Задание(экспериментальное исследование), страница 170, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Проведите наблюдение преломления света в струе воды. Опишите наблюдение.

Решение

Для проведения наблюдения необходимо следующее оборудование: прозрачная пластиковая бутылка, источник света с узким пучком (например, лазерная указка или фонарик), вода, таз или раковина для сбора воды. Для лучшей видимости эффекта эксперимент следует проводить в затемненном помещении.

Порядок проведения эксперимента и наблюдаемое явление:

1. В боковой стенке пластиковой бутылки, ближе к дну, проделывается небольшое круглое отверстие.

2. Бутылка наполняется водой. Из отверстия начинает вытекать струя воды, траектория которой представляет собой параболу.

3. Источник света располагается с противоположной от отверстия стороны бутылки. Световой луч направляется горизонтально сквозь толщу воды так, чтобы он попадал точно в отверстие, из которого вытекает струя.

4. В результате наблюдения можно увидеть, что свет не продолжает распространяться прямолинейно после выхода из отверстия. Вместо этого световой луч оказывается "захваченным" внутри струи воды и следует по ее изогнутой траектории. Струя начинает светиться изнутри, а на поверхности, куда она падает, появляется яркое световое пятно.

Физическое объяснение наблюдения:

Наблюдаемый эффект является проявлением явления полного внутреннего отражения света. Это явление происходит на границе двух сред, когда свет переходит из оптически более плотной среды (в нашем случае - вода с показателем преломления $n_1 \approx 1.33$) в оптически менее плотную среду (воздух с показателем преломления $n_2 \approx 1.0$).

Согласно закону Снеллиуса, когда свет падает на границу раздела сред, он частично отражается и частично преломляется. Если угол падения $ \alpha $ (угол между падающим лучом и нормалью к поверхности) превышает определенное значение, называемое критическим углом $ \alpha_{крит} $, то преломление прекращается, и весь световой поток полностью отражается обратно в первую, более плотную среду.

Критический угол для границы вода-воздух определяется формулой:

$ \sin(\alpha_{крит}) = \frac{n_2}{n_1} = \frac{n_{воздуха}}{n_{воды}} $

Подставив значения, получим: $ \sin(\alpha_{крит}) \approx \frac{1.00}{1.33} \approx 0.75 $, что соответствует углу $ \alpha_{крит} \approx 48.8^\circ $.

Внутри изогнутой струи воды световой луч падает на границу "вода-воздух" под углом, который больше этого критического значения. Поэтому свет не выходит наружу, а испытывает многократные полные внутренние отражения от стенок струи, распространяясь вдоль нее, как по световоду. Этот же принцип лежит в основе работы оптоволоконных систем передачи данных.

Ответ:

При наблюдении за прохождением света через струю воды можно увидеть, что световой луч изгибается вместе со струей, которая начинает светиться изнутри. Это явление называется полным внутренним отражением. Оно возникает потому, что свет, переходя из воды в воздух, падает на внутреннюю поверхность струи под углом, большим критического угла, и полностью отражается обратно в воду, оставаясь "запертым" внутри струи.