Naujos sąvokos:
- šviesõs visiškasis vidaũs atspindỹs
- ribinis visiškojo ãtspindžio kam̃pas
- šviesólaidis
Šviesos visiškojo vidaus atspindžio reiškinys
Tikriausiai teko gėrėtis blizgančiais rasos lašeliais, skaityti apie dykumų miražus, domėtis šviesolaidžiais. Visi šie reiškiniai susiję su šviesos visiškuoju vidaus atspindžiu (2.7.1 pav.).
Jau žinote, kad šviesai pereinant iš optiškai retesnės terpės į optiškai tankesnę jos spindulio lūžio kampas yra mažesnis už kritimo kampą. Lūžęs spindulys artėja prie statmens terpių ribai (2.7.2 pav., a).
Šviesa gali pereiti ir iš optiškai tankesnės terpės į optiškai retesnę (2.7.2 pav., b). Pereidama ji taip pat lūžta. Šiuo atveju šviesos spindulio lūžio kampas yra didesnis už kritimo kampą. Lūžęs šviesos spindulys nutolsta nuo statmens terpių ribai (2.7.2 pav., b).
Tarkime, kad šviesa pereina iš vandens į orą. Didinant šviesos spindulio kritimo kampą, jo lūžio kampas didėja (2.7.3 pav., a, b). Kai šviesos spindulys krinta α0 kampu, jo lūžio kampas pasiekia didžiausią vertę – 90°. Šiuo atveju lūžęs šviesos spindulys šliaužia vandens ir oro riba (2.7.3 pav., c).
Kritimo kampas (α0), atitinkantis 90° lūžio kampą, vadinamas ribiniu visiškojo ãtspindžio kampù. Mūsų pavyzdyje vandens ribinis visiškojo atspindžio kampas lygus 48°35’. Žinoma, kad deimanto ribinis visiškojo atspindžio kampas yra 24°, o stiklo – nuo 30° iki 42°.
Toliau didinant kritimo kampą, šviesa nebepereina iš vandens į orą. Ji visiškai atsispindi nuo vandens ir oro ribos (2.7.3 pav., d) – įvyksta šviesos visiškasis vidaus atspindys. Šviesõs visiškuoju vidaũs ãtspindžiu vadinamas reiškinys, kai šviesa atsispindi nuo optiškai tankesnės ir retesnės terpių ribos.
Šviesos visiškojo vidaus atspindžio sąlygos yra dvi:
- šviesa turi sklisti iš optiškai tankesnės į optiškai retesnę terpę;
- šviesos kritimo kampas turi būti didesnis už ribinį visiškojo atspindžio kampą.
Šviesolaidis
Šviesos visiškasis vidaus atspindys taikomas labai plonų stiklo gijų kabeliuose – šviesólaidžiuose (2.7.4 pav., a). Šviesolaidžio šerdis yra plonas (nuo kelių mikrometrų iki kelių milimetrų skersmens) stiklinis cilindras, gaminamas iš didesnio optinio tankio stiklo ir padengiamas mažesnio optinio tankio stikliniu apvalkalu. Visas šviesolaidžio kabelis padengiamas plastikiniu (polimeriniu) apvalkalu (2.7.4 pav., b).
Šviesos pluoštas patenka į šviesolaidį kampu, daug didesniu už šerdies stiklo ribinį visiškojo atspindžio kampą. Nuo dviejų skirtingo optinio tankio terpių (šerdies ir stiklinio apvalkalo) ribos jis daug kartų visiškai atsispindi (2.7.4 pav., b), todėl šviesolaidžiu sklinda tolyn. Šviesa sklinda ne tik tiesiu, bet ir susuktu šviesolaidžiu.
Šviesolaidžių taikymas
Šviesolaidiniai kabeliai vadinami informacijos magistralėmis ir naudojami interneto ryšiui. Tokius kabelius sudaro keli šviesolaidžiai: vienais informacija perduodama į vieną pusę, kitais – į priešingą. Šviesolaidiniame kabelyje paprastai būna nuo šešių iki dvylikos šviesolaidžių.
Šviesolaidžiai plačiai taikomi endoskopuose – medicinos prietaisuose, kuriais tiriama vidaus organų, pavyzdžiui, plaučių, skrandžio, būklė. Endoskopuose yra dvi šviesolaidžio gijos: viena šviesa sklinda tiriamo organo link, kita – atsispindėjusi nuo jo.
Kodėl žėri deimantai?
Brangakmenių žėrėjimas taip pat paaiškinamas šviesos visiškuoju vidaus atspindžiu. Šlifuojamo deimanto sienelės išdėstomos taip, kad jame vyktų šviesos visiškasis vidaus atspindys (2.7.5 pav.). Nušlifuotas deimantas vadinamas briliantu.
Kaip susidaro dykumų miražai?
Karštuose dykumų smėlynuose dažnai galima pamatyti mirãžų. Jų susidarymą taip pat lemia šviesos visiškasis vidaus atspindys. Žinomi apatiniai ir viršutiniai miražai.
Aptarkime, kaip susidaro apatinis mirãžas. Dykumoje smėlis įkaista iki 60–70 °C ir įkaitina orą. Įkaitęs priežeminis oro sluoksnis plečiasi, retėja, sumažėja jo optinis tankis. Aukštesnių oro sluoksnių temperatūra yra žemesnė, jų optinis tankis didesnis. Šviesos spindulys, sklindantis nuo realaus objekto, pavyzdžiui, palmės arba kupranugario, eidamas per skirtingo optinio tankio oro sluoksnius, lūžta. Dideliu kampu krintantis šviesos spindulys atsispindi nuo vėsesnio ir karšto oro ribos ir patenka į stebėtojo akis. Stebėtojas mato objektą aukštyn kojomis (2.7.6 pav., a). Apverstas įsivaizduojamas dangaus vaizdas sukuria negyvos dykumos vandeningo paviršiaus vaizdinį (2.7.6 pav., a). Šis reiškinys optikoje vadinamas apatiniu miražu.
Viršutinis mirãžas susiformuoja, kai didesnės temperatūros oro sluoksnis susidaro virš žemesnės temperatūros oro sluoksnio. Šviesos visiškasis vidaus atspindys įvyksta ties vėsesnio ir karštesnio oro riba. Dėl to atrodo, kad matomas miražas plaukia virš horizonto (sausumos, jūros).
Vienu metu gali susidaryti apatinis ir viršutinis miražai – fatà morganà. Šio tipo miražą galima pamatyti siauroje juostoje arti horizonto. Fata morgana gali susidaryti sausumoje, jūroje, įvairiose geografinėse platumose, gali būti matoma ryto valandomis po šaltos nakties. Tai dažnas reiškinys aukštų kalnų slėniuose, Arkties jūrose, jį galima pamatyti ramiais rytais ledu padengtose Antarktidos lygumose. Stebint šio tipo miražą jūroje susidaro iliuzija, kad laivai plaukia virš vandens, gali būti matomi ir kiti virš horizonto kabantys vaizdai (2.7.6 pav., b).
Klausimai ir užduotys
- Koks reiškinys vadinamas šviesos visiškuoju vidaus atspindžiu? Kada jis gali įvykti?
- Pateikite šviesos visiškojo vidaus atspindžio pavyzdžių.
- Paaiškinkite, kodėl blizga rasos lašeliai. Atsakymą papildykite aiškinamuoju brėžiniu.
- Ar matys gandras tvenkinio dugne tupinčią varlę, jei šviesos spindulys nuo varlės krinta į vandens paviršių 50° kampu? Atsakymą papildykite aiškinamuoju brėžiniu.
- Šviesai sklindant 60° kampu iš vandens į orą, įvyksta visiškasis vidaus atspindys. Kam lygus šviesos atspindžio kampas? Atsakymą papildykite aiškinamuoju brėžiniu.
- Paaiškinkite, kaip susidaro viršutinis ir apatinis miražai. Pateikite aiškinamuosius brėžinius. Internete paieškokite informacijos apie miražus ir pasidalykite ja su klasės draugais.
- Paslaugą teikia UAB "Biznio mašinų kompanija" ir "Star Cloud OÜ"