Номер 3, страница 141 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

3. При каком условии происходит полное внутреннее отражение света? Какое применение получило это явление?

При каком условии происходит полное внутреннее отражение света?

Полное внутреннее отражение — это явление, при котором световой луч, распространяющийся в оптически более плотной среде, полностью отражается от границы раздела с оптически менее плотной средой и не переходит во вторую среду.

Для возникновения этого явления должны быть выполнены два условия:

1. Свет должен переходить из среды с большим показателем преломления $n_1$ в среду с меньшим показателем преломления $n_2$. То есть, должно выполняться неравенство $n_1 > n_2$. Например, из воды в воздух или из стекла в воду.

2. Угол падения луча $\alpha$ на границу раздела сред должен быть больше некоторого критического значения, называемого предельным углом полного внутреннего отражения $\alpha_0$.

Предельный угол $\alpha_0$ — это такой угол падения, при котором угол преломления $\beta$ равен $90^\circ$. То есть, преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. Значение этого угла можно найти из закона преломления света (закона Снеллиуса):

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

При $\alpha = \alpha_0$ и $\beta = 90^\circ$:

$n_1 \sin\alpha_0 = n_2 \sin 90^\circ$

Поскольку $\sin 90^\circ = 1$, формула для предельного угла принимает вид:

$\sin\alpha_0 = \frac{n_2}{n_1}$

Если угол падения $\alpha$ становится больше этого предельного угла ($\alpha > \alpha_0$), преломление света прекращается, и весь световой пучок полностью отражается обратно в первую, более плотную среду.

Ответ: Полное внутреннее отражение происходит при одновременном выполнении двух условий: 1) свет распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную ($n_1 > n_2$); 2) угол падения света на границу раздела сред превышает предельный угол полного внутреннего отражения ($\alpha > \arcsin(\frac{n_2}{n_1})$).

Какое применение получило это явление?

Явление полного внутреннего отражения нашло широкое применение в науке и технике благодаря своей способности отражать свет практически без потерь.

1. Волоконная оптика. Это основное и самое важное применение. В оптоволоконных кабелях световые сигналы передаются на огромные расстояния. Оптоволокно состоит из центральной жилы (сердцевины) с высоким показателем преломления и оболочки с более низким показателем преломления. Свет, входящий в жилу под определенным углом, испытывает многократное полное внутреннее отражение от границы "жила-оболочка" и распространяется вдоль волокна, почти не теряя своей интенсивности. Это используется в телекоммуникациях (интернет, телефония) и в медицине (эндоскопы для исследования внутренних органов).

2. Оптические приборы. В биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах и других приборах используются поворотные призмы для изменения направления световых лучей или для оборачивания изображения. В отличие от зеркал, которые поглощают часть света, призмы, работающие на принципе полного внутреннего отражения, обеспечивают практически 100%-ное отражение.

3. Рефрактометры. Это приборы для измерения показателя преломления веществ. Многие из них работают на основе определения предельного угла полного внутреннего отражения на границе исследуемого вещества с эталонной призмой.

4. Ювелирное дело. Яркий блеск и "игра света" ограненных драгоценных камней, особенно алмазов, обусловлены полным внутренним отражением. Алмаз имеет очень высокий показатель преломления ($n \approx 2.42$), что дает малый предельный угол (~24.4°). Огранка камня выполняется таким образом, чтобы свет, вошедший в него через верхнюю площадку, испытал многократное полное внутреннее отражение от нижних граней и вышел обратно вверх, создавая сияние.

5. Световоды и подсветка. В различных устройствах, от декоративной подсветки до приборных панелей, используются световоды из пластика или стекла, которые направляют свет от источника к нужному месту с помощью полного внутреннего отражения.

Ответ: Явление полного внутреннего отражения применяется в волоконной оптике (передача данных, эндоскопия), в оптических приборах (поворотные призмы в биноклях и перископах), в рефрактометрах (измерение показателя преломления), в ювелирном деле (создание блеска драгоценных камней) и в световодах для подсветки.