Преломление стекла: Преломление света в стекле. Преломление света — Гипермаркет знаний

Содержание

Тема: «Измерение показателя преломления стекла»

 Цель работы: Изучить законы преломления света и определить показатель преломления стекла.

Оборудование: стеклянная пластинка, лист миллиметровой бумаги(бумага в клетку), тонко отточенный карандаш, миллиметровая линейка электрическая лампа на подставке, экран с щелью, источник тока, соединительные провода,ключ.

 

       Известно, что скорость света в веществе всегда меньше скорости света в вакууме . Отношение скорости света в вакууме c к ее скорости в данной среде называется абсолютным показателем преломления: 

Cловосочетание «абсолютный показатель преломления среды» часто заменяют «показатель преломления среды».

 

Законы преломления: 

1. Лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред.

 

 

2. Отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред

 

 

 

 

 

 

1. Начертите линию на листе миллиметровой бумаги и положите пластинку так, чтобы одна из её параллельных граней совпадала с ней. Карандашом отметьте другую параллельную грань пластинки.

2. Направьте луч так, чтобы он падал на грань пластинки под углом. Убедитесь в том, что луч испытывает двукратное преломление.

3. Не сдвигая пластинку, отметьте точки 1 и 2 на пути падающего луча и точки 3 и 4 на пути преломлённого луча.

4. Снимите пластинку и начинайте чертить.

5. Проведите падающий луч через точки 1 и 2 до границы пластинки.Точку пересечения луча с пластинкой обозначьте буквой В.

6. Проведите прямую через точки 3 и 4 до границы со второй гранью.Точку пересечения преломлённого луча с гранью обозначьте буквой 

F.

7. Из точки В проведите окружность радиусом ВА.

 

8. Начертите линию, перпендикулярную граням и проходящую через точку В.

9. Проведите прямую линию через точки В F.

 

 

 

Лабораторная работа №3. «Измерение показателя преломления стекла»

 «Мало знать — надо уметь применять»

Рене Декарт

В предыдущей теме говорилось о явлении преломления света, а также вывели один из основных законов распространения света: закон преломления.

Преломление — это изменение направления распространения света, возникающее на границе раздела двух прозрачных сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Закон преломления света

гласит, что луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Отношение же синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, не зависящая от угла падения.

Как известно, любой постигнутый закон человек стремится использовать на практике.

Цель лабораторной работы: наблюдение преломления света на границе раздела сред воздух — стекло, а также измерение показателя преломления стекла.

Оборудование: источник электропитания, лампа, ключ, соединительные провода, экран со щелью, плоскопараллельная стеклянная пластина в форме трапеции, лист бумаги, линейка и карандаш.

Перед выполнением лабораторной работы необходимо произвести небольшую подготовку.

Так как будет определяться показатель преломления стекла относительно воздуха, то закон преломления света будет иметь вид:

где a — это угол падения пучка света на грань пластинки, b — угол преломления светового пучка в стеклянной пластине.

Для того, чтобы определить отношение синусов, поступают следующим образом. В самом начале, пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью карандаша обвести ее малую и большую грани. Затем, не смещая пластины, на ее малую грань необходимо направить узкий световой пучок под любым углом к грани. После этого, вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков, карандашом проставляются 4 точки.

Сняв пластину с листа бумаги, с помощью линейки прочерчивают входящий, преломленный и выходящий лучи. Затем, через точку раздела двух сред — воздух-стекло — опускается перпендикуляр к границе раздела и отмечаются углы падения и преломления. После этого, с помощью циркуля, рисуется окружность произвольного радиуса с центром в точке раздела двух сред воздух-стекло, и строятся два прямоугольных треугольника, например,

ABE и CBD.

Тогда, исходя из определения синуса угла, можно записать, что

Длины отрезков АЕ и DC, стоящих в формуле, измеряют при помощи линейки с миллиметровыми делениями. Их значения подставляются в расчетную формулу и высчитывают показатель преломления стекла.

Если в кабинете не хватает оборудования, то можно воспользоваться булавками. Для этого нужно на стол положить кусок поролона, для того чтобы было удобнее воткнуть булавки, и накрыть его белым листом бумаги. Сверху, на него, положить плоскопараллельную стеклянную пластину и, как и в предыдущем случае, обвести карандашом ее малую и большую грани. Затем возле малой грани воткнем первую булавку, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой, но так, чтобы у нас был ярко выраженный угол падения. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга. Снимаем оборудование и с помощью линейки достраиваем падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к точке падения луча на пластину. Далее все делается точно так же, как и в выше описанном нами способе.

А теперь приступим непосредственно к работе.

Для удобства записей результатов измерений и вычислений составим следующую таблицу.

Ход выполнения работы:

1. Установите источник света на столе. В окно прибора вставьте рамку со щелью так, чтобы щель располагалась вертикально.

2. Соберите электрическую цепь, присоединив лампочку к источнику постоянного тока через выключатель. Замкните цепь и получите яркую, тонкую полосу света на бумаге — световой луч.

3. Наблюдайте явление преломления света при различных углах паления, а затем зафиксируйте ход лучей.

4. Выполните построения в соответствии с рисунком и измерьте длины отрезков АЕ и DC Результаты измерений занесите в таблицу.

5. По формуле рассчитайте значение показателя преломления стекла и занесите его в таблицу.

6. Проделайте данный эксперимент еще не менее двух раз, меняя угол падения луча на пластинку, не забывая заносить все полученные данные в таблицу.

7. После проделанной работы рассчитайте абсолютные погрешности измерения отрезков.

8. Далее вычислите относительную и абсолютную погрешности измерения показателя преломления стекла.

9. Сравните результаты, полученные по формулам, и сделайте вывод о зависимости или независимости показателя преломления от угла падения светового луча.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит показатель преломления вещества?

2. В чем заключается явление полного отражения света на границе раздела двух сред?

3. Запишите формулу для вычисления скорости света в веществе с показателем преломления n.

Дополнительное задание:

Попробуйте, используя стеклянную пластинку, наблюдать явление полного отражения. Запишите, как вы осуществляли этот эксперимент.

свойства твердого стекла. Ч. 2 – статьи ТМ «ТИТАН»

Оптические свойства: преломление

Особенности взаимодействия световых лучей со стеклом определяют оптические свойства стекол. Одним из краеугольных свойств является преломление — изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой величиной скорости распространения. Световой луч при переходе из среды А в среду В с другой плотностью меняет свое направление на границе этих сред, поскольку скорость распространения света в средах А и В обратна их плотности. Схема преломления световых лучей на границе двух сред:


Отношением скорости света в среде, из которой падает свет на разделяющую границу к скорости света во второй среде называется относительным показателем преломления и является основной характеристикой преломления. Относительный показатель преломления пропорционален плотности среды: величина показателя преломления тем выше, чем больше значение плотности. Поскольку плотность стекла больше, чем удельный вес входящих в него оксидов, то самый высокий показатель преломления имеют стекла, содержащие оксиды тяжелых элементов, а самый низкий – содержащие оксиды легких элементов. Оксиды CaO, BaO, PbO и некоторые другие увеличивают показатель преломления, SiO – уменьшает.

Относительный показатель преломления всегда больше единицы для прозрачных сред «воздух-стекло», поскольку не имеет размерности.

Оптические свойства: дисперсия

Зависимость показателя преломления от длины волны или частоты света называется дисперсией. В процессе дисперсии показатель преломления увеличивается с возрастанием частоты или с уменьшением длины волны. Поток белого света проходит через стеклянную призму и расщепляется на разноцветные лучи. Из-за преломления лучей с разной длиной волны на экране, установленном за призмой, образуется радужная полоса – дисперсионный спектр:


В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная с фиолетового и заканчивая красным:


Наименьшей частотой и наибольшей длиной волны обладают лучи красной части дисперсионного спектра, а наибольшей частотой и наименьшей длиной волны – фиолетовые лучи. Таким образом, преломление фиолетовых лучей больше, чем красных. Состав стекла влияет на дисперсию: возрастание содержания в стекле оксидов тяжелых металлов, например, свинца (PbO), увеличивает дисперсию.

Оптические свойства: отражение

Отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения). Это явление характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему. Поверхность стекла отражает около 4% света.

Согласно закону отражения падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части:


Чем выше показатель преломления, тем больше коэффициент отражения. Стекла, которые содержат оксиды тяжелых элементов и имеют высокий показатель преломления, обладают и повышенным коэффициентом отражения. Наличие множества полированных поверхностей усиливает отражение, что успешно применяется в производстве хрустального стекла с алмазной гранью.

Существует несколько видов отражения:

Оптические свойства: рассеяние

Если световой пучок падает на неровную поверхность (А) или мелкие частицы (Б), то направление лучей меняется случайным образом и происходит рассеяние света.


То есть на рассеяние света прямо влияет состояние поверхности стекла и его однородность. Так, в прозрачном стекле почти не происходит рассеяния света. Неровная (матовая) поверхность стекла или равномерно распределенные в его массе инородные включения способствуют рассеянному прохождению сквозь него световых волн. Полупрозрачное матовое стекло распределяет свет более равномерно. Из подобных видов стекла изготавливают такие светорассеивающие элементы, как плафоны и абажуры для светильников, перегородки, двери и т. д.

Оптические свойства: пропускание и поглощение света

При прохождении пучка света определенной интенсивностью через прозрачную интенсивность первоначального потока ослабевает и выходящий из среды пучок света будет иметь меньшую интенсивность. Это снижение светового потока происходит из-за поглощения световой энергии вследствие взаимодействия света с частицами среды. Поглощение уменьшает общую светопрозрачность стекла, составляющую для прозрачного натрий-кальций-силикатного стекла около 93%.

Поглощение света неодинаково для волн различной длины, поэтому тонированные стекла имеют разный цвет. Воспринимаемый глазом цвет базируется на цвете той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной:


Различные виды стекла обладают различными показателями пропускания-поглощения лучей видимой части спектра, и это определяет их применение: например, свойства стекол в инфракрасной области важны для технологических процессов варки стекла и формования изделий. Показатели в ультрафиолетовой области характеризуют эксплуатационные свойства стекла: одни виды (например, увиолевое стекло) должны пропускать ультрафиолетовые лучи, другие (например, тарное стекло) – задерживать.

Для получения более подробной информации о свойствах современного стекла смотрите наше видео https://youtu.be/9z7wdvVrHzA

Лабораторная работа №42 «Определение показателя преломления стекла»

Лабораторная работа № 42

Раздел 5. Оптика

Тема 5.1. Природа света

Название работы: определение показателя преломления стекла

Учебная цель: наблюдать преломление света с помощью стеклянной пластины с двумя параллельными гранями, использовать законы преломления для расчета показателя преломления.

Учебные задачи: определить показатель преломления стекла относительно воздуха, сравнить с табличным значением, оценить погрешности

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: измерять показатель преломления вещества, делать выводы на основе экспериментальных данных. Представлять результаты измерений с учётом их погрешностей

знать: законы преломления света, что такое коэффициент преломления, его физический смысл

Обеспеченность занятия:

— методические указания по выполнению лабораторного занятия

— лабораторная тетрадь, стеклянная пластинка с двумя параллельными гранями, стеклянный полуцилиндр, Бумажный круг с градусами, карандаш хорошо отточенный, транспортир, линейка, циркуль, экран с щелью, источник света, таблица тригонометрических функций, таблица показателей преломления веществ относительно воздуха, бумага писчая

Порядок проведения занятия:

Для выполнения лабораторной работы учебная группа выполняет три задания (с разными пластинами)


Теоретическое обоснование 

Свет при переходе из одной среды в другую меняет своё направление, т. е. преломляется. Преломление объясняется изменением скорости при переходе из одной среды в другую и подчиняется следующим законам:

  1. Падающий и преломлённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым через точку падения луча к границе раздела двух сред.

  2. Отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  – величина постоянная для данных двух сред и называется коэффициентом преломления n второй среды относительно первой: n = = n

Вопросы для закрепления теоретического материала к занятию:

  1. В чём сущность явления преломления света и какова причина этого явления?

  2. В каких случаях свет на границе раздела двух прозрачных сред не преломляется?

  3. Что называется коэффициентом преломления и в чём различие абсолютного и относительного коэффициентов преломления?

  4. Докажите, что показатель преломления второй среды относительно первой

n 2,1 = n 2 / n 1, где n 1 и n 2 –абсолютные показатели первой и второй

сред.

5. Как определить геометрически показатель преломления n оп.

6. Как с помощью радиуса и перпендикуляра к нормали определить

синус угла падения и синус угла преломления?

  1. Как рассчитать абсолютную погрешность показателя преломления стекла n?

  2. Как рассчитать относительную погрешность измерения показателя преломления стекла? Каковы численные значения?

  3. Что показывает запись результата опыта n оп — nnn оп + n?

  4. Зависит ли показатель преломления стекла от угла падения луча света на пластину? Где в вашем опыте это видно?

  5. Чему соответствует ваш показатель преломления стекла по таблице? Что это за вещество или какой вид оптического стекла?

Содержание и Последовательность выполнения практической работы:

Задачи практической работы:

Задание 1

  1. Положить стеклянную пластинку на лист бумаги, обвести хорошо отточенным карандашом её контуры.

  2. Щель экрана направить на источник света. Экран перемещать, пока луч света не попадёт в среднюю точку на грань пластины.

  3. Отметить точками 1, 2, 3, 4 падающий луч на пластину и вышедшей луч из неё.

  4. Снять пластину (рисунок1) через точки 1, 2, 3, 4 провести прямые до пересечения с противоположными гранями. Через точку 2 провести перпендикуляр к границе сред воздух – стекло.

  5. Отметить угол падения и угол преломления, транспортиром измерить эти углы и по таблице значений синусов определить синусы измеренных углов.

  6. Опыт повторить 2 – 3 раза, меняя каждый раз угол.

  7. Вычислить коэффициент преломления, найти среднее значение. Определить погрешность измерения методом среднего арифметического.

  8. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу №1

Таблица №1

№ опыта

Угол падения светового луча град

Угол преломления

светового луча град

Коэффициент преломления

n

Среднее значение коэффициента преломления

n ср.

Абсолютная погрешность

n = nср – n

Среднее значение абсолютной погрешности

nср

Относительная погрешность

= 100%

Задание 2

Рекомендации

Для определения отношения, стоящего в правой части формулы,

n = ,

поступают следующим образом. Перед тем, как направить на пластину световой пучок, её располагают на столе, на листе миллиметровой бумаги так, чтобы одна из её параллельных граней совпала с предварительно отмеченной линией на бумаге. Эта линия укажет границу раздела сред воздух – стекло. Тонко очинённым карандашом проводят линию вдоль второй параллельной грани. Эта линия изображает границу раздела сред стекло – воздух. Не смещая пластины, на её первую параллельную грань направляют узкий световой пучок под каким – либо углом к грани. Вдоль падающего на пластину и вышедшего из неё световых пучков тонко очинённым карандашом ставят точки 1, 2, 3, 4 (рисунок 2). Лампочку выключают, пластину снимают и с помощью линейки прочерчивают входящий и преломлённый лучи. Через точку. В границы раздела сред воздух – стекло проводят перпендикуляр к границе, отмечают углы падения  и преломления . Циркулем проводят окружность с центром в точке В и строят прямоугольные треугольники АВЕ и СВД.

Так как Sin = , Sin  = и АВ. = ВС, то формула для определения показателя преломления стекла примет вид

n = (1)

Длину отрезков АЕ и DC измеряют по миллиметровой бумаге или с помощью линейки. Инструментальную погрешность можно считать равной 1 мм.

Максимальная относительная погрешность определяется по формуле:пр . приближённое значение рассчитывается по формуле (1).

Окончательный результат измерения показателя преломления записывается так: n = nпр

Порядок выполнения работы

  1. Подготовить бланк отчёта с таблицей для записи результатов измерений и вычислений, таблица №2

  2. Подключить лампочку через выключатель к источнику тока. С помощью экрана с щелью получить тонкий световой пучок.

  3. Измерить показатель преломления стекла относительно воздуха, при каком – ни будь угле падения. Результат записать с учётом погрешностей.

  4. Повторить то же при другом угле падения.

  5. Сравнить результаты, полученные по формулам n1пр —  n1n1  n1пр + n1 n2пр —  n2n2  n2пр + n2.

  6. Сделать вывод о зависимости (или независимости) показателя преломления от угла падения.

Рисунок 1 Рисунок 2

Таблица №2

Измерено

Вычислено

АЕ, мм

DC, мм

nпр

 АЕ, мм

 DC, мм

, 

 n

Задание 3

Порядок выполнения работы

  1. Положить стеклянный полуцилиндр на бумажный круг, разделённый на градусы, так чтобы центр круга и центр полуцилиндра совпадали рисунок 4

  2. Щель экрана направить на источник света перемещать прибор до тех пор, пока луч света не попадёт в среднюю точку на плоской грани полуцилиндра, рисунок 5

Рисунок 5

Рисунок 4


Измерить по кругу угол падения луча α и угол преломления и их значения использовать для определения коэффициента преломления стекла.

  1. Перемещая экран со щелью получить несколько значений для углов падения и преломления луча.

  2. Направить световой луч перпендикулярно плоской грани полуцилиндра, пронаблюдать ход луча в полуцилиндре и сделать вывод.

  3. Результаты измерений вычислить и записать в таблицу №2

  4. Найти среднее значение коэффициента преломления и вычислить методом среднего арифметического погрешности измерения


По окончанию практической работы студент должен представить: — Выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.


Список литературы: 

  1. В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей технического профиля М.: ИД Академия – 2018

  2. Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ по физике для СПО М.: Высшая школа,2000

  3. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями

О. М. Тарасов М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2017

Л. з. 17 Показатель преломления стекла

Лабораторное занятие 17

Определение показателя преломления стекла

Цель:

Опытным путем определить показатель преломления стекла

Оборудование:

Стеклянная пластина с двумя параллельными гранями, набор булавок, транспортир, лист миллиметровой бумаги (или лист бумаги в клеточку), линейка, таблица тригонометрических функций

Содержание работы:

Свет при переходе из одной среды в другую меняет свое направление, т.е. преломляется. Преломление объясняется изменением скорости распространения света при переходе из одной среды в другую, и подчиняется следующим законам:

Падающий и преломленные лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным через точку падения луча к границе раздела двух сред.

Отношение синуса угла падения а к синусу угла преломления у для данных двух сред — величина постоянная для данных двух сред и называется коэффициентом преломления n второй среды относительно первой: n = Sin/Sin

Ход работы:

1. На лист плашмя положить стеклянную пластину и карандашом обвести ее контуры.

  1. С другой стороны стекла наколоть возможно дальше друг от друга две булавки так, чтобы прямая, проходящая через них, не была перпендикулярна одной из параллельных граней пластинки.

  2. Третью булавку расположить по грани с другой стороны стекла и вколоть ее так, чтобы, смотря вдоль всех булавок через стекло, видеть их расположенными на одной прямой.

  3. Стекло, булавки снять, места наколов отметить точками 1,2,3. Через точки 1 и 2, 2 и 3 провести прямые до пересечения с контурами стекла.

  4. Отметить угол падения α и угол преломления γ, транспортиром измерить эти углы и по таблице значений синусов определить синусы измеренных углов.

  5. Опыт повторить 2-3 раза, меняя каждый раз угол α.

  6. Вычислить коэффициент преломления, найти его среднее значение.

  7. Определить погрешность измерения методом среднего арифметического.

  8. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу:

Номер опыта

Угол падения светового луча, град

Угол преломления, град

Коэффициент преломления,n

Среднее значение коэффициента преломления,nср

Абсолютная погрешность

Δn = │nT — non

Среднее значение абсолютной погрешности, Δn

Относительная погрешность δ

δ = Δn/nT ּ 100% или δ = │nтаб – nср/nтаб│ ּ 100%

Табличное значение n = 1,6

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность явления преломления света и какая причина этого явления?

2. В каких случаях свет на границе раздела двух прозрачных сред не преломляется?

3. Что называют коэффициентом преломления и в чем разница абсолютного и относительного коэффициента преломления?

5. Что можно сказать о длине и частоте светового луча при его переходе из воздуха в алмаз?

6. Как соотносятся угол падения и угол преломления в случаях:

а) падения луча из оптически менее плотной среды — в более плотную;

б) падения луча из оптически более плотной среды — в менее плотную.

Лабораторная работа Измерение показателя преломления стекла линзы

Цель работы: изучение законов геометрической оптики на примере преломления света на сферической поверхности; измерение показателя преломления стекла линзы.

Оборудование: плосковыпуклая линза, штангенциркуль, линейка.

Теоретическая часть

Законы отражения и преломления света

Отношение скорости распространения света в вакууме к скорости распространения света в данной среде называют абсолютным показателем преломления данной среды:

.

Чем меньше скорость света в данной среде по сравнению со скоростью света в вакууме (чем больше n1), тем оптически более плотной считается среда по сравнению с вакуумом.

Если луч света идет из среды с абсолютным показателем преломления n1 в среду с абсолютным показателем преломления n2, то показатель преломления второй среды относительно первой (относительный показатель преломления) равен:

. (1)

При этом:

а) лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным из точки падения;

б) , (2)

где — угол падения; — угол преломления луча.

Рис. 1. Отражение и преломление света на плоской границе раздела двух сред.

Если луч идет из среды оптически менее плотной в оптически более плотную, то n1  n2 и  (преломленный луч отклоняется от своего начального направления, приближаясь к перпендикулярному, восстановленному из точки падения луча).

Если луч идет из оптически более плотной среды в менее плотную среду, то n1n2 и  (преломленный луч отклоняется от своего начального направления к границе раздела сред).

Рассмотренный выше пример преломления света относится к преломлению на плоской поверхности, в общем же случае преломляющая поверхность может быть искривленной. Частным случаем искривленной преломляющей поверхности является сферическая поверхность.

Линза

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше (рис.  2).

Рис. 2. Собирающие (a) и рассеивающие (b) линзы и их условные обозначения.

Прямая, проходящая через центры кривизны O1 и O2 сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы O. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями.

Рис.3. Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах. Точки O1 и O2 – центры сферических поверхностей, O1O2 – главная оптическая ось, O – оптический центр, F – главный фокус, F’ – побочный фокус, OF’ – побочная оптическая ось, Ф – фокальная плоскость.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) вследствие преломления соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Пучки лучей, параллельных одной из побочных оптических осей, также фокусируются после прохождения через линзу в точку F’, которая расположена при пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф, то есть плоскостью перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через главный фокус (рис. 3). Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием. Оно обозначается той же буквой F.

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными и мнимыми, увеличенными и уменьшенными.

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей. Примеры таких построений представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Построение изображения в собирающей линзе.

Рис.5. Построение изображения в рассеивающей линзе.

Следует обратить внимание на то, что некоторые из стандартных лучей, использованных на рис. 4 и 5 для построения изображений, не проходят через линзу. Эти лучи реально не участвуют в образовании изображения, но они могут быть использованы для построений.

Если F – фокусное расстояние линзы, nл – показатель преломления материала, из которого изготовлена линза, nср – показатель преломления среды, в которой находится линза, R1 и R2 – радиусы кривизны поверхностей линзы, то формула тонкой линзы записывается следующим образом:

. (3)

Радиус кривизны выпуклой поверхности берут со знаком «плюс», вогнутой – со знаком «минус», для плоской – R=∞.

Если расстояние от предмета до линзы обозначить через d, а расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

. (4)

Величину D, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м:

1 дптр = м–1

В случае, если d>>f

. (5)

Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0.

Величины d и f также подчиняются определенному правилу знаков: d > 0 и f > 0 – для действительных предметов (то есть реальных источников света, а не продолжений лучей, сходящихся за линзой) и изображений; d < 0 и f < 0 – для мнимых источников и изображений.

Для случая, изображенного на рис.  4, имеем: F > 0 (линза собирающая), d = 3F > 0 (действительный предмет).

По формуле тонкой линзы получим: , следовательно, изображение действительное.

В случае, изображенном на рис. 5, F < 0 (линза рассеивающая), d = 2|F| > 0 (действительный предмет), , то есть изображение мнимое.

Как определить показатель преломления стекла

Несмотря на то, что нужную информацию можно найти в любом справочнике, студентам и школьникам часто приводятся методики определения показателя преломления стекла. Делается это потому, что расчет значения крайне нагляден и прост для объяснения физических процессов.

Формально показатель преломления является условной величиной, характеризующей способность материала изменять угол падения луча. Потому наиболее простым и очевидным способом определения n является эксперимент с лучом света.

N определяется при помощи установки, состоящей из источника света, линзы, призмы (или обычного стекла) и экрана. Свет, проходящий через линзу, фокусируется и падает на преломляющую поверхность, после чего отражается на экран, предварительно размеченный особым образом: на плоскости нарисована линейка, отсчитывающая угол преломления относительно исходного луча.

Главной формулой для нахождения n всегда является отношение sin(a)/sin(b)=n2/n1, где a и b – углы падения и преломления, а n2 и n1 — показатели преломления сред.(-1/2). M можно принять равным 1, а E расписать как 1+X, где X – электрическая восприимчивость среды. Она, в свою очередь может быть расписана через параметры вещества, которые, затем, выводятся в еще более общем виде. В конечном счете в формуле появляется w – частота волны.

Понимание показателя преломления стекла

Понимание поведения света может быть важным фактором при выборе стеклянных материалов для вашего производственного процесса. Когда свет проходит через вещество, его скорость уменьшается. Это проявляется увеличением показателя преломления вещества. Многое можно узнать об оптических свойствах стеклянного материала, взглянув на его показатель преломления.

Показатель преломления полезен по разным причинам.Во-первых, его можно использовать для расчета фокусирующей способности линз и рассеивающей способности призм. Его также можно использовать при оценке теплофизических свойств углеводородов и нефтяных смесей.

Что такое показатель преломления?

Показатель преломления n, также обычно называемый показателем преломления, измеряет луч света, когда он проходит из одной среды в другую. Когда он начинает проходить через материал, взаимодействие между электронами и фотонами снижает скорость света.По мере увеличения плотности электронов скорость света уменьшается. Вот почему свет движется с максимально возможной скоростью в вакууме, где никакие электроны не препятствуют его скорости.

Знание показателя преломления — среди других тепловых, химических и физических свойств — помогает убедиться, что стеклянный материал, который вы рассматриваете для своего применения, подходит для его предполагаемого использования.

Определение показателя преломления материала

Отношение между скоростью света в вакууме и более низкой скоростью света при его прохождении через данный материал позволяет нам определить показатель преломления данного материала.

Кроме того, количество прошедшего и отраженного света будет определять не только показатель преломления материала стекла, но и его угол преломления. Это связано с тем, что свет передается и отражается, когда световые лучи проходят через поверхность стеклянного материала.

Угол пропускания света можно рассчитать по закону Снеллиуса:

Расхождение между светопропусканием и углом падения становится тем больше, чем больше показатель преломления.Когда это происходит, происходит изменение существующего показателя преломления между стеклом и окружающей средой.

При Θi = 0° количество отраженного света можно определить по следующей формуле:

Наконец, интенсивность света уменьшается в среднем на 4% из-за потери отражения от поверхности большинства стеклянных материалов с показателем преломления 1,5.

Изменение показателя преломления из-за изменения длины волны известно как хроматическая дисперсия.

Заключение

Swift Glass предоставляет услуги по изготовлению стекла на заказ уже почти столетие, и предоставление высококачественных решений OEM-производителям является одним из наших основных принципов. Наш опыт и преданность обслуживанию клиентов позволяют нам понимать сложные потребности наших клиентов и превосходить их основные потребности.

Компания Swift Glass, зарегистрированная в ITAR и сертифицированная по стандарту ISO 9001:2015, является частным мировым лидером в производстве качественных стеклянных деталей.Swift Glass предлагает помощь в изготовлении, выборе материалов и производстве нестандартных решений и дизайна, гарантируя при этом высокое качество и точность.

Чтобы узнать больше об оптических свойствах стекла, загрузите нашу последнюю электронную книгу «Понимание оптических свойств стекла » уже сегодня!




Преломление света — Science Learning Hub

Преломление — это искривление света (это также происходит со звуковыми, водными и другими волнами) при переходе из одного прозрачного вещества в другое.

Это искривление за счет преломления позволяет нам иметь линзы, увеличительные стекла, призмы и радуги. Даже наши глаза зависят от этого искривления света. Без преломления мы не смогли бы сфокусировать свет на нашей сетчатке.

Изменение скорости вызывает изменение направления

Свет преломляется всякий раз, когда он распространяется под углом в вещество с другим показателем преломления (оптической плотностью).

Это изменение направления вызвано изменением скорости.Например, когда свет переходит из воздуха в воду, он замедляется, заставляя его продолжать двигаться под другим углом или в другом направлении.

Насколько преломляется свет?

Величина искривления зависит от двух вещей:

  • Изменение скорости – если вещество заставляет свет ускоряться или замедляться больше, он будет сильнее преломляться (изгибаться).
  • Угол падения луча – если свет падает на вещество под большим углом, преломление также будет более заметным.С другой стороны, если свет входит в новое вещество прямо (под углом 90° к поверхности), свет все равно будет замедляться, но совсем не изменит направление.

показатель преломления некоторых прозрачных веществ

Refractive Index

скорость света в веществе
(x 1 000 000 м / с)

Угол преломления, если
падающий луч падает на
вещество под углом 20º00

300

20

Вода

1,33

226

14,9

Стекло

1,5

200

13.22

13.2

Diamond

2,4

125

8.2

Все углы измеряются от воображаемой линии, проведенной под углом 90° к поверхности двух веществ. Эта линия представляет собой пунктирную линию и называется нормалью.

Если свет попадает в какое-либо вещество с показателем преломления выше (например, из воздуха в стекло), он замедляется. Свет изгибает к нормальной линии.

Если свет попадает в вещество с показателем преломления ниже (например, из воды в воздух), он ускоряется.Свет отклоняет от нормальной линии на .

Более высокий показатель преломления показывает, что свет замедляется и сильнее меняет направление по мере проникновения в вещество.

Линзы

Линза представляет собой просто изогнутый блок из стекла или пластика. Есть два вида линз.

Двояковыпуклая линза в середине толще, чем по краям. Это вид линзы, используемой для увеличительного стекла. Параллельные лучи света могут быть сфокусированы в фокусе. Двояковыпуклая линза называется собирающей линзой.

Изгибы двояковогнутой линзы в середине тоньше, чем по краям. Световые лучи преломляются наружу (рассеиваются), когда они входят в линзу, и снова, когда они выходят.

Преломление может создавать спектр

Исаак Ньютон провел знаменитый эксперимент, используя треугольный стеклянный блок, называемый призмой. Он использовал солнечный свет, падающий через его окно, чтобы создать спектр цветов на противоположной стороне его комнаты.

Этот эксперимент показал, что белый свет на самом деле состоит из всех цветов радуги.Эти семь цветов запомнились аббревиатурой ROY G BIV – красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Ньютон показал, что каждый из этих цветов нельзя превратить в другие цвета. Он также показал, что их можно рекомбинировать, чтобы снова получить белый свет.

Разделение цветов объясняется тем, что свет состоит из волн. Красный свет имеет большую длину волны, чем фиолетовый свет. Показатель преломления красного света в стекле немного отличается от показателя преломления фиолетового света.Фиолетовый свет замедляется даже больше, чем красный, поэтому преломляется под чуть большим углом.

Показатель преломления красного света в стекле равен 1,513. Показатель преломления фиолетового света равен 1,532. Этой небольшой разницы достаточно, чтобы более короткие волны света преломлялись сильнее.

Радуга

Радуга возникает из-за того, что каждый цвет преломляется под немного разными углами, когда входит, отражается внутри и затем покидает каждую крошечную каплю дождя.

Радугу легко создать с помощью пульверизатора и солнечного света.Центром круга радуги всегда будет тень вашей головы на земле.

Вторичная радуга, которую иногда можно увидеть, вызвана тем, что каждый луч света дважды отражается внутри каждой капли перед тем, как покинуть ее. Это второе отражение приводит к тому, что цвета вторичной радуги меняются местами. Красный находится вверху для первичной радуги, но во вторичной радуге красный цвет находится внизу.

Идеи для занятий

Используйте эти задания со своими учащимися для дальнейшего изучения преломления:

  • Изучение преломления и подводная охота – учащиеся направляют копья на модель рыбы в сосуде с водой.Когда они направляют свои копья к рыбе, они промахиваются!
  • Задача калькулятора угла преломления – учащиеся выбирают два типа прозрачного вещества. Затем они вводят угол падающего луча в табличный калькулятор, и для них рассчитывается угол преломленного луча.
  • Свет и зрение: правда или ложь? – учащиеся участвуют в интерактивном занятии «правда или ложь», в котором освещаются распространенные альтернативные представления о свете и зрении. Это задание можно выполнять индивидуально, в парах или всем классом.

Полезные ссылки

Узнайте больше о различных видах радуг и о том, как они формируются, на веб-сайте Atoptics – Отражение радуг и порядок радуг.

Узнайте больше о человеческом хрусталике, оптике, фоторецепторах и нервных путях, обеспечивающих зрение, из этого руководства от Biology Online.

Теперь вы видите это… Проверка преломления света

Ключевые понятия
Свет
Преломление
Отражение
Индекс преломления

Введение
Если налить воду в прозрачный стакан, какого она цвета? Ясно, да? Но что произойдет, если вы попытаетесь посмотреть сквозь него, чтобы увидеть мир по ту сторону стекла? Он выглядит немного искаженным, может быть, немного более нечетким и неравномерным.Если вода прозрачная, почему мы не можем ясно видеть сквозь нее? Ответ связан с тем, как свет проходит через воду, стекло и другие прозрачные материалы. Подобно тому, как вы пытаетесь бежать в бассейне, когда свет пытается двигаться через воду или стекло, он замедляется. Когда свет замедляется, он либо отражается от материала, либо преломляется при прохождении. Мы можем видеть эти изменения в свете, что указывает нам на то, что что-то есть. В этом упражнении вы будете играть со светом, чтобы обычные объекты появлялись и исчезали!

Фон
Когда свет, проходящий через воздух, попадает на воду, часть света отражается от воды.Остальной свет проходит через воду, но изгибается (или преломляется) при входе в воду. То же самое происходит, когда свет попадает на стекло или любой другой прозрачный материал. Некоторая часть света отражается от объекта, тогда как остальная часть проходит сквозь него и преломляется.

Все материалы имеют так называемый показатель преломления, который связан с тем, насколько быстро свет может проходить через материал. Когда свет проходит через воздух и попадает в другой прозрачный материал (например, стекло), его скорость меняется, и свет отражается и преломляется стеклом.Это приводит к тому, что мы видим стекло, потому что оно отражает и преломляет свет не так, как окружающий его воздух. Изменение света позволяет нам отличить один объект от другого. Однако если прозрачный объект окружен другим материалом с таким же показателем преломления, свет не изменит скорость при попадании в объект. В результате вы не сможете увидеть объект.

В этом упражнении вы увидите, как показатель преломления различных материалов помогает нам видеть (или не видеть!) объекты, когда свет проходит через них!

Материалы

  • Две прозрачные стеклянные банки, высокие миски или стаканы вместимостью не менее восьми унций (Совет: стекло Pyrex особенно хорошо подходит для этого занятия.)
  • Растительное масло, приблизительно 14 унций или достаточно, чтобы заполнить один из стаканов наполовину (Совет: избегайте использования «легкого» растительного масла для этого занятия.)
  • Стеклянная пипетка (пластиковая пипетка или прозрачная пластиковая соломинка для питья также подойдут. Если вы используете соломинку для питья вместо пипетки, каждый раз, когда вы погружаете соломинку, держите палец сверху, чтобы жидкость не попала в соломинку. Инструкции будут сказать вам, когда отпустить палец.)
  • Другие прозрачные стеклянные предметы, такие как шарики, бусы, увеличительное стекло или стеклянные мешалки (по желанию)

Подготовка

  • Заполните половину одной банки растительным маслом.
  • Наполните половину другого кувшина водой.
  • Перед началом занятия убедитесь, что ваша пипетка чистая.
  • Подготовьте плоскую рабочую поверхность, которую можно будет очистить, если на нее прольется вода или масло.

Процедура

  • Возьмите пипетку (или соломинку) и, не сжимая ее, погрузите ее в банку с водой. (На этом шаге не всасывайте воду пипеткой или соломинкой.) Что вы заметили в пипетке? Вы все еще видите это? Насколько ясно?
  • Удерживая пипетку в воде, сожмите верхнюю часть, чтобы всосать воду.Если вы используете соломинку, отпустите палец сверху, чтобы погруженная соломинка наполнилась водой. Изменилось ли что-нибудь в пипетке после того, как ее наполнили водой? Становится ли легче или труднее видеть пипетку, когда она наполнена водой?
  • Достаньте пипетку из воды и выдавите из нее всю лишнюю жидкость.
  • Опустите пипетку в масло, не сжимая ее. На этом первом шаге убедитесь, что масло не всасывается. Что вы заметили в пипетке? Вы все еще в состоянии видеть это? Было ли легче увидеть пипетку, когда она находилась в воде?
  • Сожмите пипетку, чтобы она наполнилась маслом. (Если вы используете соломинку, уберите палец с верхушки, чтобы погруженная в нее соломинка наполнилась маслом.) Что случилось? Вы все еще видите пипетку? Легче или труднее увидеть его сейчас, чем когда он был пуст?
  • Вытащите пипеткой масло из банки и выдавите излишки масла.
  • Медленно и осторожно перелейте масло из банки в банку с водой. Если вы сделаете это очень осторожно, масло сядет прямо на поверхность воды! (Это нормально, если они смешаются, они разделятся, как только вы перестанете лить.)
  • Дайте маслу и воде осесть и отделиться (около одной-двух минут). Что вы заметили в масле? В нем есть пузырьки? Если есть пузырьки, внимательно следите за ними и смотрите, поднимаются они или опускаются. Если они тонут, то на самом деле это пузырьки воды, попавшие в масло!
  • Наполните пипетку (или соломинку) маслом из банки, а затем медленно погрузите ее через слой масла так, чтобы пипетка была видна как в слое воды на дне, так и в слое масла. Посмотрите на пипетку в слое воды, затем в слое масла. Чем отличается капельница в этих двух слоях? Капельницу легче увидеть в масле или в воде?
  • Поместив нижний кончик пипетки в слой воды, сожмите пипетку, чтобы выдавить из нее масло и дать ей наполниться водой. Снова наблюдайте за масляной капельницей в слоях воды и масла. В этот раз легче увидеть капельницу в масле или в воде?
  • Дополнительно: Попробуйте повторить это упражнение, используя стеклянные предметы, такие как шарики, бусы, очки или линзы.(Убедитесь, что у вас есть разрешение опробовать любой предмет, прежде чем использовать его.) Обратите внимание, какие предметы труднее всего увидеть, когда вы держите их в масле, а не в воде. Как вы думаете, почему?

Наблюдения и результаты
Стала ли пипетка невидимой (или, по крайней мере, ее стало труднее увидеть), когда она была наполнена маслом и погружена в масло? Это то, что ожидается. Возможно, его также было трудно увидеть, когда он был в воде (и был полон воды).

Пипетка «исчезает» из-за того, как мы видим свет, когда он сталкивается со стеклом. Когда свет попадает на стеклянный предмет, часть света отражается (отскакивает) от стекла. Остальной свет продолжает проходить через стеклянный объект, но свет изгибается (или преломляется) при переходе из воздуха в стекло.

Показатель преломления масла очень близок к показателю преломления стекла. Поэтому, когда свет проходит через масло и попадает в стеклянную пипетку, очень небольшая его часть отражается или преломляется.В результате мы видим лишь «призрак» пипетки в масле.

Дополнительные материалы для изучения
Демонстрация преломления света, от PBS Learning Media
Использование лазера для измерения скорости света в желатине, от Science Buddies
Измерение содержания сахара в жидкости с помощью лазерной указки, от Science Buddies

Это задание было предложено вам в сотрудничестве с Science Buddies

Учебник по физике: преломление и зрение

В Разделе 13 Учебного пособия по физике подчеркивалось, что мы можем видеть, потому что свет от объекта может достигать наших глаз.Каждый объект, который можно увидеть, виден только потому, что свет от этого объекта попадает в наши глаза. Когда вы смотрите на Мэри в классе, вы можете видеть Мэри, потому что она освещена светом, и этот свет отражается от нее и попадает в ваши глаза. В процессе созерцания Марии вы направляете свой взгляд по линии в сторону Марии. Если вы хотите увидеть макушку Марии, то направляйте взгляд вдоль линии к ее макушке. Если вы хотите увидеть ноги Марии, то вы направляете свой взгляд вдоль линии к ногам Марии.И если вы хотите рассмотреть образ Марии в зеркале, то вы должны направить свой взор по линии на место, где находится образ Марии. Это направление нашего взгляда в определенном направлении иногда называют линией взгляда .

 

Сломанный карандаш

Когда свет проходит через заданную среду, он движется по прямой линии. Однако, когда свет переходит из одной среды во вторую среду, световой путь изгибается.Происходит преломление. Преломление происходит только на границе. Как только свет пересек границу между двумя средами, он продолжает двигаться по прямой линии. Только теперь направление этой линии отличается от того, что было в прежней среде. Если при взгляде на объект свет от этого объекта меняет среду на пути к вашему глазу, вероятно, произойдет визуальное искажение. Это визуальное искажение становится свидетелем, если вы посмотрите на карандаш, погруженный в стакан, наполовину наполненный водой. Когда вы смотрите сквозь стекло на часть карандаша, расположенную над поверхностью воды, свет проходит прямо от карандаша к вашему глазу.Поскольку этот свет не изменяет среду, он не будет преломляться. (На самом деле происходит смена среды с воздуха на стекло и обратно на воздух. Поскольку стекло такое тонкое, а свет начинается и заканчивается в воздухе, преломление в стекле и из него вызывает небольшое отклонение в первоначальном направлении света. .) Когда вы смотрите на ту часть карандаша, которая была погружена в воду, свет переходит из воды в воздух (или из воды в стекло и в воздух). Этот световой луч меняет среду и впоследствии преломляется.В результате изображение карандаша кажется сломанным. Кроме того, часть карандаша, погруженная в воду, кажется шире, чем та часть карандаша, которая не погружена в воду. Эти зрительные искажения объясняются преломлением света.

 

В этом случае световые лучи, которые претерпевают отклонение от своего первоначального пути, — это те, которые проходят от погруженной части карандаша через воду, через границу, в воздух и, в конечном счете, в глаз.На границе этот луч преломляется. Взаимодействие глаза и мозга не может объяснить преломление света. Как было подчеркнуто в Модуле 13, мозг определяет местонахождение изображения как место, откуда исходят световые лучи. Это место на изображении — это место, где пересекаются либо отраженные, либо преломленные лучи. Глаз и мозг предполагают, что свет распространяется по прямой линии, а затем распространяет все входящие лучи света назад, пока они не пересекутся. Лучи света от погруженной части карандаша будут пересекаться в другом месте, чем лучи света от той части карандаша, которая выступает над поверхностью воды.По этой причине погруженная часть карандаша кажется в другом месте, чем часть карандаша, выступающая над водой. На диаграмме справа показан вид с высоты птичьего полета на путь света от погруженной части карандаша к каждому из ваших глаз. Учитываются только левый и правый концы (ребра) карандаша. Синие линии изображают путь света к правому глазу, а красные линии изображают путь света к левому глазу. Обратите внимание, что световой путь изгибается на границе.Пунктирные линии представляют собой продолжение линий обзора назад в воду. Обратите внимание, что эти выносные линии пересекаются в данной точке; точка представляет собой изображение левого и правого края карандаша. Наконец, обратите внимание, что изображение карандаша шире самого карандаша. Лучевая модель света, учитывающая преломление света на границах, адекватно объясняет наблюдения сломанного карандаша.

Фото физики с Flickr

Соломинку кладут по диагонали в наполовину наполненный стакан с водой.На поверхности воды соломинка кажется смещенной или сломанной; часть соломинки над водой смещена относительно изображения, наблюдаемого под водой. Искривление пути света при переходе из воды в воздух вызывает наблюдаемое искажение изображения соломинки.

Феномен сломанного карандаша происходит во время вашей повседневной подводной охоты. К счастью для рыб, свет преломляется на пути от рыбы в воде к глазам охотника.Преломление происходит на границе вода-воздух. Из-за этого искривления пути света рыба кажется там, где ее нет. Происходит визуальное искажение. Впоследствии охотник запускает копье в место, где, как предполагается, находится рыба, и промахивается по рыбе. Конечно, рыба никогда не беспокоится о таких охотниках; они знают, что свет преломляется на границе и что место, где наблюдает охотник, не совпадает с местом настоящей рыбы. Как рыба стала такой умной и научилась всему этому? Они живут в школах.


Теперь любая рыба, выполнившая домашнее задание по физике, знает, что степень преломления зависит от угла, под которым свет приближается к границе. Мы подробно изучим этот аспект преломления в Уроке 2. А пока достаточно сказать, что по мере того, как охотник с копьем смотрит более перпендикулярно к воде, степень преломления уменьшается. Самые успешные охотники те, кто смотрит перпендикулярно воде.А самые умные рыбы — это те, которые устремляются на глубину, когда замечают охотников, наблюдающих в этом направлении.

 

Поскольку при пересечении границы происходит преломление света, часто возникают визуальные искажения. Эти искажения возникают, когда свет меняет среду по пути от объекта к нашим глазам.

 

 

Фото физики с Flickr

Эта ледяная кружка, полная корневого пива A&W, кажется, так быстро опустошается.То, что кажется большим количеством рутбира, на самом деле является большим количеством стекла. Обман раскрывается, когда кружку с рутбиром погружают в воду. Глядя на кружку над уровнем воды, кажется, что в ней много корневого пива. Но глядя на кружку ниже уровня воды, видишь истину; вода, окружающая стекло, сводит к минимуму эффект преломления и выявляет большое количество стекла. Нас обманули!

Что такое показатель преломления? | Адоптика

Показатель преломления (также известный как показатель преломления) определяется как отношение скорости света при его прохождении через две среды.Это безразмерное число, зависящее от температуры и длины волны светового луча.

«Показатель преломления описывает, насколько быстро световой луч проходит через среду».

В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое показатель преломления, при чем здесь полное внутреннее отражение и показатель преломления нашей заказной полимерной оптики.

Объяснение показателя преломления

Показатель преломления материала, выраженный числом, показывает, насколько искривляется или преломляется путь света при попадании в этот материал.Показатель преломления также определяет количество света, которое отражается при достижении границы раздела, а также критический угол полного внутреннего отражения.

Формула показателя преломления

Формула показателя преломления выглядит следующим образом: n = c / v

  • n показатель преломления
  • c скорость света в вакууме (или воздухе)
  • v — скорость света в среде (например, в воде, оливковом масле и т. д.).)

Закон Снелла

Закон Снелла связывает углы преломления и падения с показателями преломления вовлеченных сред. Закон Снелла определяет, что произведение синуса угла, образованного между лучом света, прямой линией нормали и показателем преломления среды, должно быть постоянным.

Показатель преломления зависит от длины волны

Показатели преломления материала зависят от длины волны. Для многих материалов показатель преломления изменяется для каждой длины волны на пару процентов.Показатели преломления чаще всего сообщаются с использованием одного значения n , а именно измерения на 633 нм.

Проверьте наше техническое описание , чтобы узнать о наших самых современных возможностях и свойствах материалов.

Полное внутреннее отражение

В случае, если свет не может быть пропущен, он подвергается полному внутреннему отражению. Это происходит, когда свет проходит от менее оптически плотного материала, т.е. материал с более низким показателем преломления.Полное внутреннее отражение может иметь место только тогда, когда углы падения больше критического угла.

Преломление

Свет меняет направление при переходе из одной среды в другую, в результате чего происходит преломление света. Этот эффект можно наблюдать, наблюдая, как белый свет расщепляется на цвета при преломлении. Тот же эффект наблюдается в примах и радугах. Когда свет движется к материалу с более высоким показателем преломления, угол преломления будет меньше угла падения.Это приводит к тому, что свет преломляется по нормали к поверхности. Когда свет проходит через среду с более низким показателем преломления, вместо этого свет будет преломляться от нормали и, таким образом, двигаться к поверхности.

Показатели преломления стекла и пластмасс

Стекло

Показатель преломления стекла зависит от состава и длины волны. Обычное кроновое стекло при освещении белым светом имеет показатель преломления 1,52, в то время как среднее бесцветное стекло имеет показатель преломления 1.63, а акрил имеет показатель преломления 1,49.

Пластик

Обычные прозрачные пластмассы имеют показатель преломления в диапазоне от 1,3 до 1,6. Тем не менее, есть также некоторые полимеры с высоким показателем преломления с показателем преломления до 1,76.

Кастомная оптика и адоптика

В Addoptics мы изготавливаем индивидуальную оптику в течение нескольких дней. Мы используем собственную технологию прототипирования и производства оптики для прототипирования и серийного производства. С нашей уникальной производственной службой вы можете получить свою оптику экономично и быстро.

В нашем процессе используется запатентованный материал с показателем преломления из 1544 при 650 Нм . Ознакомьтесь с нашим техническим описанием, чтобы узнать о самых последних свойствах материалов и текущих возможностях.

Зачем использовать нестандартную полимерную оптику?

Существуют различные преимущества пластиковой оптики по сравнению со стеклянной оптикой. Во-первых, себестоимость производства ниже. Пластиковая оптика имеет более высокую ударопрочность, она не раскалывается, как стекло. Полимерная оптика весит меньше.Само светопропускание аналогично высококачественному стеклу.

Конечно, есть и недостатки; полимерная оптика более подвержена повреждениям, вызванным царапинами или вмятинами, а полимерная оптика, как правило, не переносит резких колебаний температуры. Однако, на наш взгляд, эти недостатки перевешиваются преимуществами использования полимерной оптики.

Нужна нестандартная пластиковая оптика?

Готовы ли вы масштабировать прототипирование и производство с помощью высококачественной нестандартной оптики? Выберите Addoptics в качестве поставщика оптики, и мы поставим высококачественную оптику в кратчайшие сроки.Мы предлагаем недорогую индивидуальную оптику по конкурентоспособным ценам со значительной скидкой при заказе нескольких.

Не стесняйтесь обращаться к нам, чтобы обсудить возможности создания прототипов и изготовления оптики на заказ.

Источники

Оптические свойства стекла: как взаимодействуют свет и стекло | Копп Стекло

Это вторая статья из серии из трех частей, в которой рассматриваются тепловые, оптические и механические свойства стекла.Мы определим общие свойства стекла и объясним их применение и важность в конструкции компонентов.

Мы часто слышим от инженеров, которые оценивают влияние перехода от одного материала линзы к другому. Например, они могут перейти от существующей конструкции линз из поликарбоната к стеклу из-за опасений по поводу долговечности в суровых условиях. Они спрашивают: «Могу ли я использовать существующую конструкцию линз с новым материалом стекла? Будет ли результирующий световой поток иметь ту же цветность, распределение и интенсивность?» Ответы на эти вопросы коренятся в понимании оптических свойств материалов.

Оптические свойства материала определяют, как он будет взаимодействовать со светом. Сегодня большинство инженеров используют передовые программные инструменты для моделирования свойств материала и их влияния на оптические характеристики. Тем не менее, знакомство с некоторыми фундаментальными оптическими свойствами поможет инженерам выбрать правильный материал для своего приложения. В этой статье мы рассмотрим коэффициент преломления, пропускание, поглощение и зависимость от длины волны и обсудим, как эти свойства влияют на дизайн продукта.

Показатель преломления

Вы, наверное, знакомы с понятием «путешествие со скоростью света», но знаете ли вы, что скорость света может меняться? Скорость света уменьшается, когда он проходит через среду из-за взаимодействия фотонов с электронами. Как правило, более высокая плотность электронов в материале приводит к более низким скоростям. Вот почему свет распространяется быстрее в стекле, быстрее в воде и быстрее всего в вакууме. Показатель преломления ( n ) материала определяется как отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале.

Свет, падающий на стеклянную поверхность, будет отражаться под углом, равным углу падения, и передаваться по закону Снеллиуса. При нормальном падении отражается примерно 4 % света; это значение определяется показателем преломления стекла.

Когда луч света падает на стеклянную поверхность, часть луча отражается, а часть проходит. Показатель преломления стекла определяет не только то, сколько  света отражается и передается, но и угол его преломления  в стекле.Угол передачи можно рассчитать по закону Снеллиуса:

Более высокие показатели преломления в стекле приводят к большей разнице между углом падения и пропусканием света. Отражение света на поверхности происходит из-за мгновенного изменения показателя преломления между стеклом и окружающей его средой. При нормальном падении (Θ i  = 0°) количество отраженного света определяется как

Для большинства стекол с показателем преломления 1,5 потери на отражение на поверхности приводят к снижению интенсивности света примерно на 4%.

Заявка:

При разработке линзы, пропускающей свет, необходимо учитывать показатель преломления материала. Даже небольшое изменение показателя преломления может повлиять на распределение проходящего света в канделах. Это можно увидеть в приведенном ниже примере, где свет проходит через две плосковыпуклые линзы одинаковой формы с разными показателями преломления.

Распределение силы света, проходящего через линзу, зависит не только от формы линзы, но и от показателя преломления.

Распределение силы света справа от стеклянной линзы с типичным показателем преломления 1,5. Слева показана линза с показателем преломления 1,6. Она может быть изготовлена ​​из стекла с более высоким показателем преломления или пластика, например как поликарбонат. Для применения, требующего освещения большей площади поверхности, может быть лучше выбрать стекло с меньшим показателем преломления. Или, например, вы хотите получить большую интенсивность ближе к центру распределения кандел; вы бы выбрали материал с более высоким показателем преломления.Понимание этого оптического свойства даст вам еще один инструмент, который поможет выбрать правильный материал и добиться желаемых результатов.

Поглощение

Когда свет проходит через стекло, интенсивность света обычно снижается. Это поглощение происходит, когда энергия фотона света соответствует энергии, необходимой для возбуждения электрона внутри стекла до более высокого энергетического состояния, и фотон поглощается стеклом.

Спектр поглощения стекла зависит от состава.Стекла со стандартными пиками поглощения в своих спектрах, такие как фильтр Kopp Glass 3131, изображенный здесь, можно использовать для калибровки спектрофотометров. Большие пики поглощения соответствуют спадам в спектрах пропускания.

Оптическая плотность стекла, показанная на рисунке выше как функция длины волны, часто используется для описания уменьшения интенсивности света при его прохождении через стекло. Определяется как

Это значение зависит от состава и толщины стекла, а также от длины волны падающего света.

Заявка:

Редкоземельные стеклянные фильтры часто используются для калибровки поглощения и пропускания спектрофотометров. Эти очки поглощают свет на очень определенных длинах волн, что позволяет калибровать хорошо охарактеризованные пики поглощения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектрах.

В некоторых случаях полезно уменьшать светоотдачу в равных частях для всех длин волн. Фильтры нейтральной плотности, например, почти одинаково поглощают все длины волн и часто используются в фотографии для уменьшения интенсивности света, не влияя на цвет.Они также используются для ослабления лазеров и других источников света, мощность которых нельзя отрегулировать или уменьшить.

Передача/Пропускание

Любой свет, который не поглощается стеклом и не отражается от его поверхности, будет проходить через стекло. Часто очень важно точно знать, сколько света пройдет через стекло при определенных длинах волн. Часто очки обсуждаются с точки зрения их пропускания или пропускания. Оба этих термина предоставляют одну и ту же информацию, но коэффициент пропускания указывается в диапазоне от 0 % до 100 %, а коэффициент пропускания — от 0 до 1.

Внешнее пропускание рассчитывается на основе интенсивности падающего света I 0 и интенсивности света, выходящего из стекла I. Оно учитывает поверхностное отражение. Внутренняя передача, с другой стороны, не включает потери на отражение. Он определяется по интенсивности света сразу после входа в стекло I 1 и непосредственно перед выходом из стекла I 2 .

Коэффициент пропускания также часто указывается как внутренняя передача и определяется как:

Внешний коэффициент пропускания включает как потери на поглощение материала, так и потери света из-за отражения на двух стеклянных поверхностях, в то время как внутренний коэффициент пропускания включает только потери на поглощение материала.

Заявка:

Отчет о значениях коэффициента пропускания материала может варьироваться в зависимости от применения или общепринятой отраслевой номенклатуры. В то время как для большинства промышленных стекол оптические свойства указываются как внешнее пропускание, значения фильтрующих стекол обычно указываются как внутреннее пропускание. Это связано с тем, что фильтрующие стекла могут быть обработаны антибликовым покрытием для предотвращения потери интенсивности на поверхности стекла. Например, стеклянный фильтр, который имеет внешнее пропускание 92% при 589.2 нм может иметь гораздо более высокий внутренний коэффициент пропускания 0,98, как в случае с нашим фильтром 3131.

При просмотре листа свойств стекла и проектировании детали важно знать, относятся ли отраслевые спецификации, которым вы пытаетесь соответствовать, к внешнему или внутреннему пропусканию. Например, многие спецификации Федерального авиационного управления (FAA) для аэропортов и аэрокосмических приложений содержат требования, которые обеспечиваются при внешней передаче. Стандарт SAE Aerospace AS 25050 требует определенных коэффициентов внешней передачи для изделий разного цвета.В зависимости от уровня передачи изделиям присваиваются различные сорта (A-D).

Зависимость значений от длины волны

Важно отметить, что все описанные выше оптические свойства зависят от длины волны. Например, показатель преломления стекла увеличивается по мере того, как длина волны падающего света становится короче. Дисперсия показателя преломления часто показывается на примере расщепления белого света при прохождении через призму. Согласно закону Снелла, поскольку n синий  > n красный , свет с синими длинами волн сильнее преломляется или меняет направление, а с красными длинами волн преломляется меньше, когда они входят, проходят и покидают поверхности из разных материалов.

Показатель преломления стеклянного материала, изменяющийся в видимом спектре длин волн. Использование оптической призмы показывает эффект этого индекса изменения в видимом спектре, поскольку белый свет расщепляется на отдельные длины волн и цвета.

Зависимость показателя преломления от длины волны часто описывается с помощью эмпирического уравнения Коши,

здесь А, В и С — константы, характерные для состава стекла. Это соотношение хорошо работает для видимых длин волн, но часто не точно описывает поведение в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне.

Отражение, поглощение и пропускание стекла также зависят от длины волны. Цвет стекла определяется длиной волны, которую стекло поглощает и пропускает. Например, стекло, поглощающее волны зеленого, желтого и красного цветов и пропускающее волны синего цвета, будет казаться глазу голубым. Цветность — это то, о чем мы много знаем и обсудим более подробно в следующей статье блога.

Заявка:

По мере распространения светодиодов и их замены обычными источниками света важно учитывать, чем отличается их светоотдача.На изображении ниже показано, как различается спектральная мощность синего, зеленого и красного светодиодов по сравнению с лампой накаливания (CIE Illuminant A). Цветные светодиоды имеют узкий диапазон длин волн излучаемого света, что необходимо учитывать при разработке для конкретных длин волн приложения.

Например, если вы проектируете оптические призмы или другие элементы объектива, крайне важно выбрать правильный показатель преломления. Как упоминалось ранее, показатель преломления меняется в зависимости от длины волны, поэтому может потребоваться учесть любые изменения показателя и разработать оптические характеристики, работающие во всем спектре, со светодиодами в диапазоне от синего до зеленого и красного.

Спектральный выход света сильно различается в зависимости от источника. Линзы, предназначенные для ламп накаливания, не будут иметь такой же светоотдачи, если источник будет изменен на белый или цветной светодиод.

До сих пор в этой серии мы обсуждали тепловые и оптические свойства стекла и их влияние на дизайн продукта. Это всего лишь два элемента успешного дизайна. В нашей последней статье этой серии будут рассмотрены механические свойства стекла, которые особенно важны, когда изделия используются в суровых условиях или подвергаются воздействию агрессивных химических веществ.

 


Узнайте больше о стекле

Чтобы помочь вам разработать более эффективные линзы для очков, мы создали всеобъемлющую электронную книгу, содержащую более 40 страниц информации о тепловых, оптических и механических свойствах стекла.

Если вы хотите узнать, как проектировать стеклянные линзы и компоненты, оптимизированные как для ваших требований к производительности, так и для условий эксплуатации, загрузите нашу бесплатную электронную книгу.

Исчезающие стеклянные стержни: наука о преломлении и свете

Вы видите стеклянный предмет, потому что он и отражает, и преломляет свет.Когда свет, путешествуя по воздуху, сталкивается со стеклянной поверхностью под углом, часть света отражается. Остальной свет продолжает идти, но он искривляется или преломляется, когда движется от воздуха к стеклу.

Когда свет переходит из воздуха в стекло, он замедляется. Именно это изменение скорости заставляет свет отражаться и преломляться при переходе от одного прозрачного материала (воздуха) к другому (стеклу). Каждый материал имеет показатель преломления, который связан со скоростью света в материале.Чем выше показатель преломления материала, тем медленнее свет распространяется в этом материале.

Чем меньше разница в скорости между двумя прозрачными материалами, тем меньше будет отражение на границе и тем меньше будет преломление проходящего света. Если прозрачный объект окружен другим материалом с таким же показателем преломления, то скорость света не изменится при попадании в объект. Не будет отражения и преломления, и объект будет невидим.

Растительное масло Wesson имеет почти такой же показатель преломления (n), что и стекло Pyrex (n = 1,474). Различные типы стекла имеют разные показатели преломления. В масле Wesson пирекс исчезает, но другие типы стекла, такие как крон или бесцветное стекло, остаются видимыми. К счастью для нас, большая часть лабораторной посуды и посуды для домашних кухонь производится из стекла Pyrex.

Для большинства стекол Pyrex соответствие индекса с маслом Wesson не идеально.Это связано с тем, что стекло Pyrex имеет внутреннюю деформацию, из-за которой его показатель преломления меняется в разных местах объекта. Даже если вы можете сопоставить показатель преломления, например, для одной части палочки для перемешивания из пирекса, совпадение не будет идеальным для других частей палочки. Поэтому призрачное изображение стержня остается даже при наилучшем совпадении индексов.

Показатель преломления масла (и стекла тоже) зависит от температуры. Эта демонстрация будет работать лучше в некоторые дни, чем в другие.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.