Работа №3. Изучение законов отражения и преломления света

Цель работы: Изучение законов геометрической оптики, определение показателя преломления и угла полного внутреннего отражения.

Оборудование: Полупроводниковый лазер, прозрачный полуцилиндр, поворотный столик.

Краткая теория

Длины воспринимаемых глазом световых волн очень малы (порядка 10^-7 м). Поэтому распространение видимого света можно в первом приближении рассматривать, отвлекаясь от его волновой природы и полагая, что свет распространяется вдоль некоторых линий, называемых лучами. Под лучом в физическом смысле этого слова понимают достаточно узкий световой пучок.

Когда луч света достигает плоской границы раздела двух прозрачных сред (рис.1), он частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается).

                 а)                                                       б)

Рис. 1

Закон отражения света был известен ещё грекам и упоминается в сочинении Евклида (III век до н.э.). Установление его связано с употреблением полированных металлических поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдалённую эпоху. Этот закон утверждает, что падающий луч АО и отражённый луч ОА' лежат в одной плоскости с нормалью МN, проведённой к границе раздела сред через точку О падения луча (эта плоскость называется плоскостью падения), причём угол отражения b равен углу падения a (рис. 1а):

                                          b= a.                                                  (1)

Закон преломления был установлен экспериментально в 1621г. голландским учёным Снеллиусом (1580-1626) и опубликован только после его смерти. Согласно закону преломления, преломлённый луч ОА'' (рис. 1а) лежит в плоскости падения, причём отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления g для рассматриваемых сред зависит только от длины световой волны, но не зависит от угла падения, т.е.

                           .                                      (2)

Постоянная величина n₂₁ называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Для абсолютного показателя преломления среды n волновая теория даёт: n=c/v, где c»3×10⁸ м/с – скорость света в вакууме, а v – скорость света в среде. Относительный показатель преломления n₂₁ выражается через показатели преломления сред n₁ и n₂ соотношением

.

Если n₂₁<1 (n₂< n₁; среда “1” оптически более плотная, чем среда “2”), то может оказаться, что величина sing, формально вычисленная по формуле (2), начнёт превосходить единицу, т. е. >1. Соответствующего угла преломления не существует. Поэтому преломлённый луч не возникает, а свет отражается полностью (рис 1б). Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения, при котором оно возникает, определяется условием a ³ a₀, причём

                                              sin a₀ = n₂₁.                                       (3)

Величина a₀ называется предельным углом полного отражения.

В настоящей лабораторной работе экспериментально проверяются соотношения (1) и (2) – законы отражения и преломления света, а также наблюдается явление полного отражения.

Описание эксперимента

Для изучения законов отражения и преломления света в настоящей лабораторной работе используется стеклянный полуцилиндр с матовой нижней поверхностью. Полуцилиндр помещают на круглый горизонтальный оптический столик так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпала с центром диска (рис. 2). Узкий пучок света (луч лазера) направляют на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается.

Оптический столик настраивают так, чтобы луч лазера скользил по его поверхности. В эксперименте измеряют углы отражения b и преломления g. Изменение угла падения a осуществляется путём поворота столика вокруг вертикальной оси, перпендикулярной его поверхности. Для измерения углов на диске нанесены деления (цена деления 1°).

Измеренные значения углов a и b сравнивают и тем самым проверяют соотношение (1) – закон отражения света. По измеренным значениям углов a и g  вычисляют отношение sina /sin g. Если эти отношения одинаковы при различных значениях угла падения, то закон преломления (2) подтверждается.

Рис. 2

В данном эксперименте можно наблюдать явление полного отражения. Увеличивая угол падения a можно заметить, что яркость отражённого луча растёт, в то время как яркость преломлённого луча падает. Начиная с некоторого угла падения a₀, преломлённый луч исчезает.

Техника безопасности

· Необходимо соблюдать общие правила техники безопасности лаборатории "Оптика".

· Запрещается включать питание лазера без разрешения преподавателя.

· Конструкция лазера не рассчитана на длительную работу, поэтому его необходимо включать на минимальное время.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: