Optiikka

Täydellinen sisäinen heijastuminen

Kriittisen kulman takana mikään valo ei pääse ulos – säde heijastuu täysin takaisin tiheämpään väliaineeseen (θc = arcsin(n₂/n₁)).

Täydellinen sisäinen heijastuminen – interaktiivinen Optiikka-simulaatio. Kriittisen kulman takana mikään valo ei pääse ulos – säde heijastuu täysin takaisin tiheämpään väliaineeseen (θc = arcsin(n₂/n₁)). Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Täydellinen sisäinen heijastuminen

Kriittisen kulman takana mikään valo ei pääse ulos – säde heijastuu täysin takaisin tiheämpään väliaineeseen (θc = arcsin(n₂/n₁)).

Kun valo kulkee tiheämmästä harvempaan väliaineeseen, tulokulman kasvattaminen saavuttaa lopulta kriittisen kulman, jossa taittuneet säteet ajaisivat pitkin pintaa. θ_c:n takana kaikki energia heijastuu sisäisesti – kuitoptiikan ja timantin kirkkauden periaate.

• θ_c = arcsin(n₂/n₁)
• Ei läpäisyä θ_c:n jälkeen

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Valo, joka kulkee tiheämmästä väliaineesta (kuten lasista) kohti harvempaa (kuten ilmaa), voi heijastua kokonaan taittumisen sijaan, jos tulokulma on tarpeeksi jyrkkä. Onko korkeammaindeksisella lasilla pienempi vai suurempi kriittinen kulma?

Punniteltavat ennusteet

• Korkeammaindeksisella lasilla on suurempi kriittinen kulma.
• Kriittinen kulma ei riipu lasin indeksistä.
• Korkeammaindeksisella lasilla on pienempi kriittinen kulma – täydellinen sisäinen heijastuminen käynnistyy helpommin.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Lasin indeksi n₁

Mitä mittaat:

• Kriittinen kulma θ_c (°)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa TIR-esiasetus ja paina Nollaa. Valo kulkee lasista ilmaan (n₂ = 1.0 kiinteä).
2. Ota käyttöön kriittisen kulman lukema.
3. Aseta lasin taittokerroin jokaiselle suoritukselle ja kirjaa kriittinen kulma.

Hallitseva yhtälö

Kriittinen kulma täydelliselle sisäiselle heijastumiselle — θc = arcsin(n₂/n₁)

Tiheämmästä väliaineesta (n₁) harvempaan (n₂ < n₁) kulkeva valo heijastuu täysin sisäisesti mille tahansa kriittisen kulman θ_c = asin(n₂/n₁) ylittävälle tulokulmalle. Tämän kulman takana mikään valo ei läpäise lainkaan – 100 % heijastuminen.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle laske θ_c = asin(n₂/n₁) arvolla n₂ = 1.0. Vertaa taulukkoon.
• Selitä, miksi korkeammaindeksinen lasi (tarkentava valoa voimakkaammin) on PIENEMPI kriittinen kulma – täydellinen sisäinen heijastuminen tapahtuu laajemmalla tulokulmien alueella.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Optiset kuidut nojaavat täydelliseen sisäiseen heijastumiseen vangitakseen valon korkeammaindeksisen lasiytimen sisälle, pompputtaaen sitä kuidun pituudelta lähes ilman häviötä. Selitä, miksi kuitoptiikan valmistajat käyttävät hyvin korkeammaindeksisiä lasiytimiä, jotka on ympäröity matalamman indeksin vaippamateriaalilla.
• Timantilla on poikkeuksellisen korkea taittokerroin (noin 2.42), antaen sille hyvin pienen kriittisen kulman (noin 24°). Selitä, miksi tämä tekee hyvin hiottusta timantista kimaltavan loistavasti – ylhäältä tuleva valo pyrkii heijastumaan täysin sisäisesti monta kertaa ennen poistumistaan.

• AP Physics 2 — Unit 13: Geometric Optics
• General High School Physics — Light & optics
• NGSS High School Physics — Wave properties

1. Tervetuloa täydelliseen sisäiseen heijastukseen
2. Valitse objekti
3. Paina Toista
4. Mitään valoa ei läpäistä
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Snellin taittumislaki