Закон отражения света

Источники материалов:

Касьянов В.А. Физика.10кл.: Учебник для общеобразоват.учеб.завед. –М.: Дрофа, 2017.

Тема: Принцип Гюйгенса. Отражение волн.

Цели урока.

Обучающая: углубить и систематизировать знания учащихся об особенностях распространения света на границе раздела двух сред, ввести понятия: передовой фронт волны, фронт механической волны, луч, мнимое изображение. Сформулировать принцип Гюйгенса. Дать учащимся закон отражения волн на количественном уровне.

1. Изучение нового учебного материала.
. Принцип Гюйгенса.

Волна на поверхности воды от точечного источника. Для изучения рассмотрим в качестве аналогии возникновение волны на воде, вызванной точечным источником. Для этого используем волновую ванну и насадку в виде уголка из толстой проволоки.

Рис 1.

Если в воде в центре быстро опускать (за промежуток времени t) и поднимать насадку, то на поверхности воды возникает волна. Ее появление связано с изменением расстояний между молекулами воды при воздействии на них насадки (рис. 1). В невозмущенном состоянии межмолекулярные промежутки примерно одинаковы. Уменьшение расстояния между молекулами 1—2 и 1'—2' (сжатие) приводит к увеличению сил отталкивания между ними, которое по цепочке передается через промежуток времени tмолекулам 5—6 и 5'—6'.

Таким образом, через промежуток времени t передовой фронт волны сжатия, распространяющейся в воде со скоростью v, будет находиться от точки О на расстоянии vt

Опр. Передовой фронт волны — совокупность наиболее отдаленных от источника точек, до которых дошел процесс распространения волны. Фронт механической волны — совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

В каждой точке фронта волны возникает сжатие. Это эквивалентно тому, что в каждой точке фронта волны опускается и вынимается насадка. В любой точке фронта есть как бы вторичный точечный источник.

В 1678 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс сформулировал этот результат следующим образом.

Принцип Гюйгенса

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Пример. С помощью двух барьеров сделали щель небольшого размера. На экране в области за щелью наблюдаются волны. Частицы воды, находящиеся в пространстве щели, становятся новым источником волн. Таким образом, каждую точку волны можно рассматривать как источник вторичных круговых волн. Подтверждение принципа Гюйгенса.

Фронтом волны точечного источника в однородном пространстве является сфера. Зная положение фронта волны АВ в момент времени tс помощью принципа Гюйгенса можно найти фронт волны А'В' через промежуток времени (рис1). Вторичные волны, распространяющиеся от каждой точки волнового фронта АВ, через время ∆t удаляются от него на расстояние v∆t.
Сферическая поверхность радиуса v(t+ ∆t), огибающая все вторичные волны в момент времен (t + ∆t), определяет положение фронта волны в этот момент времени.

Амплитуда возмущения во всех точках сферического фронта волны, распространяющейся от точечного источника, одинакова.

Принцип Гюйгенса удобен для описания распространения как механических, так и электромагнитных волн.

Направление распространения фронта волны. Вторичные механические волны — результат передачи возмущения соседним частицам среды. Стрелки на ( рис.1) показывают направление распространения фронта волны в каждой точке. Их направления радиальные, т. е. перпендикулярны фронту.

Опр. Луч - вектор перпендикулярный фронту волны, показывающий направление переноса энергии волны в данной точке.

В однородной среде направление распространения волны не изменяется. В однородной среде волна распространяется во всех направлениях прямолинейно.

2.2 Отражение волн

Закон отражения волн. Изменение направления распространения волны может происходить при отражении ее от границы раздела двух сред. Обратимся к демонстрации.

Рассмотрим закон отражения света на качественном уровне.

1.Обратимся к демонстрационному опыту. Падающий на зеркало луч, отражённый луч и перпендикуляр к поверхности зеркала, проведённые на лимб в точке падения, расположены в одной плоскости. Поворачивая лимб вместе с зеркалом относительно падающего луча света, отмечаю учащимся, что эта взаимная ориентация сохраняется при любых углах падения.

Найти количественно это изменение позволяет принцип Гюйгенса.

Закон отражения света

Рассмотрим отражение плоской волны. Волна называется плоской, если поверхности равной фазы (волновые поверхности) представляют собой плоскости. На рисунке 3.11 MN — отражающая поверхность, прямые А,А и В_ХВ — два луча падающей плоской волны (они параллельны друг другу). Плоскость АС — волновая поверхность этой волны.

Угол а между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения называют углом падения. Угол у между перпендикуляром к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения.

Закон отражения состоит из двух утверждений:

· 1) угол отражения равен углу падения: а = у;

· 2) падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости;

Закон преломления света

1. Падающий луч, луч, преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости (рис. 3.12).

Рис. 3.12

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

где п — относительный показатель преломления (показатель преломления второй среды относительно первой).

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды.

Можно выразить относительный показатель преломления через абсолютные показатели преломления п и п₂ первой и второй сред:

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

Полное отражение

В случае перехода луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду существует такой угол падения, при котором преломленный луч скользит по границе раздела сред с разной оптической плотностью. При этом угол преломления равен 90°. Такой угол падения называется предельным углом полного отраженияа₀: