วิธีหามุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมด จำกัด มุมของการสะท้อนทั้งหมด

การสะท้อนภายในทั้งหมด

การสะท้อนภายใน- ปรากฏการณ์การสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางโปร่งใสสองตัว โดยมีเงื่อนไขว่าคลื่นตกจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่า

การสะท้อนภายในที่ไม่สมบูรณ์- การสะท้อนภายใน โดยที่มุมตกกระทบน้อยกว่ามุมวิกฤต ในกรณีนี้ ลำแสงจะแตกออกเป็นส่วนที่หักเหและสะท้อนกลับ

การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนภายในโดยที่มุมตกกระทบเกินมุมวิกฤตที่แน่นอน ในกรณีนี้ คลื่นที่ตกกระทบจะสะท้อนออกมาอย่างสมบูรณ์ และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะเกินค่าสูงสุดสำหรับพื้นผิวที่ขัดเงา นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสำหรับการสะท้อนภายในทั้งหมดไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

ปรากฏการณ์ทางแสงนี้สังเกตได้จากสเปกตรัมกว้างของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึงช่วงรังสีเอกซ์

ภายในกรอบของทัศนศาสตร์ทางเรขาคณิต คำอธิบายของปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องเล็กน้อย: ตามกฎของสเนลล์และคำนึงว่ามุมหักเหต้องไม่เกิน 90 ° เราได้รับค่านั้นที่มุมตกกระทบซึ่งไซน์มากกว่าอัตราส่วนของ ดัชนีการหักเหของแสงที่เล็กกว่าถึงค่าสัมประสิทธิ์ที่ใหญ่ขึ้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรสะท้อนเข้าสู่ตัวกลางตัวแรกอย่างสมบูรณ์

ตามทฤษฎีคลื่นของปรากฏการณ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงแทรกซึมเข้าไปในตัวกลางที่สองซึ่งเรียกว่า "คลื่นที่ไม่สม่ำเสมอ" ซึ่งแพร่กระจายไปที่นั่นซึ่งจะสลายตัวแบบทวีคูณและไม่นำพาพลังงานไปด้วย ลักษณะเฉพาะของความลึกของการซึมผ่านของคลื่นที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในตัวกลางที่สองนั้นเป็นไปตามลำดับของความยาวคลื่น

การสะท้อนแสงภายในทั้งหมด

พิจารณาการสะท้อนภายในโดยใช้ตัวอย่างของรังสีเอกรงค์สองสีที่ตกกระทบบนส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัว รังสีตกจากโซนของตัวกลางที่หนาแน่นกว่า (ระบุด้วยสีน้ำเงินเข้มกว่า) ที่มีดัชนีการหักเหของแสงไปยังขอบเขตที่มีตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (ระบุด้วยสีน้ำเงินอ่อน) ที่มีดัชนีการหักเหของแสง

ลำแสงสีแดงตกลงมาเป็นมุม นั่นคือที่ขอบเขตของสื่อ มันแยกไปสองทาง - มันหักเหบางส่วนและสะท้อนบางส่วน ลำแสงบางส่วนหักเหเป็นมุม

ลำแสงสีเขียวตกลงและสะท้อนกลับอย่างสมบูรณ์

การสะท้อนภายในโดยรวมของธรรมชาติและเทคโนโลยี

การสะท้อนของรังสีเอกซ์

การหักเหของรังสีเอกซ์ในอุบัติการณ์การเล็มหญ้าเกิดขึ้นครั้งแรกโดย M. A. Kumakhov ผู้พัฒนากระจกรังสีเอกซ์ และพิสูจน์ในทางทฤษฎีโดย Arthur Compton ในปี 1923

ปรากฏการณ์คลื่นอื่นๆ

การสาธิตการหักเหของแสงและเป็นผลของการสะท้อนกลับทั้งหมดเป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น สำหรับคลื่นเสียงบนพื้นผิวและในกลุ่มของของเหลวในระหว่างการเปลี่ยนผ่านระหว่างโซนที่มีความหนืดหรือความหนาแน่นต่างกัน

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกับผลของการสะท้อนภายในทั้งหมดของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้านั้นสังเกตได้จากลำแสงของนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้า

หากคลื่นโพลาไรซ์ในแนวตั้งตกลงบนส่วนต่อประสานที่มุมบรูว์สเตอร์ ผลของการหักเหที่สมบูรณ์จะถูกสังเกต - จะไม่มีคลื่นสะท้อนกลับ

หมายเหตุ

มูลนิธิวิกิมีเดีย 2553 .

• หายใจเข้าเต็มที่
• การเปลี่ยนแปลงที่สมบูรณ์

ดูว่า "การสะท้อนกลับทั้งหมด" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:

การสะท้อนภายในทั้งหมด- อีเมลสะท้อนกลับ ขนาด การแผ่รังสี (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสง) เมื่อตกลงบนส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางโปร่งใสสองตัวจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง เข็มหมุด. เกี่ยวกับ. จะดำเนินการเมื่อมุมตกกระทบ i เกินมุมจำกัด (วิกฤต) ที่แน่นอน ... สารานุกรมกายภาพ

การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนภายในทั้งหมด เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางที่มีค่า n1 > n2 การสะท้อนภายในทั้งหมดจะเกิดขึ้นหากมุมตกกระทบ a2 > apr; ที่มุมตกกระทบ a1 พจนานุกรมสารานุกรมภาพประกอบ

การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนของรังสีออปติก (ดู การแผ่รังสีออปติคัล) (แสง) หรือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงต่างๆ (เช่น คลื่นวิทยุ) เมื่อตกกระทบบนส่วนต่อประสานระหว่างสื่อโปร่งใสสองรายการจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง ..... . สารานุกรมแห่งสหภาพโซเวียตผู้ยิ่งใหญ่

การสะท้อนภายในทั้งหมด- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมันผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง n1 ไปยังตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่า n2 ที่มุมตกกระทบ a เกินมุมจำกัด apr กำหนดโดยอัตราส่วน sinapr=n2/n1 สมบูรณ์… … สารานุกรมสมัยใหม่

การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนภายในทั้งหมด การสะท้อนแสงโดยไม่มีการหักเหของแสงที่ขอบเขต เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า (เช่น แก้ว) ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (น้ำหรืออากาศ) จะมีโซนของมุมหักเหที่แสงไม่ผ่านขอบเขต ... พจนานุกรมสารานุกรมทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค

การสะท้อนภายในทั้งหมด- การสะท้อนของแสงจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางแสงและกลับคืนสู่ตัวกลางที่ตกกระทบอย่างสมบูรณ์ [รวบรวมศัพท์แนะนำ. ปัญหา 79. กายภาพ. สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสหภาพโซเวียต คณะกรรมการคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค 2513] หัวข้อ…… คู่มือนักแปลทางเทคนิค

การสะท้อนภายในทั้งหมด- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อพวกมันตกลงบนส่วนต่อประสานระหว่าง 2 ตัวกลาง เมื่อรังสีผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหสูง n1 ไปยังตัวกลางที่มีดัชนีหักเหต่ำ n2 และมุมตกกระทบ ผม เกินมุมจำกัด ... ... พจนานุกรมสารานุกรมเล่มใหญ่

การสะท้อนภายในทั้งหมด- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า, เกิดขึ้นกับการเอียงบนส่วนต่อประสานระหว่าง 2 สื่อ, เมื่อรังสีผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง n1 ไปยังตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่า n2, และมุมตกกระทบ ผม เกินมุมจำกัด ipr .. . พจนานุกรมสารานุกรม

ก่อนอื่นมาเพ้อฝันกันสักหน่อย ลองนึกภาพวันในฤดูร้อนก่อนคริสต์ศักราช ชายโบราณล่าปลาด้วยหอก เขาสังเกตเห็นตำแหน่ง เป้าหมาย และการโจมตีของเธอด้วยเหตุผลบางอย่าง ซึ่งไม่ใช่จุดที่มองเห็นปลาได้เลย พลาด? ไม่ ชาวประมงมีเหยื่ออยู่ในมือ! สิ่งนี้คือบรรพบุรุษของเราเข้าใจหัวข้อที่เราจะศึกษาโดยสังหรณ์ใจ ในชีวิตประจำวัน เราจะเห็นว่าช้อนที่จุ่มลงในแก้วน้ำจะมีลักษณะคดงอ เมื่อเรามองผ่านขวดแก้ว สิ่งของจะมีลักษณะคดเคี้ยว เราจะพิจารณาคำถามเหล่านี้ทั้งหมดในบทเรียนซึ่งมีหัวข้อคือ: "การหักเหของแสง กฎการหักเหของแสง การสะท้อนภายในทั้งหมด

ในบทที่แล้ว เราได้พูดถึงชะตากรรมของรังสีในสองกรณี: จะเกิดอะไรขึ้นหากรังสีของแสงแพร่กระจายในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างโปร่งใส คำตอบที่ถูกต้องคือมันจะกระจายเป็นเส้นตรง และจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อลำแสงตกลงบนส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองสื่อ ในบทเรียนที่แล้วเราได้พูดถึงลำแสงสะท้อน วันนี้เราจะพิจารณาส่วนของลำแสงที่ถูกดูดซับโดยตัวกลาง

ชะตากรรมของลำแสงที่ทะลุทะลวงจากตัวกลางโปร่งแสงตัวแรกไปยังตัวกลางโปร่งแสงตัวที่สองจะเป็นอย่างไร

ข้าว. 1. การหักเหของแสง

หากลำแสงตกลงบนส่วนต่อประสานระหว่างสื่อโปร่งใสสองชิ้น ส่วนหนึ่งของพลังงานแสงจะกลับไปที่สื่อแรก ทำให้เกิดลำแสงสะท้อน ในขณะที่อีกส่วนจะผ่านเข้าสู่สื่อที่สองและตามกฎแล้วจะเปลี่ยนทิศทางของมัน

การเปลี่ยนแปลงทิศทางการแพร่กระจายของแสงในกรณีที่ผ่านอินเทอร์เฟซระหว่างสื่อทั้งสองเรียกว่า การหักเหของแสง(รูปที่ 1)

ข้าว. 2. มุมตกกระทบ การหักเห และการสะท้อน

ในรูปที่ 2 เราเห็นลำแสงตกกระทบ มุมตกกระทบจะแสดงด้วย α ลำแสงที่จะกำหนดทิศทางของลำแสงที่หักเหจะเรียกว่าลำแสงหักเห มุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับส่วนต่อประสานระหว่างสื่อซึ่งคืนค่าจากจุดตกกระทบและลำแสงหักเหเรียกว่ามุมหักเหในรูปนี้คือมุม γ เพื่อให้ภาพสมบูรณ์ เรายังให้ภาพของลำแสงสะท้อนและตามด้วยมุมสะท้อน β อะไรคือความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบและมุมหักเห เป็นไปได้ไหมที่จะทำนาย รู้มุมตกกระทบ และลำแสงผ่านจากตัวกลางใด มุมหักเหจะเป็นอย่างไร ปรากฎว่าคุณทำได้!

เราได้กฎที่อธิบายความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างมุมตกกระทบและมุมหักเห ให้ใช้หลักการของ Huygens ซึ่งควบคุมการแพร่กระจายของคลื่นในตัวกลาง กฎหมายประกอบด้วยสองส่วน

รังสีตกกระทบ รังสีหักเห และเส้นตั้งฉากกลับคืนสู่จุดตกกระทบอยู่ในระนาบเดียวกัน.

อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเป็นค่าคงที่สำหรับตัวกลางสองตัวที่กำหนด และเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วแสงในตัวกลางเหล่านี้

กฎนี้เรียกว่ากฎของ Snell ตามชื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ผู้คิดค้นกฎนี้ขึ้นเป็นคนแรก สาเหตุของการหักเหคือความแตกต่างของความเร็วแสงในตัวกลางต่างๆ คุณสามารถตรวจสอบความถูกต้องของกฎการหักเหของแสงได้โดยทดลองส่งลำแสงไปยังมุมต่างๆ ไปยังส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองตัว และวัดมุมตกกระทบและการหักเหของแสง ถ้าเราเปลี่ยนมุมเหล่านี้ วัดไซน์ และหาอัตราส่วนของไซน์ของมุมเหล่านี้ เราจะมั่นใจว่ากฎการหักเหของแสงนั้นใช้ได้จริง

หลักฐานของกฎการหักเหของแสงโดยใช้หลักการของ Huygens เป็นการยืนยันอีกครั้งถึงลักษณะคลื่นของแสง

ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ n 21 แสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสง V 1 ในตัวกลางแรกแตกต่างจากความเร็วของแสง V 2 ในตัวกลางที่สองกี่เท่า

ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์เป็นการแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความจริงที่ว่าสาเหตุของการเปลี่ยนทิศทางของแสงเมื่อเคลื่อนที่จากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งคือความเร็วแสงที่แตกต่างกันในตัวกลางทั้งสอง คำว่า "ความหนาแน่นเชิงแสงของตัวกลาง" มักใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติทางแสงของตัวกลาง (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. ความหนาแน่นเชิงแสงของตัวกลาง (α > γ)

ถ้าลำแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความเร็วแสงสูงกว่าไปยังตัวกลางที่มีความเร็วแสงต่ำกว่า ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 3 และกฎการหักเหของแสง แสงจะถูกกดลงกับเส้นตั้งฉาก นั่นคือ , มุมหักเหน้อยกว่ามุมตกกระทบ ในกรณีนี้ ลำแสงได้ผ่านจากตัวกลางออปติกที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังตัวกลางออปติกที่มีความหนาแน่นมากกว่า ตัวอย่าง: จากอากาศสู่น้ำ จากน้ำสู่แก้ว

สถานการณ์ย้อนกลับก็เป็นไปได้เช่นกัน: ความเร็วของแสงในตัวกลางแรกน้อยกว่าความเร็วของแสงในตัวกลางที่สอง (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. ความหนาแน่นเชิงแสงของตัวกลาง (α< γ)

จากนั้นมุมหักเหจะมากกว่ามุมตกกระทบ และการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะกล่าวได้ว่าเกิดจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า (จากแก้วเป็นน้ำ)

ความหนาแน่นของแสงของสื่อทั้งสองอาจแตกต่างกันค่อนข้างมาก ดังนั้นสถานการณ์ที่แสดงในภาพถ่าย (รูปที่ 5) จึงเป็นไปได้:

ข้าว. 5. ความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของแสงของสื่อ

ให้ความสนใจกับการเคลื่อนตัวของศีรษะเมื่อเทียบกับร่างกาย ซึ่งอยู่ในของเหลว ในตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงสูงกว่า

อย่างไรก็ตามดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ไม่ได้เป็นลักษณะที่สะดวกเสมอไปเนื่องจากขึ้นอยู่กับความเร็วของแสงในตัวกลางตัวแรกและตัวที่สอง แต่อาจมีการผสมและการรวมกันของสองสื่อ (น้ำ - อากาศ, แก้ว) - เพชร, กลีเซอรีน - แอลกอฮอล์, แก้ว - น้ำ และอื่นๆ). ตารางจะยุ่งยากมาก ไม่สะดวกในการทำงาน จากนั้นจึงมีการแนะนำสภาพแวดล้อมสัมบูรณ์แบบหนึ่ง โดยเปรียบเทียบกับความเร็วแสงในสภาพแวดล้อมอื่นๆ สุญญากาศถูกเลือกให้เป็นค่าสัมบูรณ์ และความเร็วของแสงจะถูกเปรียบเทียบกับความเร็วของแสงในสุญญากาศ

ดัชนีหักเหสัมบูรณ์ของตัวกลาง n- นี่คือค่าที่กำหนดลักษณะความหนาแน่นของแสงของตัวกลางและเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วแสง จากในสุญญากาศถึงความเร็วแสงในตัวกลางที่กำหนด

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์จะสะดวกกว่าในการทำงาน เนื่องจากเราทราบความเร็วของแสงในสุญญากาศอยู่เสมอ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 3·10 8 m/s และเป็นค่าคงที่ทางกายภาพสากล

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ภายนอก ได้แก่ อุณหภูมิ ความหนาแน่น และความยาวคลื่นของแสง ดังนั้น ตารางมักจะระบุดัชนีการหักเหของแสงเฉลี่ยสำหรับช่วงความยาวคลื่นที่กำหนด หากเราเปรียบเทียบดัชนีการหักเหของแสงของอากาศ น้ำ และแก้ว (รูปที่ 6) เราจะเห็นว่าดัชนีการหักเหของแสงของอากาศใกล้เคียงกับเอกภาพ ดังนั้น เราจะใช้มันเป็นหน่วยในการแก้ปัญหา

ข้าว. 6. ตารางดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์สำหรับสื่อต่างๆ

เป็นเรื่องง่ายที่จะได้รับความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์และสัมพัทธ์ของสื่อ

ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ นั่นคือ สำหรับลำแสงที่ผ่านจากตัวกลางที่หนึ่งถึงตัวกลางที่สอง จะเท่ากับอัตราส่วนของดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ในตัวกลางที่สองต่อดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ในตัวกลางแรก

ตัวอย่างเช่น: = ≈ 1,16

หากดัชนีหักเหสัมบูรณ์ของสื่อทั้งสองเกือบจะเหมือนกัน หมายความว่าดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์เมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งจะเท่ากับหนึ่ง นั่นคือ ลำแสงจะไม่หักเหจริง ตัวอย่างเช่น เมื่อผ่านจากน้ำมันโป๊ยกั๊กไปยังอัญมณี เบริลจะไม่เบี่ยงเบนแสง กล่าวคือ เบริลจะทำงานเหมือนเมื่อผ่านน้ำมันโป๊ยกั๊ก เนื่องจากดัชนีการหักเหของแสงคือ 1.56 และ 1.57 ตามลำดับ ดังนั้นพลอยจึงสามารถเป็นได้ วิธีซ่อนตัวในของเหลวก็จะมองไม่เห็น

หากคุณเทน้ำลงในแก้วใสและมองผ่านผนังกระจกเข้าไปในแสง เราจะเห็นพื้นผิวเป็นเงาสีเงินเนื่องจากปรากฏการณ์การสะท้อนภายในทั้งหมด ซึ่งจะกล่าวถึงในตอนนี้ เมื่อลำแสงผ่านจากตัวกลางออปติคอลที่มีความหนาแน่นมากกว่าไปยังตัวกลางออปติคัลที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า สามารถสังเกตเอฟเฟกต์ที่น่าสนใจได้ เพื่อความชัดเจน เราจะถือว่าแสงเดินทางจากน้ำสู่อากาศ สมมติว่ามีจุดกำเนิดแสง S อยู่ที่ระดับความลึกของอ่างเก็บน้ำ โดยปล่อยรังสีออกไปทุกทิศทาง ตัวอย่างเช่น นักประดาน้ำส่องไฟฉาย

ลำแสง SO 1 ตกลงบนพื้นผิวของน้ำในมุมที่เล็กที่สุด ลำแสงนี้หักเหบางส่วน - ลำแสง O 1 A 1 และสะท้อนกลับลงไปในน้ำบางส่วน - ลำแสง O 1 B 1 ดังนั้น พลังงานส่วนหนึ่งของลำแสงที่ตกกระทบจะถูกส่งไปยังลำแสงที่หักเห และพลังงานส่วนที่เหลือจะถูกถ่ายโอนไปยังลำแสงสะท้อน

ข้าว. 7. การสะท้อนภายในทั้งหมด

ลำแสง SO 2 ซึ่งมีมุมตกกระทบมากกว่า ยังแบ่งออกเป็นสองลำแสง: หักเหและสะท้อนกลับ แต่พลังงานของลำแสงเดิมถูกกระจายระหว่างพวกมันในลักษณะที่แตกต่างกัน: ลำแสงหักเห O 2 A 2 จะหรี่ลงกว่า ลำแสง O 1 A 1 นั่นคือจะได้รับพลังงานเพียงเล็กน้อยและลำแสงที่สะท้อน O 2 V 2 ตามลำดับจะสว่างกว่าลำแสง O 1 V 1 นั่นคือจะได้รับส่วนแบ่งที่มากขึ้น พลังงาน. เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น ความสม่ำเสมอเดียวกันจะถูกติดตาม - ส่วนแบ่งพลังงานที่เพิ่มขึ้นของลำแสงตกกระทบจะไปที่ลำแสงสะท้อน และส่วนแบ่งที่น้อยลงไปยังลำแสงหักเห ลำแสงที่หักเหจะหรี่ลงและในบางจุดจะหายไปอย่างสมบูรณ์ การหายไปนี้เกิดขึ้นเมื่อถึงมุมตกกระทบ ซึ่งสอดคล้องกับมุมหักเห 90 0 . ในสถานการณ์นี้ ลำแสงที่หักเห OA จะต้องขนานกับผิวน้ำ แต่ไม่ต้องทำอะไร พลังงานทั้งหมดของลำแสงที่ตกกระทบ SO จะพุ่งไปที่ลำแสงสะท้อน OB โดยธรรมชาติแล้วเมื่อเพิ่มมุมตกกระทบมากขึ้น ลำแสงที่หักเหจะหายไป ปรากฏการณ์ที่อธิบายคือการสะท้อนภายในทั้งหมด นั่นคือตัวกลางแสงที่หนาแน่นกว่าในมุมที่พิจารณาจะไม่ปล่อยรังสีออกจากตัวมันเอง พวกมันทั้งหมดจะสะท้อนอยู่ภายใน มุมที่เกิดปรากฏการณ์นี้เรียกว่า มุมจำกัดของการสะท้อนกลับทั้งหมด

ค่าของมุมจำกัดสามารถหาได้ง่ายจากกฎการหักเหของแสง:

= => = อาร์คซิน สำหรับน้ำ ≈ 49 0

แอปพลิเคชั่นที่น่าสนใจและเป็นที่นิยมที่สุดของปรากฏการณ์การสะท้อนกลับทั้งหมดคือสิ่งที่เรียกว่าท่อนำคลื่นหรือใยแก้วนำแสง นี่คือวิธีการส่งสัญญาณที่บริษัทโทรคมนาคมสมัยใหม่ใช้บนอินเทอร์เน็ต

เราได้รับกฎการหักเหของแสง นำเสนอแนวคิดใหม่ - ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์และสัมบูรณ์ และยังพบปรากฏการณ์ของการสะท้อนกลับทั้งหมดและการใช้งานของมัน เช่น ใยแก้วนำแสง คุณสามารถรวบรวมความรู้ได้โดยการตรวจสอบการทดสอบและเครื่องจำลองที่เกี่ยวข้องในส่วนบทเรียน

เรามาพิสูจน์กฎการหักเหของแสงโดยใช้หลักการของ Huygens กัน สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าสาเหตุของการหักเหคือความแตกต่างของความเร็วแสงในตัวกลางสองตัวที่ต่างกัน ให้เราแสดงความเร็วของแสงในตัวกลางแรก V 1 และในตัวกลางที่สอง - V 2 (รูปที่ 8)

ข้าว. 8. การพิสูจน์กฎการหักเหของแสง

ปล่อยให้คลื่นแสงระนาบตกลงบนส่วนต่อประสานที่เรียบระหว่างตัวกลางสองตัว เช่น จากอากาศสู่น้ำ พื้นผิวคลื่น AC ตั้งฉากกับรังสีและ , ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลาง MN ไปถึงลำแสงก่อน , และลำแสงมาถึงพื้นผิวเดียวกันหลังจากช่วงเวลา ∆t ซึ่งจะเท่ากับเส้นทาง SW หารด้วยความเร็วแสง ในสื่อแรก

ดังนั้นในขณะที่คลื่นทุติยภูมิที่จุด B เริ่มตื่นเต้น คลื่นจากจุด A มีรูปแบบของซีกโลกที่มีรัศมี AD ซึ่งเท่ากับความเร็วแสงในตัวกลางที่สองโดย ∆t: AD = ∆t นั่นคือหลักการของ Huygens ในการแสดงภาพ พื้นผิวคลื่นของคลื่นหักเหสามารถรับได้โดยการวาดพื้นผิวสัมผัสกับคลื่นทุติยภูมิทั้งหมดในสื่อที่สองซึ่งจุดศูนย์กลางอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อในกรณีนี้คือระนาบ BD ซึ่งเป็นซองจดหมายของ คลื่นทุติยภูมิ มุมตกกระทบ α ของลำแสงเท่ากับมุม CAB ในรูปสามเหลี่ยม ABC ด้านหนึ่งของมุมเหล่านี้ตั้งฉากกับด้านของอีกมุมหนึ่ง ดังนั้น SW จะเท่ากับความเร็วแสงในตัวกลางแรกโดย ∆t

CB = ∆t = AB บาป α

ในทางกลับกัน มุมหักเหจะเท่ากับมุม ABD ในรูปสามเหลี่ยม ABD ดังนั้น:

AD = ∆t = AB บาป γ

หารนิพจน์เป็นระยะ ๆ เราได้รับ:

n เป็นค่าคงที่ที่ไม่ขึ้นกับมุมตกกระทบ

เราได้รับกฎการหักเหของแสง ค่าไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเป็นค่าคงที่สำหรับสื่อทั้งสองที่กำหนดและเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วแสงในสื่อทั้งสองที่กำหนด

ภาชนะทรงลูกบาศก์ที่มีผนังทึบแสงตั้งอยู่ในลักษณะที่ตาของผู้สังเกตมองไม่เห็นด้านล่าง แต่มองเห็นผนังของภาชนะซีดีได้อย่างสมบูรณ์ ต้องเทน้ำลงในภาชนะเท่าใดเพื่อให้ผู้สังเกตสามารถมองเห็นวัตถุ F ซึ่งอยู่ห่างจากมุม D ในระยะ b = 10 ซม. ขอบเรือ α = 40 ซม. (รูปที่ 9)

อะไรคือสิ่งที่สำคัญมากในการแก้ปัญหานี้? เดาว่าเนื่องจากตามองไม่เห็นก้นภาชนะแต่เห็นจุดสูงสุดของผนังด้านข้างและตัวเรือเป็นลูกบาศก์ ดังนั้น มุมตกกระทบของลำแสงบนผิวน้ำเมื่อเราเทลงไปก็จะ เท่ากับ 45 0

ข้าว. 9. ภารกิจของการสอบ

ลำแสงตกลงไปที่จุด F ซึ่งหมายความว่าเราเห็นวัตถุอย่างชัดเจน และเส้นประสีดำแสดงเส้นทางของลำแสงหากไม่มีน้ำ นั่นคือไปยังจุด D จากสามเหลี่ยม NFC เส้นสัมผัสของมุม β แทนเจนต์ของมุมหักเห คืออัตราส่วนของขาตรงข้ามกับขาข้างเคียง หรือ h ลบ b หารด้วย h ตามรูป

tg β = = , h คือความสูงของของเหลวที่เราเท

ปรากฏการณ์ที่รุนแรงที่สุดของการสะท้อนกลับทั้งหมดถูกใช้ในระบบไฟเบอร์ออปติก

ข้าว. 10. ไฟเบอร์ออปติก

หากลำแสงพุ่งตรงไปที่ปลายท่อแก้วทึบ หลังจากการสะท้อนกลับภายในหลายครั้ง ลำแสงจะโผล่ออกมาจากด้านตรงข้ามของหลอด ปรากฎว่าหลอดแก้วเป็นตัวนำคลื่นแสงหรือท่อนำคลื่น สิ่งนี้จะเกิดขึ้นไม่ว่าท่อจะตรงหรือโค้ง (รูปที่ 10) ระบบนำแสงแบบแรก ซึ่งเป็นชื่อที่สองของคลื่นนำ ถูกนำมาใช้เพื่อให้แสงสว่างในที่ที่เข้าถึงยาก (ในระหว่างการวิจัยทางการแพทย์ เมื่อแสงถูกส่งไปที่ปลายด้านหนึ่งของท่อนำแสง และปลายอีกด้านหนึ่งให้แสงสว่างในสถานที่ที่เหมาะสม) . แอปพลิเคชันหลักคือการแพทย์ การส่องกล้องตรวจหาข้อบกพร่องของมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม ท่อนำคลื่นดังกล่าวใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบส่งข้อมูล ความถี่พาหะของคลื่นแสงเป็นล้านเท่าของความถี่ของสัญญาณวิทยุ ซึ่งหมายความว่าปริมาณข้อมูลที่เราสามารถส่งโดยใช้คลื่นแสงนั้นมากกว่าจำนวนข้อมูลที่ส่งโดยคลื่นวิทยุหลายล้านเท่า นี่เป็นโอกาสที่ดีในการถ่ายทอดข้อมูลจำนวนมากด้วยวิธีที่ง่ายและไม่แพง ตามกฎแล้ว ข้อมูลจะถูกส่งผ่านสายไฟเบอร์โดยใช้รังสีเลเซอร์ ไฟเบอร์ออปติกเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการส่งสัญญาณคอมพิวเตอร์ที่รวดเร็วและมีคุณภาพสูงซึ่งมีข้อมูลที่ส่งจำนวนมาก และหัวใจของทั้งหมดนี้เป็นปรากฏการณ์ที่เรียบง่ายและพบได้ทั่วไป เช่น การหักเหของแสง

บรรณานุกรม

1. Tikhomirova S.A. , Yavorsky B.M. ฟิสิกส์ (ระดับพื้นฐาน) - ม.: Mnemozina, 2012
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. ฟิสิกส์เกรด 10 - ม.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K. Kikoin A.K. ฟิสิกส์ - 9, มอสโก, การศึกษา, 2533

1. edu.glavsprav.ru ()
2. Nvtc.ee ()
3. Raal100.narod.ru ()
4. Optika.ucoz.ru ()

การบ้าน

1. กำหนดการหักเหของแสง
2. บอกสาเหตุของการหักเหของแสง
3. ตั้งชื่อแอปพลิเคชั่นยอดนิยมของการสะท้อนกลับทั้งหมด

ถ้า n 1 >n 2 แล้ว >α นั่นคือ ถ้าแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทางแสง มุมหักเหจะมากกว่ามุมตกกระทบ (รูปที่ 3)

จำกัด มุมตกกระทบ ถ้า α=α p,=90˚ และลำแสงจะเลื่อนไปตามส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับน้ำ

ถ้า α'>α p แสงจะไม่ผ่านเข้าไปในตัวกลางโปร่งใสตัวที่สอง เพราะ จะสะท้อนออกมาอย่างเต็มที่ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า สะท้อนแสงได้เต็มที่. มุมตกกระทบ α p ซึ่งลำแสงหักเหเลื่อนไปตามส่วนต่อประสานระหว่างสื่อ เรียกว่า มุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมด

สามารถสังเกตการสะท้อนทั้งหมดได้ในปริซึมแก้วสี่เหลี่ยมหน้าจั่ว (รูปที่ 4) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในกล้องปริทรรศน์ กล้องสองตา เครื่องวัดการหักเหของแสง ฯลฯ

a) แสงตกลงในแนวตั้งฉากกับใบหน้าแรก ดังนั้นจึงไม่เกิดการหักเหที่นี่ (α=0 และ =0) มุมตกกระทบบนใบหน้าที่สอง α=45˚, เช่น>α p, (สำหรับแก้ว α p =42˚) ดังนั้นบนใบหน้านี้จึงสะท้อนแสงได้อย่างสมบูรณ์ นี่คือปริซึมแบบหมุนที่หมุนลำแสง 90˚

ข) ในกรณีนี้ แสงภายในปริซึมจะมีการสะท้อนกลับทั้งหมดเป็นสองเท่า นี่เป็นปริซึมแบบหมุนที่หมุนลำแสงได้ 180˚

ค) ในกรณีนี้ ปริซึมกลับด้านแล้ว เมื่อรังสีออกจากปริซึม รังสีจะขนานกับลำแสงตกกระทบ แต่ในกรณีนี้ ลำแสงตกกระทบด้านบนจะต่ำลง และลำแสงด้านล่างจะสูงขึ้น

ปรากฏการณ์ของการสะท้อนแสงทั้งหมดพบการประยุกต์ใช้ทางเทคนิคอย่างกว้างขวางในระบบนำแสง

ตัวนำแสงคือเส้นใยแก้วบางๆ จำนวนมาก ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 ไมครอน และแต่ละเส้นยาวประมาณ 1 เมตร เกลียวเหล่านี้ขนานกันและอยู่ใกล้กัน (รูปที่ 5)

เส้นใยแต่ละอันล้อมรอบด้วยเปลือกแก้วบาง ๆ ซึ่งดัชนีการหักเหของแสงน้อยกว่าของเส้นใยเอง ตัวนำแสงมีปลายทั้งสองด้าน การจัดเรียงปลายด้ายที่ปลายทั้งสองของตัวนำแสงจะเหมือนกันอย่างเคร่งครัด

หากวางวัตถุไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของเส้นนำแสงและสว่างขึ้น ภาพของวัตถุนี้จะปรากฏที่ปลายอีกด้านหนึ่งของเส้นนำแสง

ภาพได้มาจากความจริงที่ว่าแสงจากพื้นที่เล็ก ๆ ของวัตถุเข้าสู่จุดสิ้นสุดของแต่ละเธรด เมื่อสัมผัสกับการสะท้อนแสงทั้งหมดจำนวนมาก แสงจะโผล่ออกมาจากปลายด้านตรงข้ามของเส้นใย ส่งสัญญาณการสะท้อนของพื้นที่ขนาดเล็กที่กำหนดของวัตถุ

เพราะ ตำแหน่งของเธรดที่สัมพันธ์กันนั้นเหมือนกันอย่างเคร่งครัดจากนั้นภาพที่สอดคล้องกันของวัตถุจะปรากฏที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ความชัดเจนของภาพขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียว ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียวแต่ละเส้นเล็กลงเท่าใด ภาพของวัตถุก็จะยิ่งชัดเจนขึ้นเท่านั้น การสูญเสียพลังงานแสงตามเส้นทางของลำแสงมักจะค่อนข้างน้อยเป็นกลุ่ม (ตัวนำแสง) เนื่องจากการสะท้อนทั้งหมด ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะค่อนข้างสูง (~0.9999) การสูญเสียพลังงาน ส่วนใหญ่เกิดจากการดูดกลืนแสงของสารภายในเส้นใย

ตัวอย่างเช่น ในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมในเส้นใยยาว 1 ม. จะสูญเสียพลังงานไป 30-70% (แต่อยู่ในมัด)

ดังนั้น เพื่อส่งผ่านฟลักซ์แสงขนาดใหญ่และรักษาความยืดหยุ่นของระบบนำแสง เส้นใยแต่ละเส้นจะถูกประกอบเข้าด้วยกันเป็นกลุ่ม (กลุ่ม) - คู่มือแสง

ตัวนำแสงใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์เพื่อให้แสงสว่างภายในโพรงด้วยแสงเย็นและส่งสัญญาณภาพ กล้องเอนโดสโคป- อุปกรณ์พิเศษสำหรับตรวจสอบโพรงภายใน (กระเพาะอาหาร ทวารหนัก ฯลฯ) ด้วยความช่วยเหลือของแสงนำทาง รังสีเลเซอร์จะถูกส่งไปเพื่อผลการรักษาเนื้องอก ใช่ และเรตินาของมนุษย์เป็นระบบใยแก้วนำแสงที่มีการจัดระเบียบอย่างดีซึ่งประกอบด้วยเส้นใยประมาณ 130x10 8 เส้น

เมื่อคลื่นแพร่กระจายในตัวกลาง รวมทั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ให้ใช้เมื่อต้องการหาแนวหน้าคลื่นใหม่ หลักการของฮอยเกนส์

แต่ละจุดของหน้าคลื่นเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นทุติยภูมิ

ในตัวกลางไอโซโทรปิกที่เป็นเนื้อเดียวกัน ผิวคลื่นของคลื่นทุติยภูมิมีรูปแบบเป็นทรงกลมรัศมี v × Dt โดยที่ v คือความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นในตัวกลาง โดยการนำเปลือกของหน้าคลื่นของคลื่นทุติยภูมิ เราจะได้หน้าคลื่นใหม่ในเวลาที่กำหนด (รูปที่ 7.1, a, b)

กฎของการสะท้อน

การใช้หลักการของ Huygens เราสามารถพิสูจน์กฎการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กตริกสองตัว

มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อน รวมถึงเส้นตั้งฉากกับส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กตริกสองตัว อยู่ในระนาบเดียวกันÐ ก = Ð ข. (7.1)

ให้คลื่นแสงระนาบตกลงบนส่วนต่อประสาน SD แบบแบนระหว่างสื่อทั้งสอง (คาน 1 และ 2 รูปที่ 7.2) มุม a ระหว่างลำแสงและแนวตั้งฉากกับ LED เรียกว่ามุมตกกระทบ หากในเวลาที่กำหนดด้านหน้าของคลื่นตกกระทบ OB ถึงจุด O ดังนั้นตามหลักการของ Huygens จุดนี้

ข้าว. 7.2

เริ่มแผ่คลื่นทุติยภูมิ ในช่วงเวลา Dt = IN 1 /v ลำแสงตกกระทบ 2 ไปถึง t O 1 ในเวลาเดียวกัน ด้านหน้าของคลื่นทุติยภูมิ หลังจากการสะท้อนที่จุด O ซึ่งแพร่กระจายในตัวกลางเดียวกัน ถึงจุดของซีกโลก รัศมี OA \u003d v Dt \u003d BO 1 หน้าคลื่นใหม่แสดงโดย ระนาบ AO 1 และทิศทางการแพร่กระจายจะแสดงด้วยลำแสง OA มุม b เรียกว่ามุมสะท้อน จากความเท่ากันของรูปสามเหลี่ยม OAO 1 และ OBO 1 กฎการสะท้อนมีดังนี้ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

กฎการหักเหของแสง

ตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันทางแสง 1 มีลักษณะเด่นคือ , (7.2)

อัตราส่วน n 2 / n 1 \u003d n 21 (7.4)

เรียกว่า

(7.5)

สำหรับสุญญากาศ n = 1

เนื่องจากการกระจาย (ความถี่แสง n » 10 14 Hz) ตัวอย่างเช่น สำหรับน้ำ n = 1.33 และไม่ใช่ n = 9 (e = 81) ดังจากอิเล็กโทรไดนามิกส์สำหรับความถี่ต่ำ หากความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางแรกคือ v 1 และในวินาที - v 2

ข้าว. 7.3

จากนั้นในช่วงเวลา Dt ของระนาบเหตุการณ์คลื่นผ่านระยะทาง AO 1 ในตัวกลางแรก AO 1 = v 1 Dt ด้านหน้าของคลื่นทุติยภูมิตื่นเต้นในตัวกลางที่สอง (ตามหลักการของ Huygens) ถึงจุดของซีกโลกซึ่งมีรัศมี OB = v 2 Dt ด้านหน้าใหม่ของคลื่นที่แพร่กระจายในตัวกลางที่สองแสดงโดยระนาบ BO 1 (รูปที่ 7.3) และทิศทางของการแพร่กระจายจะแสดงด้วยรังสี OB และ O 1 C (ตั้งฉากกับด้านหน้าของคลื่น) มุม b ระหว่างลำแสง OB และเส้นปกติถึงส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กตริกสองตัวที่จุด O เรียกว่ามุมหักเหจากรูปสามเหลี่ยม OAO 1 และ OBO 1 จะได้ว่า AO 1 \u003d OO 1 sin a, OB \u003d OO 1 sin b

ทัศนคติของพวกเขาแสดงออก กฎการหักเหของแสง(กฎ สเนลล์):

. (7.6)

อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหจะเท่ากับดัชนีการหักเหสัมพัทธ์ของสื่อทั้งสอง

การสะท้อนภายในทั้งหมด

ข้าว. 7.4

ตามกฎการหักเหของแสง เราสามารถสังเกตที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองสื่อ การสะท้อนภายในทั้งหมดถ้า n 1 > n 2 เช่น Рb >Рa (รูปที่ 7.4) ดังนั้นจึงมีมุมจำกัดของการตกกระทบ Ða pr เมื่อ Ðb = 90 0 . จากนั้นกฎการหักเหของแสง (7.6) จะอยู่ในรูปแบบต่อไปนี้:

บาป apr \u003d, (บาป 90 0 \u003d 1) (7.7)

เมื่อเพิ่มมุมตกกระทบ Ða > Ða pr มากขึ้น แสงจะสะท้อนจากส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสองอย่างสมบูรณ์

ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า การสะท้อนภายในทั้งหมดและใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านทัศนศาสตร์ เช่น เพื่อเปลี่ยนทิศทางของลำแสง (รูปที่ 7. 5, a, b)

มันถูกใช้ในกล้องโทรทรรศน์ กล้องส่องทางไกล ใยแก้วนำแสง และอุปกรณ์เกี่ยวกับแสงอื่นๆ

ในกระบวนการของคลื่นแบบคลาสสิก เช่น ปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีการสังเกตปรากฏการณ์ที่คล้ายกับเอฟเฟกต์อุโมงค์ในกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของคลื่นร่างกายของอนุภาค

อันที่จริง ในระหว่างการเปลี่ยนของแสงจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง จะสังเกตเห็นการหักเหของแสง ซึ่งสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการแพร่กระจายในสื่อต่างๆ ที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองชนิด ลำแสงแบ่งออกเป็นสองส่วน: หักเหและสะท้อน

ลำแสงตกลงในแนวตั้งฉากกับหน้า 1 ของปริซึมกระจกหน้าจั่วสี่เหลี่ยม และตกกระทบหน้า 2 โดยไม่หักเห สังเกตการสะท้อนภายในทั้งหมด เนื่องจากมุมตกกระทบ (Ða = 45 0) ของลำแสงบนใบหน้า 2 คือ มากกว่ามุมจำกัดของการสะท้อนกลับทั้งหมด (สำหรับกระจก n 2 = 1.5; Ða pr = 42 0)

ถ้าวางปริซึมเดียวกันที่ระยะ H ~ l/2 จากหน้า 2 ลำแสงจะผ่านหน้า 2 * และออกจากปริซึมผ่านหน้า 1 * ขนานกับลำแสงที่ตกกระทบหน้า 1 ความเข้ม J ของ ฟลักซ์แสงที่ส่องผ่านลดลงอย่างทวีคูณด้วยช่องว่างที่เพิ่มขึ้น h ระหว่างปริซึมตามกฎหมาย:

,

โดยที่ w คือความน่าจะเป็นที่ลำแสงจะผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สอง d คือค่าสัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับดัชนีหักเหของสาร l คือความยาวคลื่นของแสงที่ตกกระทบ

ดังนั้นการทะลุผ่านของแสงไปยังพื้นที่ "ต้องห้าม" จึงเป็นการเปรียบเทียบเชิงแสงของเอฟเฟกต์อุโมงค์ควอนตัม

ปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมดนั้นสมบูรณ์จริงๆ เนื่องจากในกรณีนี้พลังงานทั้งหมดของแสงที่ตกกระทบจะสะท้อนที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัวมากกว่าเมื่อสะท้อนจากพื้นผิวของกระจกโลหะ เมื่อใช้ปรากฏการณ์นี้ เราสามารถติดตามความคล้ายคลึงกันระหว่างการหักเหและการสะท้อนของแสงในด้านหนึ่ง และการแผ่รังสีวาวิลอฟ-เชเรนคอฟ

การรบกวนของคลื่น

7.2.1. บทบาทของเวกเตอร์และ

ในทางปฏิบัติ คลื่นหลายคลื่นสามารถเผยแพร่พร้อมกันในสื่อจริง จากการเพิ่มของคลื่นทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่น่าสนใจหลายประการ: การแทรกสอด การเลี้ยวเบน การสะท้อน และการหักเหของคลื่นเป็นต้น

ปรากฏการณ์คลื่นเหล่านี้ไม่เฉพาะกับคลื่นกลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงไฟฟ้า แม่เหล็ก แสง ฯลฯ อนุภาคมูลฐานทั้งหมดยังแสดงคุณสมบัติของคลื่น ซึ่งได้รับการพิสูจน์โดยกลศาสตร์ควอนตัม

ปรากฏการณ์คลื่นที่น่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่ง ซึ่งสังเกตได้เมื่อคลื่นตั้งแต่สองคลื่นขึ้นไปแพร่กระจายในตัวกลาง เรียกว่า การแทรกสอด ตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันทางแสง 1 มีลักษณะเด่นคือ ดัชนีหักเหสัมบูรณ์ , (7.8)

โดยที่ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ v 1 - ความเร็วแสงในตัวกลางแรก

สื่อ 2 มีลักษณะโดยดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์

โดยที่ v 2 คือความเร็วแสงในตัวกลางที่สอง

อัตราส่วน (7.10)

เรียกว่า ดัชนีหักเหสัมพัทธ์ของตัวกลางที่สองเทียบกับตัวแรกสำหรับไดอิเล็กทริกแบบโปร่งใส โดยที่ m = 1 โดยใช้ทฤษฎีของ Maxwell หรือ

โดยที่ e 1 , e 2 เป็นการอนุญาตของสื่อตัวแรกและตัวที่สอง

สำหรับสุญญากาศ n = 1 เนื่องจากการกระจายตัว (ความถี่แสง n » 10 14 Hz) ตัวอย่างเช่น สำหรับน้ำ n = 1.33 และไม่ใช่ n = 9 (e = 81) ดังจากอิเล็กโทรไดนามิกส์สำหรับความถี่ต่ำ แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจึงถูกกำหนดโดยเวกเตอร์ และ ซึ่งเป็นลักษณะความแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการต่างๆ ของปฏิสัมพันธ์ของแสงกับสสาร เช่น ผลกระทบของแสงต่ออวัยวะในการมองเห็น โฟโตเซลล์ และอุปกรณ์อื่นๆ บทบาทชี้ขาดเป็นของเวกเตอร์ ซึ่งในทางทัศนศาสตร์เรียกว่าเวกเตอร์แสง

ที่มุมหนึ่งของการตกกระทบของแสง $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$ ซึ่งเรียกว่า มุมจำกัด, มุมหักเหเท่ากับ $\frac(\pi )(2),\ $ในกรณีนี้ ลำแสงที่หักเหจะเลื่อนไปตามส่วนต่อประสานระหว่างสื่อ ดังนั้นจึงไม่มีลำแสงที่หักเห จากกฎการหักเหของแสง เราสามารถเขียนได้ว่า

รูปภาพที่ 1

ในกรณีของการสะท้อนทั้งหมด สมการคือ:

ไม่มีวิธีแก้ปัญหาในพื้นที่ของค่าจริงของมุมหักเห ($(\alpha )_(pr)$) ในกรณีนี้ $cos((\alpha )_(pr))$ เป็นเพียงจินตนาการเท่านั้น หากเราหันไปใช้สูตร Fresnel จะเป็นการสะดวกที่จะแสดงในแบบฟอร์ม:

โดยที่มุมตกกระทบแสดงด้วย $\alpha $ (สำหรับความสั้น) $n$ คือดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางที่แสงส่องผ่าน

สูตรเฟรสแสดงว่าโมดูล $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left |E_(otr//)\right|$ ซึ่งหมายความว่าภาพสะท้อนนั้น "เต็ม"

หมายเหตุ 1

ควรสังเกตว่าคลื่นที่เป็นเนื้อเดียวกันจะไม่หายไปในตัวกลางที่สอง ดังนั้น ถ้า $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ ไม่มีกรณี เนื่องจากสูตร Fresnel ใช้ได้กับฟิลด์สีเดียว นั่นคือสำหรับกระบวนการที่คงที่ ในกรณีนี้ กฎการอนุรักษ์พลังงานกำหนดให้การเปลี่ยนแปลงเฉลี่ยของพลังงานตลอดช่วงเวลาในตัวกลางที่สองมีค่าเท่ากับศูนย์ คลื่นและเศษส่วนของพลังงานที่สอดคล้องกันทะลุผ่านส่วนต่อประสานไปยังตัวกลางที่สองจนถึงระดับความลึกตื้นตามลำดับของความยาวคลื่น และเคลื่อนขนานไปกับส่วนต่อประสานด้วยความเร็วเฟสที่น้อยกว่าความเร็วเฟสของคลื่นใน สื่อที่สอง จะกลับสู่สภาพแวดล้อมแรก ณ จุดที่หักล้างจากจุดเริ่มต้น

การแทรกซึมของคลื่นเข้าไปในตัวกลางที่สองสามารถสังเกตได้ในการทดลอง ความเข้มของคลื่นแสงในตัวกลางที่สองจะสังเกตเห็นได้ในระยะที่น้อยกว่าความยาวคลื่นเท่านั้น ใกล้กับส่วนต่อประสานที่คลื่นของแสงตกกระทบซึ่งมีการสะท้อนกลับทั้งหมด ที่ด้านข้างของตัวกลางที่สอง สามารถมองเห็นการเรืองแสงของชั้นบาง ๆ ได้หากมีสารเรืองแสงในตัวกลางที่สอง

การสะท้อนทั้งหมดทำให้เกิดภาพลวงตาเมื่อพื้นผิวโลกมีอุณหภูมิสูง ดังนั้นการสะท้อนแสงทั้งหมดที่มาจากเมฆทำให้เกิดความรู้สึกว่ามีแอ่งน้ำบนพื้นผิวของแอสฟัลต์ที่อุ่น

ภายใต้การสะท้อนปกติ ความสัมพันธ์ $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ และ $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ เป็นจริงเสมอ . ภายใต้การไตร่ตรองทั้งหมดนั้นซับซ้อน ซึ่งหมายความว่า ในกรณีนี้ เฟสของคลื่นมีการกระโดด ในขณะที่ค่านี้แตกต่างจากศูนย์หรือ $\pi $ ถ้าคลื่นโพลาไรซ์ตั้งฉากกับระนาบตกกระทบ เราก็เขียนได้ดังนี้

โดยที่ $(\delta )_(\bot )$ คือการข้ามเฟสที่ต้องการ เมื่อเทียบส่วนจริงและส่วนจินตภาพ เรามี:

จากนิพจน์ (5) เราได้รับ:

ดังนั้น สำหรับคลื่นที่มีโพลาไรซ์ในระนาบตกกระทบ เราสามารถได้รับ:

การข้ามเฟส $(\delta )_(//)$ และ $(\delta )_(\bot )$ ไม่เหมือนกัน คลื่นที่สะท้อนออกมาจะถูกโพลาไรซ์เป็นวงรี

การประยุกต์ใช้การสะท้อนทั้งหมด

สมมติว่าสื่อที่เหมือนกันสองรายการถูกคั่นด้วยช่องว่างอากาศบางๆ คลื่นแสงตกลงมาในมุมที่มากกว่าขีดจำกัด มันอาจจะบังเอิญทะลุเข้าไปในช่องว่างอากาศเป็นคลื่นที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน หากความหนาของช่องว่างมีขนาดเล็ก คลื่นนี้จะไปถึงขอบเขตที่สองของสารและจะไม่อ่อนลงมาก เมื่อผ่านช่องว่างอากาศเข้าไปในสารแล้วคลื่นจะเปลี่ยนเป็นเนื้อเดียวกันอีกครั้ง การทดลองดังกล่าวดำเนินการโดยนิวตัน นักวิทยาศาสตร์ได้กดปริซึมอีกอันหนึ่งซึ่งขัดเป็นทรงกลมไปยังด้านตรงข้ามมุมฉากของปริซึมสี่เหลี่ยม ในกรณีนี้ แสงจะผ่านเข้าไปในปริซึมที่สอง ไม่เพียงแต่บริเวณที่สัมผัสเท่านั้น แต่ยังผ่านวงแหวนเล็กๆ รอบหน้าสัมผัสด้วย ในจุดที่ความหนาของช่องว่างเทียบได้กับความยาวคลื่น หากทำการสังเกตด้วยแสงสีขาว ขอบของวงแหวนจะมีสีแดง เป็นไปตามที่ควรจะเป็น เนื่องจากความลึกของการเจาะเป็นสัดส่วนกับความยาวคลื่น (สำหรับรังสีสีแดงจะมากกว่าสำหรับรังสีสีน้ำเงิน) การเปลี่ยนความหนาของช่องว่างทำให้สามารถเปลี่ยนความเข้มของแสงที่ส่องผ่านได้ ปรากฏการณ์นี้ก่อตัวเป็นพื้นฐานของโทรศัพท์ขนาดเล็ก ซึ่งได้รับการจดสิทธิบัตรโดย Zeiss ในอุปกรณ์นี้ เมมเบรนโปร่งใสจะทำหน้าที่เป็นหนึ่งในสื่อซึ่งสั่นภายใต้การกระทำของเสียงที่เกิดขึ้น แสงที่ผ่านช่องว่างอากาศจะเปลี่ยนความเข้มตามเวลาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของความแรงของเสียง เมื่อเข้าสู่ตาแมวจะสร้างกระแสสลับซึ่งเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงของความแรงของเสียง กระแสที่เกิดขึ้นจะถูกขยายและใช้ต่อไป

ปรากฏการณ์ของการแทรกซึมของคลื่นผ่านช่องว่างบาง ๆ นั้นไม่เฉพาะเจาะจงกับทัศนศาสตร์ สิ่งนี้เป็นไปได้สำหรับคลื่นในลักษณะใดๆ ถ้าความเร็วเฟสในช่องว่างสูงกว่าความเร็วเฟสในสิ่งแวดล้อม ปรากฏการณ์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในฟิสิกส์นิวเคลียร์และอะตอม

ปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมดใช้เพื่อเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจายของแสง เพื่อจุดประสงค์นี้จึงใช้ปริซึม

ตัวอย่างที่ 1

ออกกำลังกาย:ยกตัวอย่างปรากฏการณ์การสะท้อนกลับทั้งหมดซึ่งพบได้บ่อย

การตัดสินใจ:

เราสามารถยกตัวอย่างได้ หากทางหลวงร้อนมาก อุณหภูมิของอากาศจะสูงสุดใกล้กับพื้นผิวแอสฟัลต์และลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นจากถนน ซึ่งหมายความว่าดัชนีหักเหของอากาศจะน้อยที่สุดที่พื้นผิวและเพิ่มขึ้นตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ รังสีที่มีมุมเล็ก ๆ เมื่อเทียบกับพื้นผิวทางหลวงจึงเกิดการสะท้อนทั้งหมด หากคุณมุ่งความสนใจไปที่ส่วนที่เหมาะสมของพื้นผิวทางหลวงขณะขับรถ คุณจะเห็นรถคว่ำอยู่ข้างหน้าค่อนข้างไกล

ตัวอย่างที่ 2

ออกกำลังกาย:มุมบรูว์สเตอร์สำหรับลำแสงที่ตกลงบนพื้นผิวของคริสตัลคือเท่าใด หากมุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมดสำหรับลำแสงนี้ที่ส่วนต่อประสานของผลึกอากาศคือ 400

การตัดสินใจ:

\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]

จากนิพจน์ (2.1) เรามี:

เราแทนที่ด้านขวาของนิพจน์ (2.3) ในสูตร (2.2) เราแสดงมุมที่ต้องการ:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]

มาคำนวณกัน:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\ประมาณ 57()^\circ .\]

ตอบ:$(\alpha )_b=57()^\circ .$