AULA 23 ÓPTICA GEOMÉTRICA

AULA 23 ÓPTICA GEOMÉTRICA

1. Leis de reflexão e refração da luz.

2. Reflexão interna total. Fibra ótica.

3. Lentes. Potência óptica da lente.

4. Aberrações da lente.

5. Conceitos e fórmulas básicas.

6. Tarefas.

Ao resolver muitos problemas relacionados à propagação da luz, você pode usar as leis da óptica geométrica, baseadas na ideia de um raio de luz como uma linha ao longo da qual a energia de uma onda de luz se propaga. Num meio homogêneo, os raios de luz são retilíneos. A óptica geométrica é o caso limite da óptica ondulatória, pois o comprimento de onda tende a zero (λ →0).

23.1. Leis de reflexão e refração da luz. Reflexão interna total, guias de luz

Leis da reflexão

Reflexo da luz- fenômeno que ocorre na interface entre dois meios, em que um feixe de luz muda a direção de sua propagação, permanecendo no primeiro meio. A natureza da reflexão depende da relação entre as dimensões (h) das irregularidades da superfície refletora e o comprimento de onda (λ) radiação incidente.

Reflexão difusa

Quando as irregularidades estão localizadas aleatoriamente e seus tamanhos são da ordem do comprimento de onda ou o excedem, reflexão difusa- dispersão da luz em todas as direções possíveis. É devido à reflexão difusa que os corpos não autoluminosos se tornam visíveis quando a luz é refletida em suas superfícies.

Reflexo de espelho

Se o tamanho das irregularidades for pequeno comparado ao comprimento de onda (h<< λ), то возникает направленное, или espelho, reflexão da luz (Fig. 23.1). Neste caso, as seguintes leis são observadas.

O raio incidente, o raio refletido e a normal à interface entre os dois meios, traçados através do ponto de incidência do raio, estão no mesmo plano.

O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência:β = a.

Arroz. 23.1. Caminho dos raios durante a reflexão especular

Leis da refração

Quando um feixe de luz incide na interface entre dois meios transparentes, ele é dividido em dois feixes: refletido e refratado(Fig. 23.2). O raio refratado se propaga no segundo meio, mudando sua direção. A característica óptica do meio é absoluto

Arroz. 23.2. Caminho dos raios durante a refração

índice de refração, que é igual à razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz neste meio:

A direção do raio refratado depende da proporção dos índices de refração dos dois meios. As seguintes leis de refração são satisfeitas.

O raio incidente, o raio refratado e a normal à interface entre os dois meios, traçados através do ponto de incidência do raio, estão no mesmo plano.

A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante igual à razão dos índices de refração absolutos do segundo e do primeiro meio:

23.2. Reflexão interna total. Fibra ótica

Vamos considerar a transição da luz de um meio com índice de refração n 1 mais alto (opticamente mais denso) para um meio com índice de refração n 2 mais baixo (opticamente menos denso). A Figura 23.3 mostra os raios incidentes na interface vidro-ar. Para o vidro, o índice de refração n 1 = 1,52; para ar n 2 = 1,00.

Arroz. 23.3. A ocorrência de reflexão interna total (n 1 > n 2)

Aumentar o ângulo de incidência leva a um aumento no ângulo de refração até que o ângulo de refração se torne 90°. Com um aumento adicional no ângulo de incidência, o feixe incidente não é refratado, mas completamente refletido na interface. Este fenômeno é chamado reflexão interna total.É observado quando a luz cai de um meio mais denso para a fronteira com um meio menos denso e consiste no seguinte.

Se o ângulo de incidência exceder o ângulo limite para estes meios, então a refração na interface não ocorre e a luz incidente é completamente refletida.

O ângulo limite de incidência é determinado pela relação

A soma das intensidades dos raios refletidos e refratados é igual à intensidade do raio incidente. À medida que o ângulo de incidência aumenta, a intensidade do feixe refletido aumenta e a intensidade do feixe refratado diminui e torna-se igual a zero para o ângulo máximo de incidência.

Fibra ótica

O fenômeno da reflexão interna total é utilizado em guias de luz flexíveis.

Se a luz for direcionada para a extremidade de uma fibra de vidro fina cercada por um revestimento com índice de refração mais baixo, a luz se propagará ao longo da fibra, experimentando reflexão total na interface do revestimento de vidro. Essa fibra é chamada luz guia As curvas do guia de luz não interferem na passagem da luz

Nas fibras ópticas modernas, a perda de luz por absorção é muito pequena (cerca de 10% por km), o que permite sua utilização em sistemas de comunicação por fibra óptica. Na medicina, feixes de finos guias de luz são usados ​​para fazer endoscópios, que são usados ​​para exame visual de órgãos internos ocos (Fig. 23.5). O número de fibras em um endoscópio chega a um milhão.

Usando um canal guia de luz separado colocado em um feixe comum, a radiação laser é transmitida com a finalidade de efeitos terapêuticos nos órgãos internos.

Arroz. 23.4. Propagação de raios de luz ao longo de uma guia de luz

Arroz. 23,5. Endoscópio

Existem também guias de luz natural. Por exemplo, em plantas herbáceas, o caule desempenha o papel de guia de luz, fornecendo luz para a parte subterrânea da planta. As células-tronco formam colunas paralelas, que lembram o desenho de guias de luz industriais. Se

Se você iluminar essa coluna examinando-a através de um microscópio, poderá ver que suas paredes permanecem escuras e que o interior de cada célula está intensamente iluminado. A profundidade a que a luz é fornecida desta forma não excede 4-5 cm, mas mesmo um guia de luz tão curto é suficiente para fornecer luz à parte subterrânea da planta herbácea.

23.3. Lentes. Potência da lente

Lente - um corpo transparente geralmente delimitado por duas superfícies esféricas, cada uma das quais pode ser convexa ou côncava. A linha reta que passa pelos centros dessas esferas é chamada eixo óptico principal da lente(palavra lar geralmente omitido).

Uma lente cuja espessura máxima é significativamente menor que os raios de ambas as superfícies esféricas é chamada afinar.

Ao passar pela lente, o feixe de luz muda de direção - é desviado. Se o desvio ocorrer para o lado eixo óptico, então a lente é chamada coletando, caso contrário, a lente é chamada espalhamento.

Qualquer raio incidente em uma lente coletora paralela ao eixo óptico, após a refração, passa por um ponto no eixo óptico (F), chamado Foco principal(Fig. 23.6, a). Para lentes divergentes, passa pelo foco continuação raio refratado (Fig. 23.6, b).

Cada lente possui dois pontos focais localizados em ambos os lados. A distância do foco ao centro da lente é chamada distância focal principal(f).

Arroz. 23.6. Foco de lentes convergentes (a) e divergentes (b)

Nas fórmulas de cálculo f é considerado com um sinal “+” para coletando lentes e com um sinal “-” para dispersivo lentes.

O inverso da distância focal é chamado potência óptica da lente: D = 1/f. Unidade de potência óptica - dioptria(dopter). 1 dioptria é a potência óptica de uma lente com distância focal de 1 m.

Potência óptica lente fina e sua comprimento focal dependem dos raios das esferas e do índice de refração do material da lente em relação ao ambiente:

onde R 1, R 2 são os raios de curvatura das superfícies da lente; n é o índice de refração do material da lente em relação ao ambiente; o sinal “+” é considerado para convexo superfícies, e o sinal “-” é para côncavo. Uma das superfícies pode ser plana. Neste caso, considere R = ∞ , 1/R = 0.

Lentes são usadas para produzir imagens. Vamos considerar um objeto localizado perpendicularmente ao eixo óptico da lente coletora e construir uma imagem de seu ponto superior A. A imagem de todo o objeto também será perpendicular ao eixo da lente. Dependendo da posição do objeto em relação à lente, são possíveis dois casos de refração dos raios, mostrados na Fig. 23.7.

1. Se a distância do objeto à lente exceder a distância focal f, então os raios emitidos pelo ponto A após passar pela lente cruzar no ponto A", que é chamado imagem real. A imagem real é obtida de cabeça para baixo.

2. Se a distância do objeto à lente for menor que a distância focal f, então os raios emitidos pelo ponto A após passar pela lente dis-

Arroz. 23.7. Imagens reais (a) e imaginárias (b) fornecidas por uma lente coletora

estão andando e no ponto A" suas continuações se cruzam. Este ponto é chamado imagem imaginária. A imagem virtual é obtida direto.

Uma lente divergente fornece uma imagem virtual de um objeto em todas as suas posições (Fig. 23.8).

Arroz. 23.8. Imagem virtual dada por uma lente divergente

Para calcular a imagem é usado fórmula da lente, que estabelece uma ligação entre as disposições pontos e ela Imagens

onde f é a distância focal (para uma lente divergente é negativo), a 1 é a distância do objeto à lente; a 2 é a distância da imagem à lente (o sinal “+” é usado para uma imagem real e o sinal “-” para uma imagem virtual).

Arroz. 23.9. Parâmetros da fórmula da lente

A relação entre o tamanho da imagem e o tamanho do objeto é chamada aumento linear:

O aumento linear é calculado pela fórmula k = a 2 / a 1. Lente (mesmo afinar) dará a imagem “correta”, obedecendo fórmula da lente, somente se as seguintes condições forem atendidas:

O índice de refração de uma lente não depende do comprimento de onda da luz ou a luz é suficiente monocromático.

Ao obter imagens usando lentes real objetos, essas restrições, via de regra, não são atendidas: ocorre dispersão; alguns pontos do objeto estão afastados do eixo óptico; os feixes de luz incidente não são paraxiais, a lente não é fina. Tudo isso leva a distorção imagens. Para reduzir a distorção, as lentes dos instrumentos ópticos são feitas de várias lentes localizadas próximas umas das outras. A potência óptica de tal lente é igual à soma das potências ópticas das lentes:

23.4. Aberrações de lente

Aberrações- um nome geral para erros de imagem que ocorrem ao usar lentes. Aberrações (do latim "aberratio"- desvio), que aparecem apenas em luz não monocromática, são chamados cromático. Todos os outros tipos de aberrações são monocromático, já que sua manifestação não está relacionada à complexa composição espectral da luz real.

1. Aberração esférica- monocromático aberração causada pelo fato de que as partes externas (periféricas) da lente desviam os raios provenientes de uma fonte pontual com mais força do que sua parte central. Como resultado disso, as áreas periférica e central da lente formam imagens diferentes (S 2 e S" 2, respectivamente) da fonte pontual S 1 (Fig. 23.10). Portanto, em qualquer posição da tela, a imagem nele aparece na forma de um ponto brilhante.

Este tipo de aberração é eliminado através da utilização de sistemas constituídos por lentes côncavas e convexas.

Arroz. 23.10. Aberração esférica

2. Astigmatismo- monocromático uma aberração que consiste no fato de a imagem de um ponto ter a forma de um ponto elíptico, que em certas posições do plano da imagem degenera em um segmento.

Astigmatismo de feixes oblíquos aparece quando os raios que emanam de um ponto formam ângulos significativos com o eixo óptico. Na Figura 23.11, a fonte pontual está localizada no eixo óptico secundário. Nesse caso, duas imagens aparecem na forma de segmentos de reta localizados perpendicularmente entre si nos planos I e II. A imagem da fonte só pode ser obtida na forma de um ponto borrado entre os planos I e II.

Astigmatismo devido à assimetria sistema óptico. Esse tipo de astigmatismo ocorre quando a simetria do sistema óptico em relação ao feixe de luz é quebrada devido ao próprio design do sistema. Com esta aberração, as lentes criam uma imagem na qual contornos e linhas orientadas em direções diferentes têm nitidez diferente. Isso é observado em lentes cilíndricas (Fig. 23.11, b).

Uma lente cilíndrica forma uma imagem linear de um objeto pontual.

Arroz. 23.11. Astigmatismo: feixes oblíquos (a); devido à cilindricidade da lente (b)

No olho, o astigmatismo ocorre quando há uma assimetria na curvatura do cristalino e do sistema córneo. Para corrigir o astigmatismo, são utilizados óculos que apresentam diferentes curvaturas em diferentes direções.

3. Distorção(distorção). Quando os raios emitidos por um objeto formam um grande ângulo com o eixo óptico, outro tipo é detectado monocromático aberrações - distorção Neste caso, a semelhança geométrica entre o objeto e a imagem é violada. A razão é que na realidade a ampliação linear dada pela lente depende do ângulo de incidência dos raios. Como resultado, a imagem da grade quadrada assume travesseiro-, ou em forma de barril vista (Fig. 23.12).

Para combater a distorção, um sistema de lentes com distorção oposta é selecionado.

Arroz. 23.12. Distorção: a - em forma de almofada de alfinetes, b - em forma de barril

4. Aberração cromática manifesta-se no fato de que um feixe de luz branca que emana de um ponto dá sua imagem na forma de um círculo de arco-íris, os raios violetas se cruzam mais perto da lente do que os vermelhos (Fig. 23.13).

A causa da aberração cromática é a dependência do índice de refração de uma substância no comprimento de onda da luz incidente (dispersão). Para corrigir essa aberração óptica, são utilizadas lentes feitas de vidros com diferentes dispersões (acromáticas, apocromáticas).

Arroz. 23.13. Aberração cromática

23,5. Conceitos e fórmulas básicas

Continuação da tabela

Fim da mesa

23.6. Tarefas

1. Por que as bolhas de ar brilham na água?

Responder: devido ao reflexo da luz na interface água-ar.

2. Por que uma colher parece alargada em um copo d'água de paredes finas?

Responder: A água no copo atua como uma lente coletora cilíndrica. Vemos uma imagem imaginária ampliada.

3. A potência óptica da lente é de 3 dioptrias. Qual é a distância focal da lente? Expresse a resposta em cm.

Solução

D = 1/f, f = 1/D = 1/3 = 0,33m. Responder: f = 33 cm.

4. As distâncias focais das duas lentes são iguais, respectivamente: f = +40 cm, f 2 = -40 cm Encontre suas potências ópticas.

6. Como você pode determinar a distância focal de uma lente convergente em tempo claro?

Solução

A distância do Sol à Terra é tão grande que todos os raios incidentes na lente são paralelos entre si. Se você obtiver uma imagem do Sol na tela, a distância da lente à tela será igual à distância focal.

7. Para uma lente com distância focal de 20 cm, encontre a distância ao objeto na qual o tamanho linear da imagem real será: a) duas vezes o tamanho do objeto; b) igual ao tamanho do objeto; c) metade do tamanho do objeto.

8. A potência óptica da lente para uma pessoa com visão normal é de 25 dioptrias. Índice de refração 1.4. Calcule os raios de curvatura da lente se for conhecido que um raio de curvatura é 2 vezes maior que o outro.

O ângulo limite de reflexão total é o ângulo de incidência da luz na interface entre dois meios, correspondendo a um ângulo de refração de 90 graus.

A fibra óptica é um ramo da óptica que estuda os fenômenos físicos que surgem e ocorrem nas fibras ópticas.

4. Propagação de ondas num meio opticamente não homogéneo. Explicação da curvatura dos raios. Miragens. Refração astronômica. Meio não homogêneo para ondas de rádio.

Miragem é um fenômeno óptico na atmosfera: o reflexo da luz por uma fronteira entre camadas de ar que apresentam densidades nitidamente diferentes. Para um observador, tal reflexão significa que junto com um objeto distante (ou parte do céu), sua imagem virtual é visível, deslocada em relação ao objeto. As miragens são divididas em inferiores, visíveis sob o objeto, superiores, acima do objeto e laterais.

Miragem Inferior

É observado com um gradiente vertical de temperatura muito grande (diminui com a altura) sobre uma superfície plana superaquecida, geralmente um deserto ou uma estrada de asfalto. A imagem virtual do céu cria a ilusão de água na superfície. Portanto, a estrada que se estende ao longe em um dia quente de verão parece molhada.

Miragem Superior

Observado acima da superfície fria da Terra com distribuição de temperatura invertida (aumenta com a altura).

Fata Morgana

Fenômenos complexos de miragem com uma forte distorção da aparência dos objetos são chamados de Fata Morgana.

Miragem de volume

Nas montanhas, muito raramente, sob certas condições, você pode ver o “eu distorcido” a uma distância bastante próxima. Este fenômeno é explicado pela presença de vapor d’água “parado” no ar.

A refração astronômica é o fenômeno da refração dos raios de luz dos corpos celestes ao passar pela atmosfera. Como a densidade das atmosferas planetárias sempre diminui com a altitude, a refração da luz ocorre de tal forma que a convexidade do raio curvo em todos os casos é direcionado para o zênite. A este respeito, a refração sempre “eleva” as imagens dos corpos celestes acima de sua verdadeira posição

A refração causa uma série de efeitos óptico-atmosféricos na Terra: ampliação duração do dia devido ao fato de que o disco solar, devido à refração, se eleva acima do horizonte vários minutos antes do momento em que o Sol deveria ter nascido com base em considerações geométricas; o achatamento dos discos visíveis da Lua e do Sol perto do horizonte devido ao fato de que a borda inferior dos discos sobe mais alto por refração do que a superior; brilho das estrelas, etc. Devido à diferença na magnitude da refração dos raios de luz com diferentes comprimentos de onda (os raios azuis e violetas se desviam mais que os vermelhos), ocorre uma coloração aparente dos corpos celestes próximo ao horizonte.

5. O conceito de onda linearmente polarizada. Polarização da luz natural. Radiação não polarizada. Polarizadores dicróicos. Polarizador e analisador de luz. Lei de Malus.

Polarização de onda- o fenômeno de quebra da simetria da distribuição das perturbações em transversal onda (por exemplo, intensidades de campo elétrico e magnético em ondas eletromagnéticas) em relação à direção de sua propagação. EM longitudinal a polarização não pode ocorrer em uma onda, pois as perturbações nesse tipo de onda sempre coincidem com a direção de propagação.

linear - oscilações perturbadoras ocorrem em um plano. Neste caso eles falam sobre “ plano polarizado aceno";

circular - o final do vetor de amplitude descreve um círculo no plano de oscilação. Dependendo do sentido de rotação do vetor, pode haver certo ou esquerda.

A polarização da luz é o processo de ordenação das oscilações do vetor de intensidade do campo elétrico de uma onda de luz quando a luz passa através de certas substâncias (durante a refração) ou quando o fluxo luminoso é refletido.

Um polarizador dicróico contém um filme contendo pelo menos uma substância orgânica dicróica, cujas moléculas ou fragmentos de moléculas possuem uma estrutura plana. Pelo menos parte do filme possui uma estrutura cristalina. Uma substância dicróica tem pelo menos um máximo da curva de absorção espectral nas faixas espectrais de 400 - 700 nm e/ou 200 - 400 nm e 0,7 - 13 μm. Na fabricação de um polarizador, um filme contendo uma substância orgânica dicróica é aplicado ao substrato, um efeito de orientação é aplicado sobre ele e ele é seco. Neste caso, as condições de aplicação do filme e o tipo e magnitude da influência orientadora são escolhidos de forma que o parâmetro de ordem do filme, correspondendo a pelo menos um máximo na curva de absorção espectral na faixa espectral 0,7 - 13 μm, tem um valor de pelo menos 0,8. A estrutura cristalina de pelo menos parte do filme é uma rede cristalina tridimensional formada por moléculas de matéria orgânica dicróica. A faixa espectral do polarizador é expandida e, ao mesmo tempo, melhora suas características de polarização.

A lei de Malus é uma lei física que expressa a dependência da intensidade da luz linearmente polarizada após passar por um polarizador no ângulo entre os planos de polarização da luz incidente e do polarizador.

Onde EU 0 - intensidade da luz incidente no polarizador, EU- intensidade da luz que emerge do polarizador, ok- coeficiente de transparência do polarizador.

6. Fenômeno de Brewster. Fórmulas de Fresnel para o coeficiente de reflexão para ondas cujo vetor elétrico está no plano de incidência e para ondas cujo vetor elétrico é perpendicular ao plano de incidência. Dependência dos coeficientes de reflexão do ângulo de incidência. O grau de polarização das ondas refletidas.

A lei de Brewster é uma lei da óptica que expressa a relação do índice de refração com o ângulo no qual a luz refletida na interface será completamente polarizada em um plano perpendicular ao plano de incidência, e o feixe refratado será parcialmente polarizado no plano de incidência, e a polarização do feixe refratado atinge seu maior valor. É fácil estabelecer que neste caso os raios refletidos e refratados são mutuamente perpendiculares. O ângulo correspondente é chamado de ângulo de Brewster. Lei de Brewster: , Onde n 21 - índice de refração do segundo meio em relação ao primeiro, θ irmão- ângulo de incidência (ângulo de Brewster). As amplitudes das ondas incidente (U inc) e refletida (U ref) na linha KBB estão relacionadas pela relação:

K bv = (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

Através do coeficiente de reflexão de tensão (K U), o KVV é expresso da seguinte forma:

K bv = (1 - K U) / (1 + K U) Com uma carga puramente ativa, o BV é igual a:

K bv = R / ρ em R< ρ или

K bv = ρ / R para R ≥ ρ

onde R é a resistência de carga ativa, ρ é a impedância característica da linha

7. O conceito de interferência luminosa. A adição de duas ondas incoerentes e coerentes cujas linhas de polarização coincidem. Dependência da intensidade da onda resultante na adição de duas ondas coerentes da diferença em suas fases. O conceito de diferença geométrica e óptica nos caminhos das ondas. Condições gerais para observação de máximos e mínimos de interferência.

A interferência luminosa é a adição não linear das intensidades de duas ou mais ondas luminosas. Este fenômeno é acompanhado pela alternância de máximos e mínimos de intensidade no espaço. Sua distribuição é chamada de padrão de interferência. Quando a luz interfere, a energia é redistribuída no espaço.

As ondas e as fontes que as excitam são chamadas de coerentes se a diferença de fase entre as ondas não depender do tempo. As ondas e as fontes que as excitam são chamadas de incoerentes se a diferença de fase entre as ondas muda ao longo do tempo. Fórmula para a diferença:

, Onde , ,

8. Métodos laboratoriais de observação da interferência da luz: experiência de Young, biprisma de Fresnel, espelhos de Fresnel. Cálculo da posição dos máximos e mínimos de interferência.

Experimento de Young - No experimento, um feixe de luz é direcionado para uma tela opaca com duas fendas paralelas, atrás da qual é instalada uma tela de projeção. Este experimento demonstra a interferência da luz, o que é uma prova da teoria das ondas. A peculiaridade das fendas é que sua largura é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz emitida. O efeito da largura do slot na interferência é discutido abaixo.

Se assumirmos que a luz consiste em partículas ( teoria corpuscular da luz), então na tela de projeção podiam-se ver apenas duas faixas paralelas de luz passando pelas fendas da tela. Entre eles, a tela de projeção permaneceria praticamente apagada.

Biprisma de Fresnel - em física - um prisma duplo com ângulos muito pequenos nos vértices.
O biprisma de Fresnel é um dispositivo óptico que permite a formação de duas ondas coerentes a partir de uma fonte de luz, o que permite observar um padrão de interferência estável na tela.
O biprisma de Frenkel serve como meio de provar experimentalmente a natureza ondulatória da luz.

Os espelhos de Fresnel são um dispositivo óptico proposto em 1816 por O. J. Fresnel para observar o fenômeno de interferência de feixes de luz coerentes. O dispositivo consiste em dois espelhos planos I e II, formando um ângulo diédrico que difere de 180° em apenas alguns minutos angulares (ver Fig. 1 no artigo Interferência de Luz). Quando os espelhos são iluminados por uma fonte S, os feixes de raios refletidos nos espelhos podem ser considerados como emanados de fontes coerentes S1 e S2, que são imagens virtuais de S. No espaço onde os feixes se sobrepõem, ocorre interferência. Se a fonte S for linear (fenda) e paralela à borda dos fótons, então, quando iluminada com luz monocromática, um padrão de interferência na forma de faixas escuras e claras igualmente espaçadas paralelas à fenda é observado na tela M, que pode ser instalado em qualquer lugar na área de sobreposição das vigas. A distância entre as listras pode ser usada para determinar o comprimento de onda da luz. Experimentos realizados com fótons foram uma das provas decisivas da natureza ondulatória da luz.

9. Interferência da luz em filmes finos. Condições para a formação de faixas claras e escuras na luz refletida e transmitida.

10. Faixas de igual inclinação e faixas de igual espessura. Anéis de interferência de Newton. Raios de anéis claros e escuros.

11. Interferência de luz em filmes finos com incidência normal de luz. Revestimento de instrumentos ópticos.

12. Interferômetros ópticos de Michelson e Jamin. Determinação do índice de refração de uma substância por meio de interferômetros de dois feixes.

13. O conceito de interferência multifeixe de luz. Interferômetro Fabry-Perot. A adição de um número finito de ondas de amplitudes iguais, cujas fases formam uma progressão aritmética. Dependência da intensidade da onda resultante da diferença de fase das ondas interferentes. A condição para a formação dos máximos e mínimos principais de interferência. A natureza do padrão de interferência multifeixe.

14. O conceito de difração de ondas. Parâmetro de onda e limites de aplicabilidade das leis da óptica geométrica. Princípio de Huygens-Fresnel.

15. Método da zona de Fresnel e prova de propagação retilínea da luz.

16. Difração de Fresnel por furo redondo. Raios das zonas de Fresnel para uma frente de onda esférica e plana.

17. Difração da luz em um disco opaco. Cálculo da área das zonas de Fresnel.

18. O problema de aumentar a amplitude de uma onda ao passar por um buraco redondo. Placas de zona de amplitude e fase. Focagem e placas de zona. Lente de focagem como caso limite de uma placa de zona de fase escalonada. Zoneamento de lentes.

Se n 1 >n 2 então >α, ou seja, se a luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso, então o ângulo de refração é maior que o ângulo de incidência (Fig. 3)

Limite o ângulo de incidência. Se α=α p,=90˚ e o feixe deslizará ao longo da interface ar-água.

Se α’>α p, então a luz não passará para o segundo meio transparente, porque será completamente refletido. Este fenômeno é chamado reflexo completo da luz. O ângulo de incidência αn, no qual o feixe refratado desliza ao longo da interface entre os meios, é denominado ângulo limite de reflexão total.

A reflexão total pode ser observada em um prisma de vidro retangular isósceles (Fig. 4), muito utilizado em periscópios, binóculos, refratômetros, etc.

a) A luz incide perpendicularmente à primeira face e portanto não sofre refração aqui (α=0 e =0). O ângulo de incidência na segunda face é α=45˚, ou seja,>α p, (para vidro α p =42˚). Portanto, a luz é completamente refletida nesta face. Este é um prisma giratório que gira o feixe 90˚.

b) Neste caso, a luz dentro do prisma sofre dupla reflexão total. Este também é um prisma giratório que gira o feixe 180˚.

c) Neste caso o prisma já está invertido. Quando os raios saem do prisma, eles são paralelos aos incidentes, mas o raio incidente superior torna-se o inferior e o inferior torna-se o superior.

O fenômeno da reflexão total encontrou ampla aplicação técnica em guias de luz.

O guia de luz é um grande número de filamentos finos de vidro, cujo diâmetro é de cerca de 20 mícrons e o comprimento de cada um é de cerca de 1 m. Esses fios são paralelos entre si e localizados próximos (Fig. 5)

Cada fio é cercado por uma fina camada de vidro, cujo índice de refração é inferior ao do próprio fio. O guia de luz tem duas extremidades; as posições relativas das extremidades dos fios em ambas as extremidades do guia de luz são estritamente as mesmas.

Se você colocar um objeto em uma extremidade do guia de luz e iluminá-lo, uma imagem desse objeto aparecerá na outra extremidade do guia de luz.

A imagem é obtida devido ao fato de a luz de alguma pequena área do objeto entrar na extremidade de cada um dos fios. Experimentando muitas reflexões totais, a luz emerge da extremidade oposta do fio, transmitindo a reflexão para uma determinada pequena área do objeto.

Porque a disposição dos fios entre si é estritamente a mesma, então a imagem correspondente do objeto aparece na outra extremidade. A clareza da imagem depende do diâmetro dos fios. Quanto menor o diâmetro de cada fio, mais nítida será a imagem do objeto. As perdas de energia luminosa ao longo do caminho de um feixe de luz são geralmente relativamente pequenas em feixes (fibras), uma vez que com reflexão total o coeficiente de reflexão é relativamente alto (~0,9999). Perda de energia são causadas principalmente pela absorção de luz pela substância dentro da fibra.

Por exemplo, na parte visível do espectro em uma fibra de 1 m de comprimento, 30-70% da energia é perdida (mas em feixe).

Portanto, para transmitir grandes fluxos de luz e manter a flexibilidade do sistema condutor de luz, as fibras individuais são coletadas em feixes (feixes) - guias de luz

Os guias de luz são amplamente utilizados na medicina para iluminar cavidades internas com luz fria e transmitir imagens. Endoscópio– um dispositivo especial para examinar cavidades internas (estômago, reto, etc.). Usando guias de luz, a radiação laser é transmitida para efeitos terapêuticos em tumores. E a retina humana é um sistema de fibra óptica altamente organizado que consiste em ~ 130x10 8 fibras.

Reflexão interna total

Reflexão interna- o fenômeno de reflexão de ondas eletromagnéticas a partir da interface entre dois meios transparentes, desde que a onda incida em um meio com maior índice de refração.

Reflexão interna incompleta- reflexão interna, desde que o ângulo de incidência seja inferior ao ângulo crítico. Neste caso, o feixe se divide em refratado e refletido.

Reflexão interna total- reflexão interna, desde que o ângulo de incidência ultrapasse um determinado ângulo crítico. Neste caso, a onda incidente é totalmente refletida e o valor do coeficiente de reflexão ultrapassa seus valores mais elevados para superfícies polidas. Além disso, a refletância da reflexão interna total é independente do comprimento de onda.

Este fenômeno óptico é observado para uma ampla gama de radiação eletromagnética, incluindo a faixa de raios X.

No quadro da óptica geométrica, a explicação do fenómeno é trivial: com base na lei de Snell e tendo em conta que o ângulo de refracção não pode ultrapassar 90°, obtemos que num ângulo de incidência cujo seno é maior que a razão do índice de refração menor para o coeficiente maior, a onda eletromagnética deve ser completamente refletida no primeiro meio.

De acordo com a teoria ondulatória do fenômeno, a onda eletromagnética ainda penetra no segundo meio - ali se propaga a chamada “onda não uniforme”, que decai exponencialmente e não carrega energia consigo. A profundidade característica de penetração de uma onda não homogênea no segundo meio é da ordem do comprimento de onda.

Reflexão interna total da luz

Consideremos a reflexão interna usando o exemplo de dois raios monocromáticos incidentes na interface entre dois meios. Os raios caem de uma zona de meio mais denso (indicado em azul mais escuro) com índice de refração até a fronteira com um meio menos denso (indicado em azul claro) com índice de refração.

O feixe vermelho cai em um ângulo , isto é, na fronteira da mídia ele se bifurca - é parcialmente refratado e parcialmente refletido. Parte do feixe é refratada em um ângulo.

O feixe verde cai e é completamente refletido src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Reflexão interna total na natureza e na tecnologia

Reflexão de raios X

A refração dos raios X na incidência rasante foi formulada pela primeira vez por M. A. Kumakhov, que desenvolveu o espelho de raios X, e teoricamente fundamentada por Arthur Compton em 1923.

Outros fenômenos ondulatórios

A demonstração da refração e, portanto, do efeito da reflexão interna total, é possível, por exemplo, para ondas sonoras na superfície e na espessura de um líquido durante a transição entre zonas de diferentes viscosidades ou densidades.

Fenômenos semelhantes ao efeito de reflexão interna total da radiação eletromagnética são observados para feixes de nêutrons lentos.

Se uma onda polarizada verticalmente incide na interface no ângulo de Brewster, então o efeito de refração completa será observado - não haverá onda refletida.

Notas

Fundação Wikimedia. 2010.

• Respiração completa
• Mudança completa

Veja o que é “Reflexão interna total” em outros dicionários:

REFLEXÃO INTERNA TOTAL- reflexão el. revista. radiação (em particular, luz) quando incide na interface entre dois meios transparentes de um meio com alto índice de refração. P.v. Ó. ocorre quando o ângulo de incidência i excede um certo ângulo limite (crítico)... Enciclopédia física

Reflexão interna total- Reflexão interna total. Quando a luz passa de um meio com n1 > n2, ocorre reflexão interna total se o ângulo de incidência a2 > apr; no ângulo de incidência a1 Dicionário Enciclopédico Ilustrado

Reflexão interna total- reflexão da radiação óptica (ver radiação óptica) (luz) ou radiação eletromagnética de outra faixa (por exemplo, ondas de rádio) quando incide na interface de dois meios transparentes de um meio com alto índice de refração... ... Grande Enciclopédia Soviética

REFLEXÃO INTERNA TOTAL- ondas eletromagnéticas, ocorrem quando passam de um meio com grande índice de refração n1 para um meio com menor índice de refração n2 em um ângulo de incidência a superior ao ângulo limite apr, determinado pela razão sinapr=n2/n1. Completo... ... Enciclopédia moderna

REFLEXÃO INTERNA TOTAL- REFLEXÃO INTERNA COMPLETA, REFLEXÃO sem REFRAÇÃO da luz no limite. Quando a luz passa de um meio mais denso (por exemplo, vidro) para um meio menos denso (água ou ar), existe uma zona de ângulos de refração na qual a luz não passa pela fronteira... Dicionário enciclopédico científico e técnico

reflexão interna total- Reflexão da luz a partir de um meio opticamente menos denso com retorno completo ao meio de onde incide. [Coleção de termos recomendados. Edição 79. Óptica física. Academia de Ciências da URSS. Comitê de Terminologia Científica e Técnica. 1970] Tópicos… … Guia do Tradutor Técnico

REFLEXÃO INTERNA TOTAL- as ondas eletromagnéticas ocorrem quando incidem obliquamente na interface entre 2 meios, quando a radiação passa de um meio com grande índice de refração n1 para um meio com índice de refração menor n2, e o ângulo de incidência i excede o ângulo limite. . ... Grande Dicionário Enciclopédico

reflexão interna total- ondas eletromagnéticas, ocorrem com incidência oblíqua na interface entre 2 meios, quando a radiação passa de um meio com grande índice de refração n1 para um meio com menor índice de refração n2, e o ângulo de incidência i excede o ângulo limite ipr.. . dicionário enciclopédico