2)Явление полного внутреннего отражения.

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снелла. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом преломления .

Красный луч падает под углом , то есть на границе сред он раздваивается — частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом .

Зелёный луч падает и полностью отражается .

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Фата-моргана, эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре. Здесь отражения возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней объясняется полным внутренним отражением, в результате которого каждый вошедший в кристалл луч образует большое количество достаточно ярких вышедших лучей, окрашенных в результате дисперсии.

Блеск алмазов, выделяющий их из прочих драгоценных камней, также определяется этим феноменом. Из-за высокого коэффициента преломления (n ≈ 2) алмаза оказывается большим и число внутренних отражений, которые претерпевает луч света с меньшими потерями энергии, по сравнению со стеклом и другими материалами с меньшим показателем преломления.

Отражение рыбы на поверхности раздела воздух-вода.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдается не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Светоделительный куб

Непосредственно за первой граничной поверхностью, то есть на расстоянии максимум, равной длине волны света, вторая граничная поверхность имеет тот же коэффициент преломления n1. Электромагнитная волна света проникает через полосу с коэффициентом преломления n2 и попадает во вторую граничную поверхность с коэффициентом преломления n1, но с меньшим значением энергии. Наблюдается раздвоение луча света, часть которого проникла в зону с коэффициентом преломления n2. В конечном результате луч раздваивается : часть распространяется дальше в первоначальном направлении, в то время как другая часть отражается. Потеря интенсивности в среде n2 проходит экспоненциально по формуле:

Предельный угол полного отражения.

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (n2>n1), то всегда существуют как отраженный, так и преломленный пучки, энергии которых соответствуют указанному выше условию. Несколько иной результат получается при переходе света из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, например из воды в воздух или из стекла в воду. Изобразить на доске (или вывести через проектор) рисунок:

Рисунок 2.

Если угол падения небольшой, то существуют оба пучка – как отраженный, так и преломленный. Если угол падения возрастает, то энергия отраженного пучка резко возрастает, а преломленного – столь же сильно убывает. При некотором угле падения угол преломления , а энергия преломленного пучка падает до нуля. Следовательно, в соответствии с равенством окажутся равными энергии отраженного и падающего пучка. Это явление называется полным отражением.

Найдем значение предельного угла пр, при котором преломленного пучка не будет. Этот угол в соответствии с законом преломления определяется так:

• n1= n2sin900

откуда:

• = n2/ n1 .

При угле падения, большем, чем предельный, пучок света, падающий на границу раздела, отражается от нее, как от зеркала. Преломленного пучка нет, свет полностью отражается от поверхности.

В том случае, когда свет выходит, например, из воды в воздух (для воздуха n2?1), выражение будет иметь вид:

• =1/ n .

Включить презентацию <Приложение 1 (слайд 2)>. На слайде наглядно изображено несколько вариантов преломления и отражения света при переходе из более плотной среды в менее плотную в зависимости от угла падения.