Что нужно знать
Полное внутреннее отражение — это явление, при котором свет полностью отражается от границы раздела двух сред и не переходит во вторую среду. Оно возможно только при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например из стекла в воздух. При этом угол падения должен быть больше предельного угла полного внутреннего отражения. Предельный угол — это угол падения, при котором угол преломления равен 90°. Для его определения используют формулу sin(αпр) = n2 / n1, где αпр — предельный угол, n1 и n2 — абсолютные показатели преломления первой и второй сред соответственно (безразмерные величины), причём n1 > n2. При угле падения, превышающем предельный, наблюдается полное внутреннее отражение, а при равном ему преломлённый луч распространяется вдоль границы раздела сред. Примером применения этого явления служат оптоволоконные кабели, в которых свет многократно отражается внутри стеклянного волокна и передаёт информацию. Типичная ошибка учеников — считать, что полное внутреннее отражение возможно при переходе света из воздуха в стекло или при любом угле падения.
Тест: 12 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют полным внутренним отражением света?
- Полное отражение света от границы раздела сред без перехода света во вторую среду
- Возвращение света от поверхности в исходную среду с частичным преломлением
- Поглощение света на границе раздела двух прозрачных сред
- Изменение направления света при переходе из одной среды в другую
При полном внутреннем отражении свет полностью возвращается в первую среду, а преломлённый луч во вторую среду не проходит.
2. При каком условии возможно полное внутреннее отражение?
- Показатели преломления обеих сред одинаковы
- Свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, а угол падения больше предельного
- Свет падает перпендикулярно границе раздела двух сред
- Свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную
Полное внутреннее отражение возможно только при переходе из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления и при превышении предельного угла.
3. Как называется угол падения, при котором угол преломления равен 90°?
- Угол полного отражения
- Угол отражения
- Предельный угол полного внутреннего отражения
- Угол отклонения
При предельном угле преломлённый луч идёт вдоль границы раздела сред, то есть угол преломления равен 90°.
4. Какова единица измерения показателя преломления света в СИ?
- Секунда
- Метр
- Радиан
- Показатель преломления является безразмерной величиной
Показатель преломления определяется отношением скоростей света в вакууме и среде, поэтому единицы измерения сокращаются.
5. В каком направлении должен распространяться свет, чтобы возникло полное внутреннее отражение?
- Из стекла в воздух
- Из воздуха в воду
- Из вакуума в воздух
- Из воздуха в стекло
Показатель преломления стекла больше показателя преломления воздуха, поэтому при переходе из стекла в воздух возможно полное внутреннее отражение.
6. Показатель преломления стекла равен 1,5, а воздуха — 1. Чему равен синус предельного угла полного внутреннего отражения при переходе из стекла в воздух?
Используем формулу sin(αпр) = n2 / n1. Получаем sin(αпр) = 1 / 1,5 ≈ 0,67.
7. Предельный угол полного внутреннего отражения для некоторой пары сред равен 30°. Какое явление произойдёт, если угол падения равен 45°?
- Свет полностью поглотится
- Только преломление света
- Полное внутреннее отражение
- Преломление под углом 90°
Угол падения 45° больше предельного угла 30°, поэтому свет полностью отражается обратно в первую среду.
8. Синус предельного угла полного внутреннего отражения равен 0,5. Показатель преломления второй среды равен 1. Чему равен показатель преломления первой среды?
Из формулы sin(αпр) = n2 / n1 получаем n1 = n2 / sin(αпр) = 1 / 0,5 = 2.
9. Почему в оптоволоконном кабеле свет может распространяться на большие расстояния внутри стеклянного волокна?
- Потому что свет многократно испытывает полное внутреннее отражение
- Потому что скорость света внутри волокна становится бесконечной
- Потому что свет постоянно преломляется в воздух
- Потому что стекло полностью поглощает свет
Свет отражается от границы сердцевины волокна и внешней оболочки, оставаясь внутри волокна и распространяясь вдоль него.
10. Показатель преломления первой среды равен 2, а второй — 1. Чему равен предельный угол полного внутреннего отражения?
sin(αпр) = 1 / 2 = 0,5. Следовательно, αпр = 30°.
11. Что произойдёт, если угол падения света на границу стекла и воздуха равен предельному углу полного внутреннего отражения?
- Свет полностью отражается, а преломлённый луч отсутствует
- Свет полностью проходит во вторую среду перпендикулярно границе
- Преломлённый луч распространяется вдоль границы раздела сред
- Свет полностью поглощается границей раздела
При предельном угле угол преломления равен 90°, поэтому преломлённый луч направлен вдоль границы раздела. Полное внутреннее отражение возникает при угле падения строго больше предельного.
12. Предельный угол полного внутреннего отражения при переходе из некоторой прозрачной среды в воздух равен 45°. Чему приблизительно равен показатель преломления этой среды, если показатель преломления воздуха принять равным 1?
Используем формулу sin(αпр) = n2 / n1. Тогда n1 = 1 / sin(45°) = 1 / 0,707 ≈ 1,41. Ближайший вариант ответа — 1,4.