Номер 7, страница 146, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 10. Электромагнитная природа света. Параграф 96. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 7, страница 146.

Условие.

• Свет в различных средах.

Решение.

Распространение света в различных средах описывается несколькими ключевыми явлениями и характеристиками, которые зависят от оптических свойств самой среды.

Скорость света и показатель преломления

В вакууме свет распространяется с максимальной и постоянной скоростью, обозначаемой $\text{c}$, примерно равной $3 \cdot 10^8$ м/с. При переходе в любую материальную среду (воздух, вода, стекло и т.д.) скорость распространения света $\text{v}$ уменьшается. Для описания оптических свойств среды используется физическая величина, называемая абсолютным показателем преломления $\text{n}$. Она показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде. Рассчитывается по формуле:

$n = \frac{c}{v}$

Поскольку скорость света в среде не может превышать скорость света в вакууме ($v \le c$), абсолютный показатель преломления любой среды всегда больше или равен единице ($n \ge 1$). Для вакуума $n=1$. Для воздуха $n \approx 1,0003$, поэтому его показатель преломления часто принимают равным единице. Для воды $n \approx 1,33$, для обычного стекла $n \approx 1,5$. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.

Ответ: В различных средах свет распространяется с разной скоростью, которая характеризуется показателем преломления $\text{n}$ — отношением скорости света в вакууме к скорости света в среде.

Отражение и преломление света

Когда луч света достигает границы раздела двух сред с разными показателями преломления ($n_1$ и $n_2$), он разделяется на два луча: один отражается обратно в первую среду, а другой проходит во вторую, изменяя свое направление (преломляется). Эти процессы описываются двумя законами:

1. Закон отражения: Угол падения $\alpha$ равен углу отражения $\beta$. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр (нормаль) к границе раздела, проведенный в точке падения, лежат в одной плоскости. Математически: $\alpha = \beta$.

2. Закон преломления (закон Снелла): Отношение синуса угла падения $\alpha$ к синусу угла преломления $\gamma$ есть величина постоянная для этих двух сред, равная их относительному показателю преломления. Падающий луч, преломленный луч и нормаль лежат в одной плоскости. Математически: $\frac{\sin \alpha}{\sin \gamma} = \frac{n_2}{n_1}$, или в более удобной форме: $n_1 \sin \alpha = n_2 \sin \gamma$.

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в более плотную ($n_1 < n_2$), то луч преломляется ближе к нормали ($\gamma < \alpha$). Если наоборот, из более плотной в менее плотную ($n_1 > n_2$), то луч отклоняется от нормали ($\gamma > \alpha$).

Ответ: На границе двух сред свет частично отражается согласно закону отражения и частично преломляется, изменяя направление своего распространения в соответствии с законом Снелла.

Полное внутреннее отражение

Это явление может возникнуть только при условии, что свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из воды в воздух, т.е. $n_1 > n_2$). Согласно закону Снелла, в этом случае угол преломления будет больше угла падения. Существует такой предельный угол падения $\alpha_{пр}$, при котором угол преломления $\gamma$ становится равен $90^\circ$. Его можно найти из условия: $n_1 \sin \alpha_{пр} = n_2 \sin 90^\circ$, откуда $\sin \alpha_{пр} = \frac{n_2}{n_1}$. Если угол падения света на границу раздела превышает этот предельный угол ($\alpha > \alpha_{пр}$), то преломление не происходит, и весь световой пучок полностью отражается обратно в первую, более плотную среду. Это явление лежит в основе работы оптоволокна, эндоскопов и поворотных призм в биноклях.

Ответ: При переходе света из более плотной оптической среды в менее плотную под углом, превышающим предельный, свет полностью отражается от границы раздела сред.

Дисперсия света

Дисперсией называется явление зависимости показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света. Для большинства прозрачных сред, таких как стекло или вода, показатель преломления увеличивается с увеличением частоты света. Это означает, что фиолетовый свет (с высокой частотой и короткой длиной волны) преломляется сильнее, чем красный свет (с низкой частотой и длинной волной). Именно дисперсия является причиной того, что стеклянная призма раскладывает белый свет в спектр (радугу), так как лучи разных цветов преломляются под разными углами. Явление радуги в небе также объясняется дисперсией света в каплях воды.

Ответ: Дисперсия — это зависимость показателя преломления среды от цвета (длины волны) света, из-за которой белый свет при преломлении разлагается в спектр.

Поглощение и рассеяние света

При прохождении через материальную среду интенсивность света всегда уменьшается. Это происходит из-за двух основных процессов: поглощения и рассеяния.Поглощение — это процесс превращения энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества. Среды, слабо поглощающие свет, называются прозрачными (стекло), а сильно поглощающие — непрозрачными (металл).Рассеяние — это изменение направления распространения света из-за его взаимодействия с мелкими частицами или неоднородностями среды. Рассеяние солнечного света молекулами воздуха объясняет, почему небо голубое (голубой свет рассеивается эффективнее), а солнце на закате красное (прямые лучи, прошедшие через толщу атмосферы, "теряют" синюю часть спектра из-за рассеяния).

Ответ: В любой материальной среде свет частично поглощается, теряя энергию, и рассеивается на неоднородностях, изменяя направление своего движения.