Номер 17, страница 259 - гдз по физике 8 класс учебник Изергин

Домашние экспериментальные задания - номер 17, страница 259.

Условие.

Задание 17

Изучение полного внутреннего отражения

Цель: наблюдение явления полного внутреннего отражения света.

Порядок выполнения

1. Налейте в стакан чистой воды. Поднимите стакан выше уровня глаз и рассмотрите через воду в стакане границу раздела между водой и воздухом. Опишите свои наблюдения. Покажите на чертеже ход луча, который, испытав полное внутреннее отражение, попал в ваш глаз.

2. Под наблюдением взрослых одной-двумя спичками закоптите край выпуклой поверхности чайной ложки. Опустите ложку в прозрачный сосуд с водой. Каким вы видите в этом случае цвет ложки? Почему?

Решение.

1. Налейте в стакан чистой воды. Поднимите стакан выше уровня глаз и рассмотрите через воду в стакане границу раздела между водой и воздухом. Опишите свои наблюдения. Покажите на чертеже ход луча, который, испытав полное внутреннее отражение, попал в ваш глаз.

Решение
При наблюдении границы раздела вода-воздух снизу (через воду), она выглядит блестящей и непрозрачной, как зеркало. Можно увидеть отражение дна стакана и предметов, находящихся в воде, но нельзя увидеть то, что находится над водой в воздухе. Это явление называется полным внутренним отражением.
Полное внутреннее отражение света происходит, когда свет пытается перейти из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из воды в воздух). Показатель преломления воды ($n_1 \approx 1.33$) больше показателя преломления воздуха ($n_2 \approx 1.00$).
Согласно закону преломления света (закону Снеллиуса), $n_1 \sin\alpha = n_2 \sin\beta$, где $\alpha$ – угол падения, а $\beta$ – угол преломления. Так как $n_1 > n_2$, угол преломления всегда больше угла падения ($\beta > \alpha$).
При увеличении угла падения $\alpha$, угол преломления $\beta$ также растет, и при некотором критическом (или предельном) угле падения $\alpha_{пр}$ он достигает $90^\circ$. В этом случае преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. Значение критического угла определяется формулой:
$\sin\alpha_{пр} = \frac{n_2}{n_1}$
Для границы вода-воздух: $\sin\alpha_{пр} = \frac{1.00}{1.33} \approx 0.75$, что соответствует углу $\alpha_{пр} \approx 48.8^\circ$.
Если угол падения луча света на границу раздела больше этого критического угла ($\alpha > \alpha_{пр}$), свет не выходит в воздух, а полностью отражается обратно в воду, подчиняясь закону отражения (угол отражения равен углу падения). Именно это явление и создает эффект зеркальной поверхности.
Ниже представлен чертеж, иллюстрирующий ход луча света при полном внутреннем отражении.

Ответ: При взгляде снизу вверх на границу раздела воды и воздуха она кажется зеркальной из-за явления полного внутреннего отражения света. Чертеж хода луча представлен выше.

2. Под наблюдением взрослых одной-двумя спичками закоптите край выпуклой поверхности чайной ложки. Опустите ложку в прозрачный сосуд с водой. Каким вы видите в этом случае цвет ложки? Почему?

Решение
Закопченная ложка, которая в воздухе имеет черный матовый цвет, при погружении в воду кажется блестящей, серебристой, как будто она сделана из отполированного металла или покрыта ртутью.
Этот эффект объясняется тем же явлением полного внутреннего отражения. Слой сажи (копоти) на поверхности ложки имеет очень пористую структуру. Благодаря этому, при погружении в воду он захватывает и удерживает тонкий слой воздуха. Этот воздушный слой не смачивается водой и образует границу раздела между водой и воздухом прямо на поверхности ложки.
Когда свет проходит через воду и достигает этой границы, он пытается перейти из оптически более плотной среды (вода) в менее плотную (воздух). Из-за кривизны ложки и различных углов обзора, лучи света падают на границу вода-воздух под всевозможными углами. Для большинства этих углов падения они оказываются больше критического угла ($\alpha > \alpha_{пр} \approx 48.8^\circ$).
В результате свет испытывает полное внутреннее отражение от этой воздушной прослойки, не достигая черной закопченной поверхности. Отраженный свет попадает в глаз наблюдателя, и поверхность ложки действует как идеальное зеркало, отражая окружающую обстановку. Это и создает видимость блестящей серебряной поверхности.

Ответ: Закопченная ложка в воде выглядит серебристой (зеркальной). Причина в том, что между копотью и водой сохраняется тонкая прослойка воздуха. На границе вода-воздух происходит полное внутреннее отражение света, и лучи, отражаясь от этой границы, создают зеркальный блеск, не достигая черной поверхности ложки.