Необыкновенные оптические явления 11 класс
план-конспект урока по физике (11 класс) по теме

Полное отражение

  Опыт «Невидимая булавка»

Воткнём булавку в плоский пробковый кружок и положим его булавкой вниз на поверхность воды в стеклянную миску. Если пробка не очень широка, то, как бы мы ни наклоняли голову, нам не удастся увидеть булавки — хотя казалось бы, она достаточно длинная, чтобы пробковый кружок её от нас заслонил  (слайд № ).

       Почему мы не видим булавку?

Потому, что лучи света не доходят от булавки до нашего глаза. Они претерпевают то , что в физике называется «полным внутренним отражением». Луч не выйдет из-под воды, а отразится полностью от её поверхности, как от зеркала.

Вообще всякий подводный луч, встречающий поверхность воды под углом, большим предельного (α 0 = 48,5º), не преломляется, а отражается полностью от воды.

Если бы рыбы изучали физику, то главнейшим отделом оптики было бы для них учение о «полном внутреннем отражении», так как в их подводном зрении оно играет первостепенную роль.

В связи с особенностями подводного зрения находится, по всей вероятности, то обстоятельство, что многие рыбы имеют серебристую окраску. По мнению зоологов, такая окраска есть результат приспособления рыб к цвету расстилающейся над ними водной поверхности: при наблюдении снизу поверхность воды, как мы знаем, кажется зеркальной — вследствие «полного внутреннего отражения»; а на таком фоне серебристо-окрашенные рыбы остаются незаметными для охотящихся на них водных хищников.

СТАРОЕ И НОВОЕ О МИРАЖАХ

Вероятно, всем известно, в чем заключается физическая причина обыкновенного миража.

Раскаленный зноем песок пустыни приобретает зеркальные свойства оттого, что прилегающий к нему нагретый слой воздуха имеет меньшую плотность, нежели вышележащие слои. Наклонный луч света от весьма далекого предмета, достигнув этого воздушного слоя, искривляет в нем свой путь так, что в дальнейшем следовании он вновь удаляется от земли и попадает в глаз наблюдателя, словно отразившись от зеркала под очень большим углом падения. И наблюдателю кажется, что перед ним расстилается в пустыне водная гладь, отражающая прибрежные предметы (рис. 115)

.

Рис. 115. Как возникает мираж в пустыне. Этот рисунок, обычно воспроизводимый в учебниках, представляет путь светового луча наклоненным к земле преувеличенно круто.

Правильнее было бы, впрочем, сказать, что нагретый слой воздуха близ раскаленной почвы отражает лучи не наподобие зеркала, а наподобие водной поверхности, рассматриваемой из глубины воды. Здесь происходит не простое отражение, а то, что на языке физики называется “внутренним отражением”. Для этого необходимо, чтобы луч света вступал в воздушные слои очень полого — более полого, чем показано на нашем упрощенном рис. 115; иначе не будет превзойден “предельный угол” падения луча, а без этого не получается внутреннего отражения.
Отметим попутно один пункт этой теории, могущий породить недоразумение. Изложенное объяснение требует такого расположения воздушных слоев, при котором более плотные слои находились бы выше, чем менее плотные. Мы знаем, однако, что плотный, тяжелый воздух стремится опуститься и вытеснить лежащий под ним легкий слой газа вверх. Как же может существовать то расположение слоев плотного и разреженного воздуха, которое необходимо для появления миража?

Рис. 116. Мираж на гудронированном шоссе.

Разгадка кроется в том, что требуемое расположение воздушных слоев бывает не в неподвижном воздухе, а в воздухе, находящемся в движении. Нагретый почвой слой воздуха не покоится на ней, а непрерывно вытесняется вверх и тотчас сменяется новым слоем нагретого воздуха. Непрерывная смена обусловливает то, что к раскаленному песку всегда прилегает некоторый слой разреженного воздуха, пусть не одного и того же, но это уже безразлично для хода лучей.
Тот род миража, который мы рассматриваем, известен с древности. В современной метеорологии его называют “нижним” миражем (в отличие от “верхнего”, порождаемого отражением лучей света слоями разреженного воздуха верхних областей атмосферы). Большинство людей убеждено, что этот классический мираж может наблюдаться только в знойном воздухе южных пустынь и не бывает в более северных широтах.
Между тем нижний мираж нередко случается наблюдать и в наших краях. Особенно часты подобные явления в летнее время на асфальтовых и гудронированных дорогах, которые благодаря темному цвету сильно нагреваются на солнце. Матовая поверхность дороги кажется тогда издали словно политой водой и отражает отдаленные предметы. Ход лучей света при этом мираже показан на рис. 116. При некоторой наблюдательности подобные явления можно видеть не так редко, как принято думать.
Есть и еще род миража — мираж боковой, о существовании которого обычно даже не подозревают. Это — отражение от нагретой отвесной стены. Такой случай описан одним французским автором. Приближаясь к форту крепости, он заметил, что ровная бетонная стена форта вдруг заблистала, как зеркало, отражая в себе окружающий ландшафт, почву, небо. Сделав еще несколько шагов, он заметил ту же перемену и с другой стеной форта. Казалось, будто серая неровная поверхность внезапно заменяется полированной. Стоял знойный день, и стены должны были сильно накалиться, в чем и заключалась разгадка их зеркальности. На рис. 117 показаны расположение стен форта (F и F') и местоположение наблюдателя (А и А'). Оказалось, что мираж наблюдается всякий раз, когда стена достаточно нагреется солнечными лучами, Удалось даже сфотографировать это явление.
На рис. 118 изображена (слева) стена F форта, сначала матовая, а затем блестящая (справа), как зеркало (снята из точки A'). На левом снимке — обыкновенный серый бетон, в котором, конечно, не могут отражаться стоящие близ стены фигуры двух солдат. Направо — та же стена в большей своей части приобрела зеркальные свойства, и ближайшая фигура солдата дает в ней свое симметричное изображение. Конечно, отражает лучи тут не сама поверхность стены, а лишь прилегающий к ней слой нагретого воздуха.

Рис. 117. План форта, где наблюдался мираж.
Стена F казалась зеркальной из точки A, стена F' — из точки А'

Рис. 118. Серая неровная стена (слева) внезапно делается словно полированной, отражающей (справа).

В знойные летние дни следовало бы обращать внимание на накалившиеся стены больших зданий и искать, не обнаружатся ли явления миража. Без сомнения, при некотором внимании число замеченных случаев миража должно заметно участиться.

Цвета мыльных пленок. Интерференция.

О расцветке мыльного пузыря писал в своих стихах С. Я. Маршак:

Горит, как хвост павлиний,

Каких цветов в нем нет!

Лиловый, красный, синий,

Зеленый, желтый цвет.

Именно окраска мыльных пузырей натолкнула  выдающегося английского физика Томаса Юнга на открытие явления интерференции в тонких пленках и подтверждение волновой природы света.

Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения!

Оказывается, со временем цвет мыльного пузыря изменяется. Объяснение очень простое: раствор стекает вниз, толщина плёнки меняется, поэтому меняется и цвет пленки.

Редко кто видел замороженный мыльный пузырь. Пускание мыльных пузырей – это забава летнего дня, но если выдувать их на морозе, пузыри быстро замерзают, сохраняя сферическую форму.

Интерференцией света объясняется радужный перелив тонких плёнок на поверхности воды (масляных, керосиновых, плёнок жира и т.д.)

Интерференцией света объясняется радужный перелив крыльев насекомых.

Лучи 1 и 2 когерентны. Разность хода отражённых лучей  1 и 2 зависит от угла падения света на плёнку, а также от её толщины. Для волн разной частоты (длины волны) и, следовательно, различного цвета, входящих в состав падающего света, интерференционные максимумы наблюдаются в разных местах плёнки. Это придаёт плёнке радужную окраску.

Интерференция в тонких плёнках используется для просветления оптики.

Просветление оптики – уменьшение отражения света от поверхности линзы в результате нанесения на неё специальной плёнки.

Наиболее часто используемый прозрачный материал для просветляющей плёнки – MgF2  с коэффициентом преломления  n1 = 1,38, меньшим коэффициента преломления стекла            n2 = 1,5. Толщину покрытия можно выразить через длину волны света в воздухе  d  = λ / 4n1.

При такой толщине плёнки световые волны  1 и 2 при интерференции гасят друг друга, что приводит к увеличению доли энергии света, попадающего в оптическую систему. Обычно в качестве λ выбирают длину волны, находящейся в жёлто-зелёной части спектра            

(λ = 550 нм), к которой наиболее чувствителен человеческий глаз. Такого гашения отражённых волн не происходит при других длинах волн, чем объясняется фиолетовый цвет просветлённого объектива. Сейчас даже дешёвые фотоаппараты снабжены просветлённой оптикой. Получаемое с помощью них изображение становится более чётким и ярким, просветляется.

Подобная плёнка оксида кремния  SiO (n1 = 1,45) наносится на поверхность кремниевых солнечных батарей (n2 = 3,5) для уменьшения отражения от них солнечных лучей, т. е. для максимального преобразования солнечной энергии в электрическую.

Человеческий глаз под водой

Вообразите, что вам дана возможность оставаться под водой сколь угодно долго и что вы при этом держите глаза открытыми. Могли бы вы там видеть?

Казалось бы, раз вода прозрачна, ничто не должно мешать видеть под водой так же хорошо, как и в воздухе.  Однако…

Обратимся к цифрам,— дело станет яснее. Показатель преломления воды — 1,34.

 А вот показатели преломления прозрачных сред человеческого глаза:

Вы видите, что преломляющая способность хрусталика всего на 1/].0 сильнее, чем у воды, у остальных же частей нашего глаза она одинакова с преломляемостью воды. Поэтому под водой фокус лучей получается в глазу человека далеко позади сетчатой оболочки; следовательно, на самой сетчатке изображение должно вырисовываться смутно, различить что-либо можно лишь с трудом. Только очень близорукие люди видят под водой более или менее нормально.

Если хотите наглядно представить себе, как должны рисоваться нам вещи под водой, наденьте очки с сильно рассеивающими (двояковогнутыми) стеклами; тогда фокус лучей, преломляющихся в глазу, отодвинется далеко за сетчатку, и окружающее предстанет перед вами в неясных, туманных образах.

Не может ли человек под водой помочь своему зрению, пользуясь сильно преломляющими стеклами?

Обыкновенные стекла, употребляемые для очков, здесь мало пригодны: показатель преломления простого стекла 1,5, т. е. лишь немногим больше, чем у воды (1,34); такие очки будут преломлять под водой очень слабо. Нужны стекла особого сорта, отличающиеся чрезвычайно сильной преломляющей способностью (так называемый «тяжелый флинтглас» имеет показатель преломления, почти равный двум). С такими очками мы могли бы более или менее отчетливо видеть под водой.

Теперь понятно, почему у рыб хрусталик имеет чрезвычайно выпуклую форму; он шарообразен, и показатель его преломления — самый большой из всех, какие нам известны в глазах животных. Не будь этого, глаза были бы почти бесполезны рыбам, обреченным на жизнь в сильно преломляющей прозрачной среде.

Как видят водолазы? Многие, вероятно, спросят: как же могут водолазы, работающие в своих скафандрах, видеть что- либо под водой, если глаза наши в воде почти не преломляют лучей света? Ведь водолазные шлемы всегда снабжаются плоскими, а не выпуклыми стеклами... Далее, могли ли пассажиры жюль-вернова «Наутилуса» любоваться через окно своей подводной каюты ландшафтом подводного мира?

Перед нами новый вопрос, на который, впрочем, не трудно ответить. Ответ станет ясен, если принять во внимание, что, когда мы находимся под водой без водолазного костюма, вода непосредственно прилегает к нашему глазу; в водолазном же шлеме (или в каюте «Наутилуса») глаз отделен от воды слоем воздуха (и стекла). Это существенно меняет все дело Лучи света, выходя из воды и пройдя через стекло, попадают сначала в воздух и лишь отсюда проникают в глаз. Падая из воды на плоскопараллелъное стекло под каким-либо углом, лучи, по законам оптика, выходят из стекла, не меняя направления; но далее, при переходе из воздуха в глаз, лучи, конечно, преломляются,— и глаз при этих условиих действует совершенно так же, как и на суше.  В  этом и кроется разгадка противоречия. Лучшая иллюстрация её – это то, что мы вполне хорошо видим рыб, плавающих в аквариуме.