Десятый класс
  1. Механика  1.1. Динамика  1.1.1. Движение в одном измерении  1.1.2. Движение в двух измерениях  1.1.3. Смещение и расстояние  1.1.4. Скорость и Вектор  1.1.5. Ускорение  1.1.6. Графическое представление движения  1.1.7. Equations of motion  1.1.8. Свободное падение и ускорение свободного падения  1.1.9. Движение тела, брошенного под углом к горизонту  1.1.10. Относительная скорость  1.2. Динамика  1.2.1. Законы движения Ньютона  1.2.2. Инерция и масса  1.2.3. Сила и ее виды  1.2.4. Сила действия и противодействия  1.2.5. Friction and its effects  1.2.6. Коэффициент трения  1.2.7. Круговое движение  1.2.8. Центростремительная сила и центростремительное ускорение  1.2.9. Импульс и количество движения  1.2.10. Conservation of momentum  1.2.11. Третий закон Ньютона и его применения  1.3. Работа, энергия и мощность  1.3.1. Работа, совершаемая силой  1.3.2. Теорема о работе и энергии  1.3.3. Кинетическая энергия  1.3.4. Потенциальная энергия  1.3.5. Mechanical energy  1.3.6. Сохранение энергии  1.3.7. Мощность и эффективность  1.3.8. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии  1.4. Гравитационная сила  1.4.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.4.2. Гравитационное поле и напряженность поля  1.4.3. Ускорение свободного падения на разных планетах  1.4.4. Законы движения планет Кеплера  1.4.5. Orbits and satellites  1.4.6. Вес и кажущийся вес  1.4.7. Гравитационная потенциальная энергия
  2. Свойства материи  2.1. States of matter  2.1.1. Твердое, жидкое и газообразное  2.1.2. Molecular structure of matter  2.1.3. Межмолекулярные силы  2.1.4. Плазма и конденсат Бозе–Эйнштейна  2.2. Давление  2.2.1. Определение давления  2.2.2. Pressure in liquids  2.2.3. Атмосферное давление  2.2.4. Принцип Паскаля  2.2.5. Принцип Архимеда и плавучесть  2.2.6. Поверхностное натяжение и капиллярность  2.3. Эластичность  2.3.1. Закон Гука  2.3.2. Stress and strain  2.3.3. Предел упругости и модуль упругости  2.3.4. Применения упругости
  3. Thermal physics  3.1. тепло и температура  3.1.1. Difference Between Heat and Temperature  3.1.2. Температурная шкала  3.1.3. Тепловое расширение  3.1.4. Тепловое равновесие  3.2. Теплопередача  3.2.1. Проводимость  3.2.2. Конвекция  3.2.3. Излучение  3.2.4. Insulation and its applications  3.3. Тепловые свойства вещества  3.3.1. Удельная теплоемкость  3.3.2. Скрытая теплота и фазовые переходы  3.3.3. Boiling and Melting Point  3.3.4. Тепловые двигатели и холодильные установки  3.4. Законы термодинамики  3.4.1. Нулевой закон термодинамики  3.4.2. Первый закон термодинамики  3.4.3. Второй закон термодинамики  3.4.4. Цикл Карно
  4. Волны и оптика  4.1. Природа и свойства волн  4.1.1. Типы волн в природе и свойства волн  4.1.2. Поперечные и продольные волны  4.1.3. Параметры волн  4.1.4. Отражение и преломление волн  4.1.5. Суперпозиция и интерференция  4.1.6. Стоячие волны и резонанс  4.1.7. Эффект Доплера  4.2. Звуковые волны  4.2.1. Характеристики звуковых волн  4.2.2. Скорость звука в разных средах  4.2.3. Применение звуковых волн  4.2.4. Ультразвук и его использование  4.3. Light Waves and Optics  4.3.1. Природа света  4.3.2. Отражение света  4.3.3. Laws of reflection  4.3.4. Mirrors and Image Formation  4.3.5. Преломление света  4.3.6. Закон Снелла  4.3.7. Линзы и образование изображения  4.3.8. Полное внутреннее отражение и критический угол  4.3.9. Оптическое волокно  4.4. Оптические приборы  4.4.1. Microscope  4.4.2. Телескоп  4.4.3. Человеческий глаз и дефекты зрения  4.4.4. Камера и принцип ее работы
  5. Электричество и магнетизм  5.1. Электростатика  5.1.1. Электрический заряд и его свойства  5.1.2. Проводники и изоляторы  5.1.3. Coulomb's law  5.1.4. Электрическое поле и линии поля  5.1.5. Electric potential and potential difference  5.1.6. Конденсаторы и емкость  5.2. Ток электричества  5.2.1. Electric current and its measurement  5.2.2. Закон Ома  5.2.3. Сопротивление и удельное сопротивление  5.2.4. Последовательные и параллельные цепи  5.2.5. Электрическая энергия и мощность  5.2.6. Законы Кирхгофа  5.3. Магнетизм и электромагнетизм  5.3.1. Магнитное поле и линии поля  5.3.2. Магнитные эффекты электрического тока  5.3.3. Электромагнитная индукция  5.3.4. Законы электромагнитной индукции Фарадея  5.3.5. Трансформаторы и их применение  5.3.6. AC and DC current
  6. Современная физика  6.1. Nuclear physics  6.1.1. Структура атома  6.1.2. Атомная модель Бора  6.1.3. Энергетические уровни электронов  6.1.4. Рентгеновские лучи и их применение  6.2. Радиоактивность  6.2.1. Виды радиации  6.2.2. Half-life and radioactive decay  6.2.3. Ядерные реакции и их применения  6.2.4. Деление и Синтез  6.3. Quantum physics  6.3.1. Дуализм волна-частица  6.3.2. Photoelectric effect  6.3.3. Квантизация энергии  6.3.4. Принцип неопределённости Гейзенберга
  7. Электроника и связь  7.1. Полупроводники  7.1.1. Проводники, изоляторы и полупроводники  7.1.2. Диоды и их применение  7.1.3. Транзисторы и логические элементы  7.1.4. Светодиоды и фотодиоды  7.2. Системы Коммуникации  7.2.1. Основы коммуникации  7.2.2. Аналоговые и цифровые сигналы  7.2.3. Беспроводная связь и оптоволоконная связь  7.2.4. Радиоволны и модуляция

Десятый класс → Волны и оптика → Light Waves and Optics ↓


Полное внутреннее отражение и критический угол


Свет является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Он помогает нам видеть окружающий мир, и его поведение описывается в физике как оптика. Два интересных явления, связанных с поведением света, — это полное внутреннее отражение (ПВО) и критический угол.

Понимание преломления

Прежде чем углубляться в полное внутреннее отражение и критический угол, важно понять преломление. Преломление — это изгиб света при переходе из одной среды в другую со разными плотностями, например, из воздуха в воду. Когда свет входит в более плотную среду, он замедляется и изгибается к перпендикуляру (воображаемой линии, перпендикулярной границе двух сред). Когда он проходит из более плотной среды в менее плотную, он ускоряется и изгибается от перпендикуляра.

Закон Снелла

Преломление света подчиняется принципу, называемому законом Снелла. Закон Снелла можно выразить математически следующим образом:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

Где:

  • n1 — показатель преломления первой среды.
  • θ1 — угол падения (угол между падающим лучом и перпендикуляром).
  • n2 — показатель преломления второй среды.
  • θ2 — угол преломления (угол между преломленным лучом и перпендикуляром).

Визуализация преломления

Чтобы понять, как свет изгибается при преломлении, представьте луч света, входящий в воду из воздуха. Показатель преломления воздуха составляет примерно 1, а показатель преломления воды — около 1,33. Когда свет попадает на поверхность воды, он замедляется и изгибается к перпендикуляру. Этот эффект можно продемонстрировать на следующем примере:

Вода Воздух падающий луч Преломленный луч

Полное внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение происходит, когда свет пытается перейти из более плотной среды в менее плотную под высоким углом падения. Вместо преломления свет полностью отражается обратно в более плотную среду. Это явление может произойти только при переходе света из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, например, из воды в воздух.

Критический угол

Критический угол — это угол падения в более плотной среде, при котором угол преломления в менее плотной среде становится 90 градусов. При этом угле преломленный луч проходит по границе, едва касаясь интерфейса между двумя средами. Формула критического угла θc может быть получена из закона Снелла:

θc = arcsin(n2 / n1)

где n1 — показатель преломления более плотной среды, а n2 — показатель преломления менее плотной среды.

Практические примеры полного внутреннего отражения и критического угла

Один из наиболее известных практических примеров полного внутреннего отражения — это оптоволокно. Эти кабели широко используются в коммуникационных технологиях. В этих кабелях свет удерживается внутри кабеля благодаря ПВО, что позволяет ему проходить большие расстояния, не выходя из кабеля.

Миражи — еще один пример. Когда свет проходит сквозь слои воздуха с различной температурой, он может изгибаться (из-за разных показателей преломления) и создавать иллюзию. В жаркие дни земля нагревает воздух над ней, создавая температурный градиент. Световые лучи, приходящие с неба, изгибаются таким образом, будто они исходят с поверхности, создавая мираж, пример ПВО в естественных условиях.

Визуализация полного внутреннего отражения

Рассмотрите луч света в стеклянной призме. Когда он приближается к границе между стеклом и воздухом под острым углом падения (больше критического угла), он полностью отражается обратно в стекло, а не преломляется. Эта ситуация может быть визуально представлена следующим образом:

падающий луч Отраженный луч стекло Воздух

Формулы и расчеты

В то время как качественное понимание ПВО и критического угла имеет важное значение, иногда расчеты помогают уточнить эти концепции. Например, допустим, мы знаем, что показатель преломления воды составляет примерно 1,33, а воздуха — 1. Используя формулу для критического угла:

θc = arcsin(1 / 1.33) ≈ 48.75°

Этот расчет показывает, что если свет в воде падает на поверхность под углом больше 48,75 градусов, он будет полностью отражен обратно в воду, а не преломлен в воздух.

Применение в реальной жизни

Оптоволокно: Используется в телекоммуникациях и интернет-соединениях. Путем отражения света внутри стеклянного или пластикового сердечника они могут эффективно передавать информацию на большие расстояния.

Эндоскопы: Медицинские инструменты, использующие ПВО, чтобы позволить врачам осматривать внутренности человеческого тела без инвазивной хирургии.

Перископы: Устройства, использующие зеркала под углом для отражения светового пути, позволяя вам видеть объекты выше или вокруг препятствий.

Заключение

Полное внутреннее отражение и критический угол — это увлекательные темы, показывающие уникальные свойства света в разных средах. Они имеют практическое применение в реальном мире и являются важными концепциями в изучении оптики. Понимание этих явлений не только помогает нам оценить науку, стоящую за технологией, но и углубляет наше понимание природы.


Десятый класс → 4.3.8


U
username
0%
завершено в Десятый класс

← Предыдущий (4.3.7)
Линзы и образование изображения
Следующий (4.3.9) →
Оптическое волокно

Комментарии 



Полное внутреннее отражение и критический угол

https://www.physicsflow.com/g10/4.3.8?pfal=ru