Номер 1, страница 141 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 39. Полное внутреннее отражение. Дисперсия света. Глава 5. Волновые свойства света - номер 1, страница 141.

В О П Р О С Ы

1. Какое физическое явление называют полным внутренним отражением? Как вычислить угол полного внутреннего отражения? Приведите примеры использования полного внутреннего отражения в волоконной оптике.

Какое физическое явление называют полным внутренним отражением?

Полное внутреннее отражение — это физическое явление, которое происходит при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду (например, из воды в воздух или из стекла в воздух). Если угол падения света на границу раздела двух сред превышает некоторое критическое значение, называемое предельным углом, то свет не преломляется и не выходит во вторую среду, а полностью отражается обратно в первую, более плотную среду. Интенсивность отраженного пучка света при этом практически равна интенсивности падающего пучка.

Ответ: Полное внутреннее отражение — это явление полного отражения света от границы раздела двух сред при его падении из оптически более плотной среды в менее плотную под углом, превышающим предельный угол.

Как вычислить угол полного внутреннего отражения?

Угол, при котором начинается явление полного внутреннего отражения, называется предельным углом полного внутреннего отражения ($ \alpha_{пр} $). Его можно вычислить, используя закон преломления света (закон Снеллиуса): $ n_1 \sin \alpha = n_2 \sin \beta $, где $ n_1 $ — показатель преломления первой (оптически более плотной) среды, $ n_2 $ — показатель преломления второй (оптически менее плотной) среды, $ \alpha $ — угол падения, а $ \beta $ — угол преломления.

Предельный угол падения $ \alpha_{пр} $ соответствует углу преломления $ \beta = 90^\circ $, при котором преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. Подставляя это значение в закон Снеллиуса, получаем:

$ n_1 \sin \alpha_{пр} = n_2 \sin 90^\circ $

Поскольку $ \sin 90^\circ = 1 $, то:

$ n_1 \sin \alpha_{пр} = n_2 $

Отсюда можно выразить синус предельного угла:

$ \sin \alpha_{пр} = \frac{n_2}{n_1} $

Сам предельный угол вычисляется по формуле:

$ \alpha_{пр} = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right) $

Это условие выполняется только при $ n_1 > n_2 $.

Ответ: Предельный угол полного внутреннего отражения $ \alpha_{пр} $ вычисляется по формуле $ \alpha_{пр} = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right) $, где $ n_1 $ и $ n_2 $ — показатели преломления оптически более плотной и менее плотной сред соответственно.

Приведите примеры использования полного внутреннего отражения в волоконной оптике.

Явление полного внутреннего отражения является основополагающим принципом работы волоконной оптики. Оптическое волокно состоит из центральной части — сердцевины (с высоким показателем преломления $ n_1 $) и внешней оболочки (с более низким показателем преломления $ n_2 $). Свет, введенный в сердцевину под углом, большим предельного, многократно отражается от границы с оболочкой и распространяется вдоль волокна.

Примеры использования:

1. Передача данных (Телекоммуникации): Оптоволоконные кабели используются для высокоскоростной передачи огромных объемов информации на большие расстояния. Световые сигналы, кодирующие данные (интернет, телефонная связь, телевидение), распространяются по кабелю с минимальными потерями энергии.

2. Медицина (Эндоскопия): В медицинских приборах, таких как эндоскопы, используются жгуты из оптических волокон. Один жгут передает свет внутрь тела пациента для освещения исследуемой области, а другой — передает изображение этой области обратно врачу для диагностики.

3. Декоративное освещение и датчики: Оптоволокно используется для создания световых эффектов в дизайне ("звездное небо") и в различных датчиках для измерения температуры, давления или деформации, так как эти физические величины могут влиять на условия распространения света в волокне.

Ответ: В волоконной оптике полное внутреннее отражение используется для передачи света и информации на большие расстояния с минимальными потерями в телекоммуникационных сетях (интернет, ТВ), в медицинских эндоскопах для визуализации внутренних органов, а также в различных датчиках и системах декоративного освещения.