Задание 1, страница 99 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 1

Приведите примеры использования смещения луча на плоскопараллельной пластине. Предложите практическое применение смещения луча.

Решение

Смещение луча в плоскопараллельной пластине — это физическое явление, при котором луч света, проходя через прозрачную среду с параллельными границами (например, стеклянную пластину), выходит из нее параллельно своему первоначальному направлению, но со смещением вбок. Величина этого смещения зависит от толщины пластины, ее показателя преломления, а также от угла падения луча.

При прохождении света через плоскопараллельную пластину толщиной $\text{d}$ с показателем преломления $\text{n}$, находящуюся в среде с показателем преломления $n_0$ (обычно воздух, $n_0 \approx 1$), луч смещается на расстояние $\text{x}$. Если угол падения луча равен $\alpha$, а угол преломления — $\beta$, то согласно закону Снеллиуса $n_0 \sin\alpha = n \sin\beta$. Величина бокового смещения $\text{x}$ определяется формулой:

$x = d \frac{\sin(\alpha - \beta)}{\cos(\beta)}$

Это явление находит широкое применение в различных оптических приборах и технологиях.

1. Юстировка и управление лазерными пучками

В оптических системах часто требуется очень точно позиционировать лазерный пучок. Для этого используется плоскопараллельная пластина, установленная на поворотной платформе. При вращении пластины изменяется угол падения $\alpha$, что приводит к плавному изменению бокового смещения $\text{x}$. Это позволяет с микрометрической точностью смещать пучок в поперечном направлении, не изменяя его направления. Такие устройства (их иногда называют "wobble plate") применяются для юстировки оптических схем, в системах наведения и целеуказания.

2. Дальномеры в фотоаппаратах

В некоторых пленочных дальномерных фотоаппаратах для фокусировки использовался оптический клин или вращающаяся плоскопараллельная пластина. В видоискателе фотограф видел два изображения. Одно из них проходило через поворотную пластину, которая была механически связана с кольцом фокусировки объектива. Вращая кольцо, фотограф поворачивал пластину, тем самым смещая одно из изображений. Когда оба изображения совмещались в одно, это означало, что объектив сфокусирован на нужную дистанцию.

3. Компенсационные пластины в интерферометрах

В интерферометрах, таких как интерферометр Майкельсона, пучок света разделяется на два. Один из них проходит сквозь светоделительную пластину, а другой от нее отражается. Чтобы оба пучка прошли одинаковый оптический путь в стекле, в плечо с отраженным пучком ставят компенсационную пластину — точно такую же плоскопараллельную пластину, как и светоделитель, но без отражающего покрытия. Это уравнивает не только оптическую длину пути, но и боковое смещение для обоих пучков, что особенно важно для получения интерференционной картины в белом свете.

4. Измерение показателя преломления

Зная толщину пластины $\text{d}$ и измеряя боковое смещение луча $\text{x}$ при известном угле падения $\alpha$, можно с высокой точностью определить показатель преломления $\text{n}$ материала пластины. Этот метод используется в лабораторных работах и в рефрактометрии для исследования свойств прозрачных материалов.

5. Простейшие перископические устройства

Толстый брусок из прозрачного материала (например, акрила или стекла) может служить простейшим перископом. Свет от объекта, находящегося выше, входит в верхнюю грань бруска, смещается при прохождении через его толщу и выходит через нижнюю грань. Наблюдатель, смотрящий через нижнюю грань, видит изображение объекта, смещенное относительно его реального положения. Это позволяет "заглянуть" за невысокое препятствие. В отличие от зеркальных перископов, такой прибор не переворачивает изображение.

Ответ: Смещение луча в плоскопараллельной пластине используется для точной юстировки лазерных пучков, в дальномерах фотокамер, в качестве компенсационных пластин в интерферометрах для выравнивания оптических путей, для измерения показателя преломления веществ, а также в простых перископических устройствах для смещения линии обзора.