1.Повне відбивання

Згідно із законом  заломлення електромагнітних хвиль їх заломлення не залежить від напрямку поширення. Важливі ефекти спостерігаються в разі, коли хвиля поширюється з оптично густішого середовища в оптично менш густе. Проаналізуємо закон заломлення для цього випадку: якщо . Це означає, що при переході з оптично більш густішого середовища в оптично менш густе пучок електромагнітних хвиль відхиляється від перпендикуляра. На мал. 4.43 наведено залежність sinγ від sin. Оскільки відношення  не залежить від напрямку поширення хвилі, то це залежність y = kx за . Із графіка видно, що sinγ досягне значення sinγ = 1 раніше, ніж sin, тобто заломленого пучка не буде. При цьому в міру подальшого збільшення кута падіння спостерігатиметься явище повного відбивання. Межа двох середовищ у цьому разі діятиме як ідеальне дзеркало.

Явище повного відбивання легко спостерігати в дослідах зі світлом. Для цього розмістимо тонкий скляний півциліндр на оптичному диску так, як показано на мал. 4.44. Спрямуємо тонкий пучок світла на бічну поверхню півциліндра так, щоб він проходив через геометричний центр О (мал. 4.44, а). Якщо пучок у півциліндрі буде перпендикулярним до площини зрізу АВ, то жодних змін у напрямку його поширення не буде. Якщо ж кут падіння поступово збільшувати (мал. 4.44, б), то пучок заломлюватиметься. При цьому кут заломленняу завжди буде більшим від кута падіння а. За певного значення кута а кут у дорівнюватиме 90° (мал. 4.44, в). У цьому разі кут падіння пучка світла називають граничним. Відбитий всередині скла пучок при цьому буде найяскравішим, і в міру подальшого збільшення кута падіння не змінюватиме своєї яскравості. За значенням граничного кута можна знайти відносний показник заломлення середовища. Скористаємося результатами експерименту, коли світло переходить зі скла в повітря. Для повітря показник заломлення близький до одиниці. Тому в разі повного відбивання закон заломлення запишемо так:

Явище повного відбивання широко застосовують у сучасній оптичній техніці. У багатьох оптичних приладах потрібно змінювати напрямок поширення світлових пучків із мінімальними втратами енергії на поверхнях оптичних деталей. З цією метою застосовують так звані призми повного відбиванння (мал. 4.45).

У цій призмі світло падає перпендикулярно до однієї із заломлюючих поверхонь, а тому без заломлення переходить у речовину призми. На другу її грань пучок уже падає під кутом, більшим від граничного і зазнає повного відбивання. Подібне стається і на третій грані призми. Зазнавши двічі повного відбивання, пучок виходить із призми, змінивши напрямок поширення на протилежний.

Особливо важливого практичного застосування повне відбивання набуло у волоконній оптиці. Промінь світла, спрямований на торець скляного стрижня, поширюватиметься в ньому на значні відстані практично без послаблення. При цьому світло не виходитиме за межі скляного стрижня, зазнаючи численних відбивань на межі скло—повітря (мал. 4.46). На   поширення   світла   не   впливає   форма стрижня. З багатьох таких стрижнів-волокон виготовляють волоконні світловоди, за допомогою яких передають зображення. Прикладом може бути волоконний ендоскоп, який допомагає лікарям досліджувати внутрішні органи людини, не пошкоджуючи їх. Волоконно-оптичні світловоди використовують для побудови кабелів зв'язку, в яких кожне волокно відіграє роль окремого провідника. Проте якщо металевим провідником можна передавати лише одну якусь інформацію, то кожне скляне волокно оптичного кабелю здатне передавати сотні таких інформацій за рахунок використання світлового сигналу різних довжин хвиль. Тому волоконно-оптичний кабель за однакових розмірів забезпечує передавання значно більшої за обсягом інформації, ніж металевий. Використання світла для передачі інформації істотно підвищило пропускну здатність ліній зв'язку. Волоконні технології впроваджуються і в комп'ютерну техніку, витісняючи напівпровідникові електронні елементи. При цьому якість комп'ютерів значно підвищується.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Чи може відбутися повне відбивання в разі переходу світла з води у скло?

2. Яке значення граничного кута в разі переходу світла з алмазу у воду?

3. Чи вийде світловий пучок з води в повітря, якщо кут падіння дорівнює 45°; 60°.

4. Граничний кут падіння в разі переходу променя світла зі скипидару в повітря дорівнює 42°23' Яка швидкість світла у скипидарі?

5. Точкове джерело світла розміщене на дні акваріума, наповненого водою до висоти 20 см. Непрозорий диск якого радіуса потрібно покласти на воду, щоб світло не виходило з неї?

ЗАПИТАННЯ

1. За яких умов відбувається повне відбивання світла?

2. Яке співвідношення між енергією падаючої і відбитої хвиль у разі повного відбивання?

3. Як можна спостерігати повне відбивання?

4. Як визначити показник заломлення речовини за повного відбивання?

5. Якого практичного застосування набуло явище повного відбивання?