Радуга и волоконная оптика

Радуга

Радуга у всех на виду - она обычно наблюдается в виде двух окрашенных дуг (двух соцветных луков, о которых пишет Данте), причем в верхней дуге цвета располагаются в таком порядке сверху вниз: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный, а в нижней дуге наоборот - от красного до фиолетового.

Для запоминания их последовательности есть мнемонические фразы, первые буквы каждого слова в которых соответствуют первым буквам названия цвета Например, такой является фраза "Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан" или другая, не менее известная, "Как Однажды Жан-Звонарь Головою Сшиб Фонарь". И. Ньютон, изучавший спектры, также выделил в радуге семь цветов, хотя, конечно, это тоже довольно условно. Радуга даёт уникальную возможность наблюдать в естественных условиях разложение белого света в спектр. Радуга обычно появляется после дождя, когда Солнце стоит довольно низко.Где-то между Солнцем и наблюдателем ещё идёт дождь.

Солнечный свет, проходя сквозь капли воды, многократно отражается и преломляется в них, как в маленьких призмах, и лучи разного цвета выходят из капель под различными углами. Это явление называется дисперсией (разложением) света. В результате образуется яркая цветная дуга (а на самом деле круг; целиком его можно увидеть с самолёта).Иногда наблюдаются сразу две, реже - три разноцветные дуги.Первую радугу создают лучи, отразившиеся внутри капель однократно, вторую - лучи, отразившиеся дважды, и т. д. Вид радуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров и количества водяных капель в воздухе.

Яркая радуга бывает летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.

Как правило, такая радуга предвещает хорошую погоду. В яркую лунную ночь можно увидеть радугу от Луны. Радуга возникает в свете полной луны, когда идет дождь.

Поскольку человеческое зрение устроено так, что при слабом освещении наиболее чувствительные рецепторы глаза - "палочки" - не воспринимает цвета, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем "цветнее" радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы - "колбочки"). Радуга поэтизировалась многими народами.

Яркая радуга бывает летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.

Как правило, такая радуга предвещает хорошую погоду. В яркую лунную ночь можно увидеть радугу от Луны. Радуга возникает в свете полной луны, когда идет дождь.

Поскольку человеческое зрение устроено так, что при слабом освещении наиболее чувствительные рецепторы глаза - "палочки" - не воспринимает цвета, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем "цветнее" радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы - "колбочки"). Радуга поэтизировалась многими народами.

Возникновение радуги

Чтобы объяснить возникновение радуги, воспользуемся рисунком .

Пусть на каплю водыпадает белый свет от Солнца под углом a , близким к 90° (например, a=73°).

Преломляясь, белый свет благодаря дисперсии разложится в спектр. В самом деле, для красного света показатель преломления воды n_к=1,331 и угол преломления a_к= 45°54'; для синего n_с=1,337 и угол преломления a_с=45°36'. Разница невелика, но она есть — и это главное.

В верхней точке свет падает на границу раздела воды и воздуха под углом, близким к предельному, и потому большая часть энергии отражается внутрь воды, хотя часть света и выходит в воздух.

То же самое происходит в нижней точке, но этот выходящий свет воспринимается глазом на фоне более темного неба. Так как капель очень много, то при определенных размерах капель, положении Солнца и наблюдателя видна яркая радуга, причем синий участок обычно расположен выше красного, что понятно из рисунка.

Волоконная оптика

На явлении полного отражения основано появление целого раздела оптики — волоконной оптики, в котором изучается формирование изображений при распространении света по световодам.

Свет от источника распространяется по световодам, диаметр которых в зависимости от назначения колеблется от нескольких микрометров до миллиметров. В применяемом стеклянном волокне основная световедущая жила окружена оболочкой с меньшим показателем преломления На границе раздела двух сред происходит полное отражение света. За счет этого световой пучок практически без потерь проходит от источника к освещаемой поверхности.

Применение различных устройств волоконной оптики очень широко: от техники до медицины. Например, одножильные световоды или жгуты из волокон уже много лет применяют для освещения внутренних поверхностей желудка, мочевого пузыря и других внутренних органов при диагностике и проведении операций. Такой прибор называется эндоскопом (от греч. endon - внутри и skopeo — смотрю). В технике световоды применяютдля освещения недоступных мест, а также для передачи сигналов на большие расстояния. Модулируя световой пучок, идущий по световоду, можно по нему на значительные расстояния передавать информацию - речь, музыку, изображения, информацию от вычислительных машин и т. п.

Потери энергии света при прохождении его через световод связаны большей частью с поглощением света в жиле. Поэтому высокопрозрачные световоды изготавливают из весьма чистых материалов. Основной метод этого производства вытягивание световода из расплава кварцевого стекла; наружная оболочка из того же кварца легируется примесями, снижающими показатель преломления (бор, германий, фосфор).

Решение задач

1) Скорость света в каждой из двух сред соответственно равна 2,5*10⁸м/с и 2*10⁸м/с. Каков угол падения света на границу раздела этих сред, если угол преломления при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную составляет 40°?

2) При падении света на границу раздела двух сред под углом 18° угол преломления составил 31°. Каким должен быть угол падения, чтобы угол преломления равнялся 50°?

Дано Решение

3) Чему равны скорости световых волн желтого и голубого цветов в оптической среде с показателями преломления для них соответственно n_ж = 1,515, n_г = 1,521? Скорость света в вакууме с = 2,998*10⁸ м/c.

Сайт создан по технологии «Конструктор e-Publish»