Оптика Понимание критического угла для полного внутреннего отражения
Оптика---Критический-угол-для-полного-внутреннего-отражения
Понимание-полного-внутреннего-отражения
Представьте,-что-вы-находитесь-на-краю-бассейна-в-солнечный-день.-Вы-подносите-лицо-близко-к-воде-и-смотрите-под-углом.-Вы-замечаете,-что-под-определенным-углом-вы-едва-можете-что-то-увидеть-вне-воды;-это-почти-выглядит-как-зеркало.-Это-явление,-когда-свет-полностью-отражается-обратно-в-среду-вместо-преломления,-известно-как-полное-внутреннее-отражение-(ПВО).
В-основе-ПВО-лежит-увлекательная-концепция,-известная-как-критический-угол.-Критический-угол-—-это-минимальный-угол-падения,-при-котором-происходит-полное-внутреннее-отражение.-Теперь-давайте-углубимся-в-науку,-стоящую-за-этим.
Объяснение-критического-угла-простыми-словами
Критический-угол-можно-понять,-используя-принципы-преломления-света,-управляемые-законом-Снелла.-Когда-свет-проходит-из-более-плотной-среды-(например,-воды)-в-менее-плотную-среду-(например,-воздух),-он-отклоняется-от-нормали.-С-увеличением-угла-падения-преломленный-луч-отклоняется-еще-дальше-от-нормали.-Когда-этот-угол-достигает-определенной-точки,-преломленный-луч-скользит-вдоль-границы-двух-сред.-Этот-конкретный-угол-называется-критическим-углом.-Любой-угол,-превышающий-критический-угол,-приводит-к-полному-внутреннему-отражению.
Формула-критического-угла
Закон-Снелла-определяет-связь-между-углами-падения-и-преломления-и-показателями-преломления-двух-сред:
n1-*-sin(θ1)-=-n2-*-sin(θ2)
Где:
- n1:-Показатель-преломления-более-плотной-среды
- θ1:-Угол-падения
- n2:-Показатель-преломления-менее-плотной-среды
- θ2:-Угол-преломления
При-критическом-угле-(θc),-угол-преломления-θ2-становится-90-градусов,-так-как-преломленный-луч-скользит-вдоль-границы.-Подставив-это-в-закон-Снелла,-мы-получаем:
n1-*-sin(θc)-=-n2-*-sin(90°)
Так-как-sin(90°)-=-1,-формула-упрощается-до:
sin(θc)-=-n2-/-n1
Или-в-удобной-форме:
θc-=-arcsin(n2-/-n1)
Использование-параметров:
n1:-Показатель-преломления-более-плотной-среды-(безразмерный)n2:-Показатель-преломления-менее-плотной-среды-(безразмерный)
Примеры-расчета-критического-угла
Пример-1:-Интерфейс-вода-воздух
Рассмотрим-случай-света,-проходящего-из-воды-(n1-=-1,33)-в-воздух-(n2-=-1,00).-Используя-формулу:
θc-=-arcsin(1.00-/-1.33)
Расчеты-дадут:
θc-≈-48,75°
Это-означает,-что-для-любого-угла-падения,-превышающего-48,75°,-свет-будет-претерпевать-полное-внутреннее-отражение-на-границе-вода-воздух.
Пример-2:-Интерфейс-стекло-воздух
Рассмотрим-свет,-проходящий-из-стекла-(n1-=-1,5)-в-воздух-(n2-=-1,00):
θc-=-arcsin(1.00-/-1.5)
Расчеты-дадут:
θc-≈-41,81°
Свет,-проходящий-из-стекла-в-воздух-под-углами-падения,-превышающими-41,81°,-будет-полностью-внутренне-отражаться.
Раздел-часто-задаваемых-вопросов-(FAQ)
Каково-значение-критического-угла?
Критический-угол-имеет-значение-в-оптике,-так-как-он-определяет-условие-для-полного-внутреннего-отражения,-что-важно-для-различных-приложений,-таких-как-оптоволоконная-связь,-бинокли-и-определенные-оптические-приборы.
Может-ли-полное-внутреннее-отражение-происходить,-когда-свет-проходит-из-менее-плотной-в-более-плотную-среду?
Нет,-полное-внутреннее-отражение-может-происходить-только-при-прохождении-света-из-более-плотной-среды-в-менее-плотную.
Что-происходит,-если-угол-падения-точно-равен-критическому-углу?
Если-угол-падения-точно-равен-критическому-углу,-преломленный-световой-луч-будет-проходить-вдоль-границы-двух-сред.
Заключение
Понимание-критического-угла-имеет-ключевое-значение-в-изучении-оптики.-Используя-формулу-θc-=-arcsin(n2-/-n1)-и-зная-показатели-преломления-двух-рассматриваемых-сред,-можно-определить-угол, за пределами которого будет происходить полное внутреннее отражение. Это явление не только увлекательное, но и весьма практичное, лежащее в основе технологий в оптоволокне и различных оптических устройствах.