Номер 4, страница 103 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. 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 и падающий на границу с оптически менее плотной средой, полностью отражается обратно в первую среду. Для возникновения этого явления необходимо одновременное выполнение двух условий:
1. Свет должен переходить из среды с большим показателем преломления ($n_1$) в среду с меньшим показателем преломления ($n_2$). То есть должно выполняться условие $n_1 > n_2$.
2. Угол падения луча ($\alpha$) на границу раздела сред должен превышать определенное критическое значение, которое называется предельным углом полного внутреннего отражения ($\alpha_{пр}$).

Предельный угол падения — это такой угол падения, при котором преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред, то есть угол преломления составляет 90°. Если угол падения больше этого значения, преломление прекращается, и весь свет отражается.
Величину предельного угла можно определить из закона преломления света (закона Снеллиуса):
$n_1 \sin\alpha = n_2 \sin\beta$
При предельном угле падения $\alpha = \alpha_{пр}$, угол преломления $\beta = 90^\circ$. Подставив эти значения, получаем:
$n_1 \sin\alpha_{пр} = n_2 \sin 90^\circ$
Так как $\sin 90^\circ = 1$, то формула для нахождения синуса предельного угла принимает вид:
$\sin\alpha_{пр} = \frac{n_2}{n_1}$

Ответ: Полное внутреннее отражение света 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 ($\alpha > \alpha_{пр}$), синус которого равен отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой: $\sin\alpha_{пр} = \frac{n_2}{n_1}$.

Какое применение получило это явление?

Явление полного внутреннего отражения нашло широкое практическое применение в различных областях науки и техники.

• Волоконная оптика. Это одно из важнейших применений. В оптоволоконных кабелях световые сигналы передаются на большие расстояния практически без потерь. Световод состоит из центральной жилы (сердцевины) с высоким показателем преломления и внешней оболочки с более низким показателем преломления. Свет, входящий в жилу, многократно испытывает полное внутреннее отражение от границы "жила-оболочка" и распространяется вдоль волокна. Это используется в телекоммуникациях для передачи данных (интернет, телефонная связь), в медицине (эндоскопия), в датчиках и в декоративном освещении.

• Оптические призмы. В таких приборах, как бинокли, перископы, монокуляры и зеркальные фотоаппараты, вместо зеркал часто используют призмы полного внутреннего отражения. Они позволяют изменять направление световых лучей (например, поворачивать на 90° или 180°) и оборачивать изображение. Преимущество призм перед зеркалами заключается в том, что отражение происходит со 100%-ой эффективностью, и отражающая поверхность не тускнеет со временем.

• Ювелирное дело. Яркий блеск и "игра света" ограненных алмазов и других драгоценных камней объясняются их высоким показателем преломления, что приводит к малому значению предельного угла. Огранка камня специально рассчитывается так, чтобы свет, попавший внутрь, претерпел многократные полные внутренние отражения от граней и вышел обратно через верхнюю часть, создавая сильное сияние.

• Световозвращатели (катафоты). Устройства, используемые на дорожных знаках, велосипедах и специальной одежде для повышения видимости в темноте, работают на принципе полного внутреннего отражения. Они состоят из множества микропризм или стеклянных шариков, которые отражают падающий на них свет (например, от фар автомобиля) строго в обратном направлении к источнику.

• Рефрактометрия. Некоторые типы приборов для измерения показателя преломления жидкостей (рефрактометры) основаны на измерении предельного угла полного внутреннего отражения на границе между эталонной призмой и исследуемым веществом.

Ответ: Наиболее важными применениями явления полного внутреннего отражения являются волоконная оптика (передача информации и медицинская диагностика), поворотные призмы в оптических приборах (бинокли, фотоаппараты), огранка драгоценных камней, а также создание световозвращающих элементов (катафотов).