Номер 5, страница 170, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

5. Где находит применение закон преломления света? Объясните на примере треугольной призмы.

Закон преломления света (закон Снеллиуса) является фундаментальным в оптике и находит широкое применение как в технике, так и в объяснении природных явлений. Ключевые области применения включают:

1. Оптические приборы: Работа практически всех оптических приборов, использующих линзы или призмы, основана на преломлении света. Это очки и контактные линзы, которые корректируют зрение, изменяя ход лучей перед попаданием в глаз. Это объективы фотоаппаратов, микроскопы и телескопы, которые формируют увеличенные или уменьшенные изображения объектов.

2. Оптоволоконная связь: Передача данных по оптоволоконным кабелям происходит благодаря явлению полного внутреннего отражения, которое является предельным случаем преломления света. Свет, распространяясь по тонкому стеклянному волокну, многократно отражается от его внутренних стенок, что позволяет передавать информацию на огромные расстояния с минимальными потерями.

3. Природные явления: Преломление света объясняет множество явлений, наблюдаемых в природе. Например, радуга возникает в результате преломления и дисперсии солнечного света в каплях дождя. Кажущееся "изломанной" ложка в стакане с водой — также результат преломления света на границе вода-воздух. Миражи в пустыне или над горячим асфальтом появляются из-за преломления света в слоях воздуха с разной температурой и плотностью.

Объяснение на примере треугольной призмы

Треугольная призма наглядно демонстрирует действие закона преломления. Когда луч света падает на одну из граней призмы, он претерпевает два последовательных преломления: на входе в призму и на выходе из нее.

1. Преломление на первой грани (вход в призму):

Луч света переходит из оптически менее плотной среды (воздух, показатель преломления $n_1 \approx 1$) в более плотную среду (стекло, показатель преломления $n_2 > n_1$). Закон преломления имеет вид:

$n_1 \sin\alpha = n_2 \sin\beta$

где $\alpha$ — угол падения, а $\beta$ — угол преломления. Поскольку $n_2 > n_1$, то для выполнения равенства необходимо, чтобы $\sin\beta < \sin\alpha$, а значит $\beta < \alpha$. Таким образом, при входе в призму луч света отклоняется, приближаясь к перпендикуляру (нормали), проведенному к поверхности в точке падения.

2. Преломление на второй грани (выход из призмы):

Пройдя через стекло, луч падает на вторую грань, выходя обратно в воздух. Теперь свет переходит из более плотной среды (стекло, $n_2$) в менее плотную (воздух, $n_1$). Закон преломления применяется снова. В этом случае луч света отклоняется в противоположную сторону — он удаляется от нормали, так как переходит в среду с меньшим показателем преломления. В результате двукратного преломления луч на выходе из призмы оказывается отклоненным от своего первоначального направления.

Дисперсия света:

Важнейшим эффектом, наблюдаемым при прохождении белого света через призму, является дисперсия. Она возникает из-за того, что показатель преломления стекла ($n_2$) зависит от длины волны (цвета) света. Для фиолетового света (короткая длина волны) показатель преломления больше, чем для красного (длинная длина волны). Согласно закону преломления, чем больше показатель преломления, тем сильнее отклоняется луч. Поэтому фиолетовый свет отклоняется призмой на больший угол, чем красный. В результате белый свет, представляющий собой смесь всех цветов видимого спектра, раскладывается на составляющие его цвета. На выходе из призмы мы видим радужную полосу — спектр.

Ответ: Закон преломления света применяется в оптических приборах (линзы в очках, фотоаппаратах, микроскопах), в оптоволоконной связи и для объяснения природных явлений (радуга, миражи). В треугольной призме закон преломления проявляется дважды: при входе луча в призму и при выходе из нее. На каждой границе раздела сред (воздух-стекло и стекло-воздух) луч света изменяет свое направление. Из-за зависимости показателя преломления материала призмы от длины волны (дисперсии), лучи разного цвета отклоняются на разные углы, что приводит к разложению белого света в спектр.