Номер 1, страница 187 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

1. Почему струя воды (см. рис. 178) освещена изнутри?

1. Решение:

Струя воды кажется освещенной изнутри благодаря оптическому явлению, которое называется полное внутреннее отражение. В этой ситуации струя воды выполняет функцию световода, аналогично тому, как работает оптоволоконный кабель.

Полное внутреннее отражение происходит при соблюдении двух условий:

1. Свет должен распространяться из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. В данном случае свет движется из воды (показатель преломления $n_{воды} \approx 1.33$) в воздух (показатель преломления $n_{воздуха} \approx 1$). Это условие выполняется.

2. Угол падения света на границу раздела двух сред должен быть больше определенного значения, которое называется предельным углом полного внутреннего отражения (обозначается как $ \alpha_0 $).

Когда источник света расположен у основания струи, лучи света входят в воду. Изогнутая поверхность струи образует границу раздела сред "вода-воздух". Лучи света, распространяясь внутри струи, подходят к этой границе. Из-за кривизны струи большинство лучей падает на границу под углом, который превышает предельный.

Для границы вода-воздух предельный угол можно рассчитать по формуле: $ \sin(\alpha_0) = \frac{n_{воздуха}}{n_{воды}} $

Подставив значения, получим: $ \sin(\alpha_0) \approx \frac{1}{1.33} \approx 0.75 $, откуда $ \alpha_0 \approx 48.8^\circ $.

Если угол падения луча на границу "вода-воздух" больше $ 48.8^\circ $, свет не выходит наружу (не преломляется), а полностью отражается обратно в струю воды, как от зеркальной поверхности. Этот процесс многократно повторяется по всей длине струи. В результате свет оказывается "запертым" внутри водной струи и распространяется вдоль нее, следуя ее изгибам. Это и создает эффект свечения всей струи изнутри.

Ответ: Струя воды освещена изнутри из-за явления полного внутреннего отражения света на границе между водой и воздухом. Вода является оптически более плотной средой, чем воздух, и при падении света на границу раздела под углом, большим критического, свет полностью отражается обратно в струю, распространяясь по ней, как по световоду.