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

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

Моделът представлява анимирана илюстрация на тема "Закон за пречупване на светлината". Разглежда се системата вода-въздух. Начертава се хода на инцидента, отразени и пречупени лъчи.

Кратка теория

Законът за пречупване на светлината намира обяснение във физиката на вълните. Според концепциите за вълните пречупването е следствие от промяна в скоростта на разпространение на вълната по време на прехода от една среда в друга. Физическият смисъл на коефициента на пречупване е съотношението на скоростта на разпространение на вълната в първата среда υ 1 към скоростта на тяхното разпространение във втората среда υ 2:

Работа с модела

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

Този модел може да се използва като илюстрация в уроците по изучаване на нов материал по темата "Закон за пречупване на светлината". Използвайки този модел като пример, учениците могат да разгледат пътя на лъча, когато се движат от оптически 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, пътят на лъча по време на прехода от една среда в друга.

Примери за 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 разглежда отдолу 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 съотношението 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 радиацията, за някои вещества индекс на пречупванесе променя доста силно с честотата електромагнитни вълниот ниски честоти до оптични и отвъд, а 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 равнища, 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 в течност или твърдо). Има изключения от това правило и затова е обичайно да се нарича среда оптически повече или по-малко плътна от друга (да не се бърка с оптичната плътност като мярка за непрозрачността на среда).

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

За среда с по-висок коефициент на пречупване се казва, че е оптически по-плътна. Обикновено се измерва коефициентът на пречупване на различни среди спрямо въздуха. Абсолютният показател на пречупване на въздуха е . По този начин абсолютният коефициент на пречупване на всяка среда е свързан с нейния коефициент на пречупване спрямо въздуха по формулата:

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

Нека се обърнем към по-подробно разглеждане на показателя 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 коефициент на пречупване на тази среда.

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

Нека абсолютният коефициент 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 коефициентът на пречупване по време на прехода от първата среда към втората, така нареченият относителен коефициент на пречупване, е равен на съотношението на абсолютните показатели на пречупване на втора и първа медия:

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

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

За среда с по-висок коефициент на пречупване се казва, че е оптически по-плътна. Обикновено се измерва коефициентът на пречупване на различни среди спрямо въздуха. Абсолютният показател на пречупване на въздуха е . По този начин абсолютният коефициент на пречупване на всяка среда е свързан с нейния показател на пречупване спрямо въздуха по формулата

Таблица 6. Показател на пречупване различни веществаспрямо въздуха

Показателят на пречупване зависи от дължината на вълната на светлината, тоест от нейния цвят. Различните цветове съответстват на различни показатели 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 отнася до жълта светлина.

Интересно е да се отбележи, че законът за отражението може формално да бъде написан в същата форма като закона за пречупване. Спомнете си, че се договорихме 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 отражението може да се запише така

Сравнявайки (83.4) със закона за пречупване, виждаме, че законът за отражение може да се разглежда като частен 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 предишната презентация коефициентът на пречупване имаше значението на константа на средата, независимо от интензитета на светлината, преминаваща през нея. Подобна интерпретация на коефициента на пречупване е съвсем естествена, но в случай на високи интензитети на излъчване, постижими с помощта на съвременни лазери, това не е оправдано. Свойствата на средата, през която преминава силна светлинна радиация, 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 коефициента на пречупване. Зависимостта на коефициента на пречупване от интензитета на излъчване има формата

Тук е обичайният коефициент на пречупване, а е нелинейният показател на пречупване и е коефициентът на пропорционалност. Допълнителният член в тази формула може да бъде положителен или отрицателен.

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

Помислете за среда с положителен нелинеен показател на пречупване. В този случай областите с повишен интензитет на светлината са едновременно зони с повишен коефициент на пречупване. Обикновено в реално лазерно лъчениеразпределението на интензитета върху напречното сечение на лъча е нехомогенно: интензитетът е максимален по оста и плавно намалява към краищата на лъча, както е показано на фиг. 185 плътни криви. Подобно разпределение описва и промяната в показателя на пречупване върху напречното сечение на клетка с нелинейна среда, по оста на която се разпространява лазерният лъч. Показателят 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, попадайки в среда с променлив коефициент на пречупване, се отклонява в посоката, където е по-голяма. Следователно, повишеният интензитет в близост до OSP клетката води до концентрация на светлинни лъчи в този регион, което е показано схематично в напречни сечения и на фиг. 185, а това води до по-нататъшно увеличаване 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. Така лазерният лъч се стеснява, а 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 производството 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 съотношението 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 след това можете да получите желаната стойност. Въпреки наличието на таблични данни, си струва всеки път да се извършват допълнителни изчисления, тъй като справочниците често използват идеални условия, които могат да бъдат постигнати в реален животпочти невъзможно. Следователно в действителност индикаторът непременно ще се различава от табличния, а в някои ситуации това е от основно значение.

Абсолютен индикатор

Абсолютният показател на пречупване зависи от марката стъкло, тъй като на практика има огромен брой опции, които се различават по състав и степен на прозрачност. Средно 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 е важен точен индикатор, тогава допълнителните измервания са незаменими. Но дори и 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 се знае, че коефициентът на пречупване на материал като стъклото е по-голям от една и по-малък от две, а всички останали десети и стотни не играят роля.

Във форумите, които помагат за решаването на проблеми по физика, често мига въпросът какъв е коефициентът на пречупване на стъклото и диаманта? Много хора смятат, че тъй като тези две вещества са сходни 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 показател на пречупване надвишава 2. Това се дължи на неговата кристална структура и голямото разпространение на светлинните лъчи. Фасетирането играе минимална роля в промените в стойността на таблицата.

Относителен индикатор

Относителният индикатор за някои среди може да се характеризира по следния начин:

• - коефициентът на пречупване на стъклото спрямо водата е приблизително 1,18;
• - коефициентът на пречупване на същия материал спрямо въздуха е равен на 1,5;
• - показател на пречупване спрямо алкохола - 1,1.

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

Определяне на коефициента на пречупване

На практика е доста трудно да се определи коефициентът на пречупване на стъклото, тъй като за измерване на първоначалните данни са необходими високоточни инструменти. 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, това е характерно само за прозрачни материали. За референтната стойност, тоест за единицата, се взема коефициентът на пречупване на газовете. Това беше направено, за да може да се започне от някаква стойност в изчисленията.

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

• 1. Отгоре залепете филм, в който коефициентът на пречупване ще бъде по-висок от този на стъклото. Този принцип се използва при затъмняването на стъклата на автомобила, за да се подобри комфорта на пътниците и да се позволи на водача да вижда пътя по-ясно. Също така, филмът ще задържи и ултравиолетовото лъчение.
• 2. Боядисвайте стъклото с боя. Това правят производителите на евтини слънчеви очила, но имайте предвид, че това може да бъде вредно за зрението ви. При добрите модели очилата 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 коефициентът на пречупване на следващия материал се изчислява с помощта на относителния коефициент, който може да се получи чрез сравняване на табличните стойности ​​​​​​​​​​​​​​​​​ Тези изчисления са много важни при проектирането на оптични системи, които носят практически или експериментален товар. Тук не са разрешени грешки, тъй като те ще доведат до неизправност на цялото устройство и тогава всички данни, получени с него, ще бъдат безполезни.

За да определите скоростта на светлината в стъкло с показател на пречупване, трябва да разделите абсолютната стойност на скоростта във вакуум на индекса на пречупване. Вакуумът се използва като референтна среда, тъй като там не действа пречупване поради отсъствието 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 пречупването е явление, при което промяна в посоката на лъч светлина или други вълни се случва, когато те пресичат границата, разделяща две среди, както прозрачни (предаващи тези вълни), така и вътре в среда, в която свойствата непрекъснато се променят .

Срещаме явлението пречупване доста често и го възприемаме като обикновено явление: виждаме, че пръчка в прозрачна чаша с оцветена течност е „счупена” в точката, 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).

Показателят 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 в 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, посоката им се променя в точката на разделяне на двете медии. Ако разделим скоростта на светлината във вакуум на скоростта на светлината в изследваното вещество, получаваме абсолютния коефициент 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.

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

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

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 тестовото решение) (фиг. 3).

Ориз. 3. Схема на рефрактометъра

От източника (1) светлинният лъч пада върху огледалната повърхност (2), след което, като се отразява, преминава в горната светеща призма (3), след това в долната измервателна призма (4), която е изработена от стъкло с висок коефициент на пречупване. Между призмите (3) и (4) се нанасят 1-2 капки от пробата с помощта на капиляр. За да не се причини механични повреди на призмата, е необходимо да не се докосва 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 интерфейса (фиг. 4) Ролята на интерфейса играе равнината на призмата (4), върху чиято повърхност се пречупва светлинният лъч. Тъй като лъчите са разпръснати, границата на светлината и сянката се оказва размита, преливаща. Това явление се елиминира от компенсатора на дисперсията (5). След това лъчът преминава през лещата (6) и призмата (7). Върху плочата (8) има визуални щрихи (две прави кръстосани напречно), 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 вътрешното пълно отражение, който зависи от коефициента 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 показателя на пречупване на пробата от нейната концентрация).

В КоролевФарм коефициентът на пречупване се определя в съответствие с утвърдената нормативна документация при входящ контрол на суровини, 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 входния 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 суровини се връща на доставчика.

Метод на определяне

1. Преди започване на измерванията се проверява чистотата на повърхностите на призмите в контакт една с друга.

2. Проверка на нулева 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 ясна, рязка разлика между тъмни и светли полета в неговото зрително поле. Завъртаме винта и насочваме линията на сянка и светлина, 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 - показателят на пречупване на водата, дестилирана при 20 ° C (1,333). Ако показанията са различни, задайте коефициента на пречупване на 1,333 с винт и с помощта на ключ (свалете регулиращия винт) довеждаме границата на сянката и светлината до точката на пресичане на линиите.

3. Определете коефициента на пречупване. Повдигнете камерата на осветлението на призмата и отстранете водата с филтърна хартия или марлева 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 съвпадат с точката на пресичане на линиите. На вертикалната линия в долния прозорец на окуляра виждаме желания резултат - показателят на пречупване на тестовата проба. Изчисляваме индекса на пречупване по скалата в долния прозорец на окуляра.

4. С помощта на калибровъчната графика установяваме връзката между концентрацията на разтвора и коефициента 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 показатели на пречупване и да се начертаят получените стойности по оста на ординатите и да се начертаят съответните концентрации на разтвори по оста на абсцисата. Необходимо е да се изберат концентрационните интервали, при които се наблюдава линейна зависимост между концентрацията и индекса на пречупване. Измерваме коефициента на пречупване на тестовата проба и използваме графиката, за да определим нейната концентрация.