ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.1

Отражение и преломление света.

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике. Запустите программу. Выберите в разделе «Оптика» работу «Отражение и преломление света». Нажмите кнопку с изображением страницы во внутреннем окне. Прочитайте теорию и запишите необходимое в свой конспект лабораторной работы. Закройте окно теории, нажав кнопку с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Рассмотрение процессов отражения и преломления света.

• Изучение явления полного внутреннего отражения.

• Экспериментальное подтверждение законов отражения и преломления света.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптики: закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде; закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике); закон отражения света; закон преломления света.

Закон отражения: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения равен углу падения:

 =  (1)

Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

(2),

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

(3).

Абсолютным показателем преломления среды называется величина n, равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде: (4).

Сравнение с формулой для фазовой скорости электромагнитных волн (5) дает, что (6), где  и  - соответственно электрическая и магнитная проницаемость среды. Учитывая выражение (2), закон преломления можно записать в виде:

(7).

Из симметрии этого выражения вытекает обратимость световых лучей: если обратить преломленный во второй среде луч, заставив падать его на границу раздела под углом , то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом .

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотную) ( ), например, из стекла в воду, то согласно (7):

Отсюда следует, что преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления  больше, чем угол падения . С увеличением угла падения увеличивается угол преломления до тех пор, пока при некотором угле падения ( = _пр) угол преломления не окажется равным /2. Угол _пр называется предельным углом. При углах падения  > _пр весь падающий свет полностью отражается.

По мере приближения угла падения к предельному углу интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – увеличивается. Если  = _пр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего луча. Таким образом, при углах падения в пределах от _пр до /2 луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей равны. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения.

Предельный угол _пр определим из формулы (7) при подстановке в нее  = /2: (8)

Уравнение (8) удовлетворяет значениям угла _пр при , следовательно, явление полного внутреннего отражения имеет место только при падении света из среды оптически более плотной в менее плотную.

МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите рисунок и зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

ИЗМЕРЕНИЯ

1. Подведите маркер мыши к движку регулятора вблизи установленного по умолчанию значения относительного показателя преломления n, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок, установив числовое значение n, взятое из таблицы 1 для вашей бригады.

2. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора расстояния между щелями, установите значение угла падения светового луча  = 10. Измерьте, используя шкалу на экране, угол преломления  и запишите в таблицу 2. Увеличивая значение угла  каждый раз на 10, измерьте и зафиксируйте в таблице 2 еще 7 значений угла преломления .

3. Установив новое числовое значение относительного показателя преломления n из таблицы 1 для вашей бригады, повторите измерения по п.2 и запишите результаты в таблицу 3, аналогичную предыдущей.

4. Установив при произвольном значении угла  относительный показатель преломления n из первого столбца таблицы 4, измерьте по шкале на экране и запишите в таблицу экспериментальное значение предельного угла ₀. Проделайте это для всех значений n из таблицы 4.

ТАБЛИЦА 1. Значения относительного показателя преломления (не перерисовывать)

Бригада	1	2	3	4	5	6	7	8
n	1,10	1,20	1,30	1,40	1,50	1,60	1,70	1,80
	1,15	1,25	1,35	1,45	1,55	1,65	1,75	1,85

ТАБЛИЦЫ 2 - 3. Результаты измерений при n = ____

,	10	20	30	40	50	60	70	80
,
sin
sin
n = sin/sin
n

ТАБЛИЦА 4. Результаты измерений и вычислений.

n	1,10	1,15	1,20	1,25	…	1,75	1,80	1,85
0
1/n
arcsin(1/n)


ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:

1. Рассчитайте и внесите в таблицы значения синусов углов падения и преломления светового луча.

2. Вычислите отношения sin/sin для каждого измерения и внесите в таблицу эти числа как экспериментально определенные значения относительных показателей преломления. Оцените абсолютную ошибку измерения, сделайте вывод.

3. Для таблиц 2 – 3 постройте в одной системе координат графики зависимостей sin от sin и определите по графику относительный показатель преломления n, используя формулу:

4. Занесите в таблицу 4 значения 1/n. Зафиксируйте в таблице расчетные значения предельных углов внутреннего отражения, определив их по формуле:

Рассчитайте абсолютную ошибку измерения, сделайте вывод.