Преломление света. Полное внутреннее отражение

Тема урока: Преломление света. Полное внутреннее отражение 📚

Цели урока 🎯

• Понять, почему луч меняет направление на границе сред 🧠

• Освоить закон преломления и показатель преломления 🔢

• Разобраться, когда наступает полное внутреннее отражение 💎

Основная часть урока 📝

1. Почему луч ломается на границе сред? 🤔

В разных средах свет движется с разной скоростью. Абсолютный показатель преломления n показывает, во сколько раз скорость света в среде меньше, чем в вакууме: n = c/v, где c = 3×10⁸ м/с — скорость света в вакууме, v — скорость света в среде (м/с). Величина n безразмерная.
Ориентиры: вода n ≈ 1,33, стекло n ≈ 1,5, алмаз n ≈ 2,42. Чем больше n, тем среда «оптически плотнее».

2. Закон преломления света 🔍

1. Падающий луч, преломлённый луч и нормаль лежат в одной плоскости.

2. sin α / sin γ = n₂/n₁, где α — угол падения, γ — угол преломления (оба от нормали), n₁ и n₂ — показатели преломления первой и второй среды.

✨ Важно: при переходе в оптически более плотную среду луч прижимается к нормали (γ < α), в менее плотную — отклоняется от нормали (γ > α).

3. Решаем задачи на преломление 🛠

Задача 1. Луч падает из воздуха (n₁ = 1) на стекло с n₂ = 1,41 под углом α = 45°. Найди угол преломления.

1. sin γ = sin α · n₁/n₂ = sin 45° / 1,41 = 0,707 / 1,41 ≈ 0,5.

2. γ = 30°.

3. Проверка: γ < α — луч вошёл в плотную среду и прижался к нормали. Ответ: 30°.

Задача 2. Найди скорость света в воде (n = 1,33): v = c/n = 3×10⁸ / 1,33 ≈ 2,26×10⁸ м/с. Проверка: скорость получилась меньше c — верно. Ответ: ≈2,3×10⁸ м/с.

4. Полное внутреннее отражение 💎

Пусть свет идёт из плотной среды в менее плотную (из воды в воздух). Тогда угол преломления больше угла падения. Увеличиваем угол падения: при некотором предельном угле α₀ преломлённый луч скользит вдоль границы, а при α > α₀ свет вообще не выходит — вся энергия отражается внутрь. Это и есть полное внутреннее отражение.
Предельный угол: sin α₀ = n₂/n₁; для границы «среда — воздух» sin α₀ = 1/n.

Задача 3. Найди предельный угол полного отражения для воды.

1. sin α₀ = 1/n = 1/1,33 ≈ 0,75.

2. α₀ = arcsin 0,75 ≈ 49°.

3. Для сравнения: у стекла (n = 1,5) sin α₀ ≈ 0,67 и α₀ ≈ 42° — чем плотнее среда, тем меньше предельный угол. Ответ: ≈49°.

5. Где работает полное отражение ✅

• Оптоволокно: свет бежит по стеклянной нити, отражаясь от стенок, — так работает быстрый интернет 🌐

• Поворотные призмы в биноклях и перископах заменяют зеркала 🔭

• Блеск огранённого алмаза: из-за большого n почти весь свет возвращается к зрителю 💍

Типичные ошибки ⚠️

• ❌ Путают, куда отклоняется луч → ✅ в более плотную среду — к нормали, в менее плотную — от нормали.

• ❌ Ищут полное внутреннее отражение при входе из воздуха в стекло → ✅ оно возможно только при выходе из плотной среды в менее плотную.

• ❌ Переворачивают отношение в законе преломления → ✅ запиши sin α / sin γ = n₂/n₁ и проверь логикой: в плотной среде угол меньше.

• ❌ Отсчитывают углы от поверхности → ✅ все углы — от нормали.

Мини-конспект 📋

• n = c/v; чем больше n, тем медленнее свет в среде.

• Закон преломления: sin α / sin γ = n₂/n₁.

• В плотную среду — к нормали, из плотной — от нормали.

• Полное отражение: только из плотной среды, при α > α₀.

• sin α₀ = 1/n для границы с воздухом; вода ≈49°, стекло ≈42°.

• Применение: оптоволокно, призмы, блеск алмаза.

Зачем это нужно? 🚀

• Интернет-трафик между городами и странами идёт по оптоволокну 🌐

• Ложка в стакане чая кажется «сломанной» — это преломление на границе вода–воздух 🥄

• Врачи осматривают внутренние органы эндоскопом — гибким световодом 🩺