ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 19
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 19. Преломление света и полное отражение

Почему луч меняет направление на границе и когда он перестаёт проходить во вторую среду?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему луч меняет направление на границе и когда он перестаёт проходить во вторую среду?

Наблюдаем и объясняем

Преломление и критический угол

Выбирай обе среды и меняй угол. Пересечение критического угла меняет характер схемы.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

30 °

Лучевая модель неподвижной границы. Отражение показано схематически; коэффициенты распределения энергии не вычисляются.

01

Скорость, частота, направление

Преломление — изменение направления распространения на границе прозрачных сред. Оно связано с различием фазовых скоростей. Абсолютный показатель n = c/v показывает отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости в среде.

При переходе через неподвижную границу частота сохраняется, а скорость и длина волны меняются: λ = v/ν. Поэтому изменение длины волны внутри стекла само по себе не означает превращения красного света в фиолетовый.

Граница сред

Частота остаётся прежней

Другая скорость

v = c/n

Другая длина волны

λ = λ₀/n

На неподвижной границе частота света сохраняется, а длина волны меняется вместе со скоростью.

Что происходит при нормальном падении?

Направление не меняется, хотя скорость и длина волны во второй среде могут измениться.

02

Закон Снеллиуса

Падающий луч, преломлённый луч и нормаль лежат в одной плоскости. Закон преломления n₁ sin i = n₂ sin r связывает углы, отсчитанные от нормали. При n₂ > n₁ луч приближается к нормали; при n₂ < n₁ удаляется от неё.

Например, из воздуха в стекло n₂ = 1,5 при i = 30°: sin r = 1·0,5/1,5 = 1/3, r ≈ 19,47°. Перед вычислением обратного синуса обязательно проверяют, не превышает ли его аргумент единицу.

Закон

n₁ sin i = n₂ sin r

Расчёт

sin r = (n₁/n₂) sin i

Единицы угла

Не смешивать градусы и радианы

Углы преломления и падения отсчитывают от нормали.

Почему при переходе в более оптически плотную среду r меньше i?

При n₂ > n₁ из закона следует sin r < sin i; для углов от 0° до 90° это означает r < i.

Видимый излом ложки на границе воды и воздуха

Видимый излом связан с преломлением света на границе сред. Сама ложка не обязана иметь излом там, где его видит глаз.

Sudzie · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

Преломление света линзой

Собирающая линза меняет направления лучей. Точное схождение зависит от положения предмета и ограничений параксиальной модели.

白露为霜 at Chinese Wikipedia · Public domain · Источник. Без изменений.

03

Предел и полное внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение возможно только при переходе из среды с большим n в среду с меньшим n. Критический угол iкр удовлетворяет sin iкр = n₂/n₁. При i = iкр преломлённое направление скользит вдоль границы.

При i > iкр обычного распространяющегося преломлённого луча нет: возникает полное внутреннее отражение. Для стекла n₁ = 1,5 и воздуха n₂ = 1 критический угол ≈ 41,81°. Равенство и превышение критического угла — разные граничные случаи.

Предел и полное внутреннее отражение: сравнение
УсловиеРезультат
n₁ ≤ n₂Полного внутреннего отражения нет
n₁ > n₂, i < iкрЕсть преломлённый луч
i = iкрПреломлённое направление вдоль границы
i > iкрПолное внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение требует n₁ > n₂ и угла больше критического.

Почему нельзя получить полное внутреннее отражение из воздуха в стекло?

Для такого перехода n₁/n₂ < 1, поэтому аргумент для sin r не может превысить единицу ни при каком угле падения.

04

Модель и световод

Выбери показатели обеих сред и плавно меняй угол. Следи за нормалью, а не за поверхностью. Отражённый луч показан и до критического угла: обычное частичное отражение существует вместе с преломлением; доли энергии эта модель не вычисляет.

В световоде сердцевина имеет показатель больше, чем оболочка. Лучи, удовлетворяющие условию полного отражения на границе, удерживаются внутри. Реальное волокно требует также волнового описания; лучевая схема поясняет принцип, но не все его режимы.

Проверить направление перехода

Сравнить n₁ и n₂

Найти sin r

Если значение ≤ 1, вычислить угол

Если значение > 1

Показать полное отражение

Перед поиском угла преломления проверяют физическую допустимость результата.

Что означает sin r = 1,2 в промежуточном расчёте?

Не угол с необычным значением, а отсутствие обычного преломлённого луча при полном внутреннем отражении.

Соберём главное

Шесть выводов

01На неподвижной границе частота света сохраняется, а длина волны меняется вместе со скоростью.
02Углы преломления и падения отсчитывают от нормали.
03Полное внутреннее отражение требует n₁ > n₂ и угла больше критического.
04Перед поиском угла преломления проверяют физическую допустимость результата.
05Оптическая плотность в этой теме характеризуется показателем преломления, а не массовой плотностью.
06Рисунок лучей без коэффициентов Френеля не показывает энергетическое соотношение отражения и прохождения.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Закон преломления…
2. Из воздуха в стекло луч при наклонном падении…
3. n₁ = 1, n₂ = 1,5, i = 30°. sin r…
4. Для полного внутреннего отражения необходимо…
5. Формула критического угла при n₁ > n₂…
6. Точно при критическом угле преломлённое направление…
7. Если расчёт дал sin r = 1,2, это означает…
8. При нормальном падении на стекло…
9. Что сохраняется при переходе через неподвижную границу?
10. В обычном световоде показатель сердцевины…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 19. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 19. Закон преломления света. Показатель преломления. Полное отражение.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…