Экспериментальное задание, страница 104 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Пронаблюдайте за всплывающими пузырьками воздуха в аквариуме (рис. 101). При каком условии поверхность пузырьков становится зеркальной? Какое явление вы наблюдаете в этот момент? (Пузырьки воздуха можно создать, используя стакан с водой и трубку для продувания воздуха).

Рис. 101. Всплывающие пузырьки воздуха в аквариуме

При каком условии поверхность пузырьков становится зеркальной?

Поверхность пузырьков воздуха в воде становится зеркальной, когда свет, распространяющийся в воде, падает на границу раздела "вода-воздух" (то есть на поверхность пузырька) под достаточно большим углом. Это происходит потому, что вода является оптически более плотной средой, чем воздух (показатель преломления воды $n_{воды} \approx 1,33$, а воздуха $n_{воздуха} \approx 1,00$).

Когда свет пытается перейти из оптически более плотной среды в менее плотную, существует критический (или предельный) угол падения $α_{пр}$. Если угол падения света $α$ на поверхность пузырька превышает этот предельный угол ($α > α_{пр}$), то свет не преломляется и не выходит в воздух, а полностью отражается от границы раздела обратно в воду. Именно это полное отражение света и заставляет поверхность пузырька выглядеть блестящей, как зеркало.

Предельный угол полного внутреннего отражения для границы "вода-воздух" можно рассчитать по формуле, вытекающей из закона Снеллиуса:

$sin(α_{пр}) = \frac{n_{воздуха}}{n_{воды}}$

Подставив значения, получим:

$sin(α_{пр}) = \frac{1,00}{1,33} \approx 0,75$

$α_{пр} = arcsin(0,75) \approx 48,6^\circ$

Таким образом, чтобы поверхность пузырька стала зеркальной, необходимо, чтобы лучи света, идущие от источника света к наблюдателю через воду, падали на поверхность пузырька под углом больше $48,6^\circ$ к нормали (перпендикуляру) к поверхности в точке падения.

Ответ: Поверхность пузырьков становится зеркальной, если свет, идущий из воды, падает на границу "вода-воздух" под углом, который превышает предельный угол полного внутреннего отражения (для воды этот угол составляет примерно $48,6^\circ$).

Какое явление вы наблюдаете в этот момент?

Явление, которое наблюдается в момент, когда поверхность пузырька становится зеркальной, называется полное внутреннее отражение света. Это физическое явление заключается в том, что световой луч, распространяющийся в оптически более плотной среде, при падении на границу с оптически менее плотной средой под углом, превышающим определенный критический угол, не преломляется, а полностью отражается обратно в первую среду.

Ответ: Наблюдаемое явление – полное внутреннее отражение.