване на материал като стъклото е по-голям от едно и по-малък от две, а всички останали десети и стотни не играят роля.

Във форумите, които помагат за решаването на проблеми във физиката, често мига въпросът какъв е индексът на пречупване на стъклото и диаманта? Много хора смятат, че тъй като тези две вещества са подобни на външен вид, тогава техните свойства трябва да бъдат приблизително еднакви. Но това е заблуда.

Максималното пречупване на стъклото ще бъде около 1,7, докато за диаманта тази цифра достига 2,42. Този скъпоценен камък е един от малкото материали на Земята, чийто индекс на пречупване надвишава 2. Това се дължи на неговата кристална структура и голямото разпространение на светлинните лъчи. Фасетирането играе минимална роля при промените в стойността на таблицата.

Относителен показател

Относителният показател за някои среди може да се характеризира, както следва:

• - индексът на пречупване на стъклото спрямо водата е приблизително 1,18;
• - индексът на пречупване на същия материал спрямо въздуха е равен на 1,5;
• - коефициент на пречупване спрямо алкохол - 1,1.

Измерването на показателя и изчисляването на относителната стойност се извършват по добре познат алгоритъм. За да намерите относителен параметър, трябва да разделите една таблична стойност на друга. Или направете експериментални изчисления за две среди и след това разделете получените данни. Такива операции често се извършват в лабораторните часове по физика.

Определяне на показателя на пречупване

На практика е доста трудно да се определи индексът на пречупване на стъклото, тъй като за измерване на първоначалните данни са необходими инструменти с висока точност. Всяка грешка ще се увеличи, тъй като изчислението използва сложни формули, които изискват липса на грешки.

Като цяло този коефициент показва колко пъти се забавя скоростта на разпространение на светлинните лъчи при преминаване през определено препятствие. Следователно е характерно само за прозрачни материали. За референтна стойност, тоест за единица, се взема индексът на пречупване на газовете. Това беше направено, за да може да се започне от някаква стойност в изчисленията.

Ако слънчевият лъч падне върху стъклена повърхност с индекс на пречупване, равен на стойността на таблицата, тогава той може да бъде променен по няколко начина:

• 1. Отгоре залепете филм, в който индексът на пречупване ще бъде по-висок от този на стъклото. Този принцип се използва при затъмняване на прозорците на автомобили, за да се подобри комфортът на пътниците и да се позволи на водача да вижда пътя по-ясно. Също така, филмът ще ограничи и ултравиолетовото лъчение.
• 2. Боядисайте стъклото с боя. Това правят производителите на евтини слънчеви очила, но имайте предвид, че това може да навреди на зрението ви. При добрите модели чашите веднага се произвеждат оцветени по специална технология.
• 3. Потопете чашата в течност. Това е полезно само за експерименти.

Ако светлинният лъч преминава от стъкло, тогава индексът на пречупване на следващия материал се изчислява с помощта на относителния коефициент, който може да бъде получен чрез сравняване на табличните стойности една с друга. Тези изчисления са много важни при проектирането на оптични системи, които носят практическо или експериментално натоварване. Тук не се допускат грешки, защото те ще доведат до повреда на цялото устройство и тогава всички данни, получени с него, ще бъдат безполезни.

За да определите скоростта на светлината в стъкло с индекс на пречупване, трябва да разделите абсолютната стойност на скоростта във вакуум на индекса на пречупване. Като еталонна среда се използва вакуум, тъй като там пречупването не действа поради липсата на вещества, които биха могли да попречат на безпрепятственото движение на светлинните лъчи по дадена траектория.

При всички изчислени показатели скоростта ще бъде по-малка, отколкото в референтната среда, тъй като индексът на пречупване винаги е по-голям от единица.

Пречупването или рефракцията е явление, при което се получава промяна в посоката на светлинен лъч или други вълни, когато те пресичат границата, разделяща две среди, както прозрачни (предаващи тези вълни), така и вътре в среда, в която свойствата се променят непрекъснато .

С явлението пречупване се сблъскваме доста често и го възприемаме като обикновено явление: виждаме, че пръчка, разположена в прозрачно стъкло с цветна течност, се „счупва“ на мястото, където въздухът и водата се разделят (фиг. 1). Когато светлината се пречупва и отразява по време на дъжд, ние се радваме, когато видим дъга (фиг. 2).

Индексът на пречупване е важна характеристика на веществото, свързана с неговите физикохимични свойства. Зависи от температурните стойности, както и от дължината на вълната на светлинните вълни, при които се извършва определянето. Според данните за контрол на качеството на разтвора индексът на пречупване се влияе от концентрацията на разтвореното в него вещество, както и от естеството на разтворителя. По-специално, индексът на пречупване на кръвния серум се влияе от количеството протеин, съдържащ се в него.Това се дължи на факта, че когато различна скоростразпространение на светлинни лъчи в среда различна плътност, тяхната посока се променя в точката на разделяне на двете среди. Ако разделим скоростта на светлината във вакуум на скоростта на светлината в изследваното вещество, получаваме абсолютния индекс на пречупване (индекс на пречупване). На практика се определя относителният коефициент на пречупване (n), който е отношението на скоростта на светлината във въздуха към скоростта на светлината в изследваното вещество.

Коефициентът на пречупване се определя количествено с помощта на специално устройство - рефрактометър.

Рефрактометрията е един от най-лесните методи физически анализи може да се използва в лаборатории за контрол на качеството при производството на химически, хранителни, биологично активни хранителни добавки, козметика и други видове продукти с минимално време и брой проби.

Конструкцията на рефрактометъра се основава на факта, че светлинните лъчи се отразяват напълно, когато преминават през границата на две среди (едната от тях е стъклена призма, другата е тестовият разтвор) (фиг. 3).

Ориз. 3. Схема на рефрактометъра

От източника (1) светлинният лъч пада върху огледалната повърхност (2), след което, отразявайки се, преминава в горната осветителна призма (3), след това в долната измервателна призма (4), която е изработена от стъкло с висок индекс на пречупване. Между призмите (3) и (4) се нанасят 1–2 капки от пробата с капиляр. За да не причините механични повреди на призмата, е необходимо да не докосвате повърхността й с капиляр.

Окулярът (9) вижда поле с кръстосани линии за настройка на интерфейса. При преместване на окуляра пресечната точка на полетата трябва да се изравни с границата (фиг. 4).Равнината на призмата (4) играе ролята на граница, върху чиято повърхност се пречупва светлинният лъч. Тъй като лъчите са разпръснати, границата на светлината и сянката се оказва размазана, преливаща. Това явление се елиминира от дисперсионния компенсатор (5). След това лъчът преминава през лещата (6) и призмата (7). Върху пластината (8) има визирни щрихи (две прави линии, пресечени на кръст), както и скала с показатели на пречупване, която се наблюдава в окуляра (9). Използва се за изчисляване на индекса на пречупване.

Разделителната линия на границите на полето ще съответства на ъгъла на вътрешно пълно отражение, който зависи от индекса на пречупване на пробата.

Рефрактометрията се използва за определяне на чистотата и автентичността на дадено вещество. Този метод се използва и за определяне на концентрацията на вещества в разтвори по време на контрол на качеството, която се изчислява от калибровъчна графика (графика, показваща зависимостта на индекса на пречупване на пробата от нейната концентрация).

В КоролевФарм коефициентът на пречупване се определя в съответствие с утвърдената нормативна документация по време на входящия контрол на суровините, в екстракти от собствено производство, както и при производството на готови продукти. Определянето се извършва от квалифицирани служители на акредитирана физико-химическа лаборатория с помощта на рефрактометър IRF-454 B2M.

Ако според резултатите от входящия контрол на суровините индексът на пречупване не съответства на необходими изисквания, отделът за контрол на качеството съставя Акт за несъответствие, въз основа на който тази партида суровина се връща на доставчика.

Метод на определяне

1. Преди започване на измерванията се проверява чистотата на контактните повърхности на призмите една с друга.

2. Проверка на нулевата точка. Нанасяме 2÷3 капки дестилирана вода върху повърхността на измервателната призма, внимателно я затваряме с осветителна призма. Отворете прозореца за осветление и с помощта на огледало настройте източника на светлина в най-интензивната посока. Чрез завъртане на винтовете на окуляра получаваме ясно, рязко разграничение между тъмни и светли полета в зрителното му поле. Завъртаме винта и насочваме линията на сянката и светлината така, че да съвпада с точката, в която линиите се пресичат в горния прозорец на окуляра. На вертикалната линия в долния прозорец на окуляра виждаме желания резултат - коефициент на пречупване на вода, дестилирана при 20 ° C (1,333). Ако показанията са различни, настройте винта на индекса на пречупване на 1,333 и с помощта на ключ (отстранете регулиращия винт) довеждаме границата на сянката и светлината до точката на пресичане на линиите.

3. Определете индекса на пречупване. Повдигнете камерата на призменото осветление и отстранете водата с филтърна хартия или марлена салфетка. След това нанесете 1-2 капки от тестовия разтвор върху повърхността на измервателната призма и затворете камерата. Завъртаме винтовете, докато границите на сянката и светлината съвпаднат с точката на пресичане на линиите. На вертикалната линия в долния прозорец на окуляра виждаме желания резултат - индексът на пречупване на тестовата проба. Изчисляваме индекса на пречупване по скалата в долния прозорец на окуляра.

4. Използвайки калибровъчната графика, установяваме връзката между концентрацията на разтвора и индекса на пречупване. За да се изгради графика, е необходимо да се приготвят стандартни разтвори с няколко концентрации, като се използват препарати от химически чисти вещества, да се измерят техните индекси на пречупване и да се нанесат получените стойности върху ординатната ос и да се нанесат съответните концентрации на разтвори върху абсцисната ос. Необходимо е да се изберат интервалите на концентрация, при които се наблюдава линейна зависимост между концентрацията и индекса на пречупване. Измерваме индекса на пречупване на тестовата проба и използваме графиката, за да определим нейната концентрация.