ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 20
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 20. Свет в пластинке и призме

Почему стеклянная пластинка сдвигает луч, а призма отклоняет его?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему стеклянная пластинка сдвигает луч, а призма отклоняет его?

Наблюдаем и объясняем

Смещение луча в пластинке

Меняй угол и толщину. Сравни выходящий луч с продолжением первоначального.

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

45 °
10 мм
1.5

Снаружи с обеих сторон воздух n = 1. h = d sin(i − r)/cos r. Пунктир — ориентир, не реальный дополнительный луч; отражения опущены.

01

Две границы вместо одной

Оптический элемент нужно анализировать последовательно: сначала входную грань, затем путь внутри, затем выходную грань. На каждой поверхности своя нормаль. Ошибка возникает, если угол ко второй грани измеряют относительно нормали первой.

Для плоскопараллельной пластинки нормали параллельны. Если снаружи с обеих сторон одна среда, законы преломления на входе и выходе взаимно возвращают исходный угол. Выходящий луч параллелен падающему, но обычно сдвинут.

Вход

Луч преломляется к нормали в стекле

Путь внутри

Идёт под меньшим углом

Выход

Возвращается исходное направление

При одинаковой среде с обеих сторон параллельные грани сохраняют направление выходящего луча.

Станет ли выходящий луч параллельным, если с одной стороны воздух, а с другой вода?

В общем случае нет: симметрия условий нарушена, и итоговый угол определяется также показателем воды.

02

Боковое смещение

Для толщины пластинки d и углов i снаружи и r внутри боковое смещение h = d sin(i − r)/cos r. Здесь h измеряется перпендикулярно первоначальному направлению, а не вдоль поверхности. При i = 0 оно равно нулю.

В воздухе для n = 1,5, i = 45° и d = 10 мм получаем r ≈ 28,13° и h ≈ 3,29 мм. При той же геометрии увеличение толщины пропорционально увеличивает смещение. Время прохождения тоже увеличивается, но это отдельная величина.

Внутренний угол

sin r = sin i/n

Смещение

h = d sin(i − r)/cos r

Нормальное падение

i = r = 0, h = 0

Боковое смещение зависит от толщины, угла падения и показателя преломления.

Почему толщину нельзя напрямую назвать смещением луча?

Толщина измеряется по нормали к граням, а смещение — поперёк первоначального луча; это разные отрезки.

Солнечный спектр после прохождения стекла

Разные спектральные составляющие могут разделяться из-за дисперсии. Стекло меняет направления распространения; частоты на неподвижных границах сохраняются.

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

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.

03

Призма и дисперсия

У призмы входная и выходная грани не параллельны. Для обычного прохождения через стеклянную призму в воздухе луч отклоняется к её основанию. Угол отклонения зависит от геометрии и показателя преломления; при некоторых направлениях внутри возможно полное отражение.

Дисперсия — зависимость показателя преломления от частоты. В области нормальной дисперсии обычного стекла фиолетовый свет преломляется сильнее красного. Призма пространственно разделяет уже присутствующие в белом свете составляющие, а не создаёт их из ничего.

Призма и дисперсия: сравнение
ЭлементОсновное действие
Параллельная пластинкаСмещает пучок при сохранении выходного направления
ПризмаИзменяет направление
Диспергирующая призмаПо-разному отклоняет частоты

Непараллельность граней призмы позволяет отклонять луч, а дисперсия — разделять частоты.

Почему монохроматический свет не даёт сплошной радуги после призмы?

В нём нет непрерывного набора разных частот, который можно разнести по направлениям.

04

Модель: проследить ход луча

Модель рассчитывает плоскопараллельную пластинку в воздухе. Изменяй толщину и угол, сопоставляй настоящий путь с пунктирным продолжением исходного луча. Пунктир является геометрическим ориентиром, а не дополнительным пучком.

Сначала найди r по закону преломления, затем h. Проверь два предельных случая: при n = 1 границы оптически не различаются, при i = 0 нет бокового смещения. Отражённые слабые пучки в этом рисунке опущены для читаемости.

Найти внутренний угол

r = arcsin(sin i/n)

Построить выход

Параллельно первоначальному лучу

Проверить пределы

n = 1 или i = 0 дают h = 0

Последовательный расчёт каждой границы предотвращает ошибки в сложных оптических элементах.

Уменьшается ли частота при прохождении пластинки?

Нет, на неподвижных границах частота сохраняется; внутри меняются скорость и длина волны.

Соберём главное

Шесть выводов

01При одинаковой среде с обеих сторон параллельные грани сохраняют направление выходящего луча.
02Боковое смещение зависит от толщины, угла падения и показателя преломления.
03Непараллельность граней призмы позволяет отклонять луч, а дисперсия — разделять частоты.
04Последовательный расчёт каждой границы предотвращает ошибки в сложных оптических элементах.
05Нормаль строят заново на каждой поверхности.
06Частота является удобной характеристикой света при переходе между средами.
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. При одинаковой внешней среде луч после параллельной пластинки…
2. При наклонном падении пластинка обычно даёт…
3. При нормальном падении боковое смещение…
4. Формула бокового смещения…
5. Если толщину удвоить при тех же углах, h…
6. При n пластинки = n внешней среды смещение…
7. Почему призма отклоняет выходящий луч?
8. Дисперсия означает…
9. В обычном стекле при нормальной дисперсии сильнее отклоняется…
10. Монохроматический свет после обычной призмы…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 20. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 20. Прохождение света через оптические элементы.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…