Эксперимент в классе, страница 247 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Используя лабораторный комплект по оптике, выясните:

- как луч, падающий на границу сред воз- дух-стекло, меняет свое направление;

- как луч проходит вторую границу сред стек- ло-воздух;

- зависит ли прохождение луча от формы прозрач- ного тела (исследуйте пластину полуцилиндри- ческой формы и плоско- параллельную пластину).

- как луч, падающий на границу сред воздух-стекло, меняет свое направление;

При переходе из одной прозрачной среды в другую, например из воздуха в стекло, световой луч меняет свое направление. Это явление называется преломлением света. Воздух является оптически менее плотной средой (его показатель преломления $n_{воздух} \approx 1$), а стекло — оптически более плотной средой (показатель преломления $n_{стекло} \approx 1.5$).

Когда луч света падает на границу раздела двух сред, его поведение описывается законом преломления (законом Снеллиуса):

$n_1 \sin \alpha = n_2 \sin \beta$

где $n_1$ и $n_2$ — показатели преломления первой и второй среды соответственно, $\alpha$ — угол падения (угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным в точке падения), а $\beta$ — угол преломления (угол между преломленным лучом и тем же перпендикуляром).

В случае перехода "воздух-стекло": $n_1 = n_{воздух}$ и $n_2 = n_{стекло}$. Так как $n_{стекло} > n_{воздух}$, из закона Снеллиуса следует, что $\sin \beta < \sin \alpha$, а значит, и $\beta < \alpha$. Это означает, что преломленный луч отклоняется, "прижимаясь" к перпендикуляру. Часть света также отражается от границы раздела под углом, равным углу падения.

Ответ: При падении на границу сред "воздух-стекло" луч света преломляется, изменяя свое направление таким образом, что угол преломления становится меньше угла падения. Луч отклоняется к перпендикуляру, проведенному к границе раздела в точке падения.

- как луч проходит вторую границу сред стекло-воздух;

Когда луч света, прошедший через стекло, достигает второй границы раздела "стекло-воздух", он снова преломляется. Теперь свет переходит из оптически более плотной среды (стекло) в оптически менее плотную (воздух).

Закон преломления $n_{стекло} \sin \alpha' = n_{воздух} \sin \beta'$ все так же справедлив. Здесь $\alpha'$ - это угол падения луча на вторую границу (внутри стекла), а $\beta'$ - угол преломления луча, выходящего в воздух.

Поскольку теперь $n_{стекло} > n_{воздух}$, то из закона следует, что $\sin \beta' > \sin \alpha'$, а значит $\beta' > \alpha'$. То есть, при выходе из стекла в воздух луч отклоняется от перпендикуляра к границе.

При таком переходе возможно явление полного внутреннего отражения. Если увеличивать угол падения $\alpha'$, то угол преломления $\beta'$ будет расти быстрее. При некотором угле падения, называемом предельным (или критическим) углом $\alpha_{крит}$, угол преломления станет равен $90^\circ$. В этом случае преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред. Предельный угол определяется формулой:

$\sin \alpha_{крит} = \frac{n_{воздух}}{n_{стекло}}$

Если угол падения луча на границу "стекло-воздух" окажется больше предельного ($\alpha' > \alpha_{крит}$), преломления не произойдет, и весь свет полностью отразится обратно в стекло.

Ответ: При прохождении второй границы "стекло-воздух" луч света преломляется, отклоняясь от перпендикуляра (угол преломления больше угла падения). Если угол падения в стекле превышает некоторое критическое значение, происходит явление полного внутреннего отражения, и луч не выходит в воздух, а полностью отражается обратно в стекло.

- зависит ли прохождение луча от формы прозрачного тела (исследуйте пластину полуцилиндрической формы и плоскопараллельную пластину).

Да, прохождение луча света существенно зависит от формы прозрачного тела.

1. Плоскопараллельная пластина.

Это пластина с двумя плоскими и параллельными друг другу гранями. Луч света, падая на первую грань (воздух-стекло), преломляется, приближаясь к нормали. Затем, пройдя через пластину, он падает на вторую, параллельную грань (стекло-воздух). Так как грани параллельны, нормаль ко второй грани параллельна нормали к первой. В результате угол падения на вторую грань равен углу преломления на первой. При выходе из пластины луч преломляется, отклоняясь от нормали. В итоге, луч, вышедший из пластины, оказывается параллельным лучу, упавшему на нее. Он не меняет своего направления, а лишь смещается в пространстве на некоторое расстояние, перпендикулярное его первоначальному направлению.

2. Пластина полуцилиндрической формы.

Эта форма позволяет наблюдать преломление на одной грани, исключив влияние второй.

• Если луч направить на плоскую грань перпендикулярно ей, он войдет в полуцилиндр без преломления, дойдет до цилиндрической поверхности и выйдет из нее также без преломления (так как он будет направлен по радиусу, то есть перпендикулярно касательной к поверхности в точке выхода).
• Если направить луч на плоскую грань под некоторым углом (не равным нулю) так, чтобы после преломления он шел к центру кривизны полуцилиндра, то на выходе с криволинейной поверхности он снова не преломится. В этом случае можно изучать преломление только на одной плоской границе.
• Если направить луч на криволинейную поверхность так, чтобы он шел по радиусу к центру кривизны, он войдет в стекло без преломления. Затем он упадет на плоскую грань, где и произойдет преломление при выходе в воздух. Эта схема очень удобна для изучения преломления на границе "стекло-воздух" и наблюдения полного внутреннего отражения.

Ответ: Да, прохождение луча зависит от формы тела. Плоскопараллельная пластина смещает луч, но не меняет его итогового направления (вышедший луч параллелен падающему). Тела с непараллельными гранями, такие как полуцилиндр, призма или линза, изменяют направление распространения луча.