Повне відбивання світла 

Завдяки цій геніальній технології жителі Рюкана можуть насолоджуватися природним світлом навіть у найтемніші місяці зими. Цей проєкт не лише покращив якість життя мешканців села, а й перетворив Рюкан на унікальне туристичне місце. Сюди залучають зацікавлених відвідувачів та мандрівників, які бажають випробувати це штучно освітлене явище. Справжній приклад того, як людська творчість може подолати бар'єри, нав'язані природою.

Бондарев Антон, 9Б

Швидкість поширення світла в прозорих середовищах зменшується порівняно зі швидкістю світла в повітрі у відповідну кількість разів: у воді в 1,33 раза; у склі — майже в 1,6 раза; в алмазі — у 2,4 раза.

Фізична величина, що показує, у скільки разів швидкість поширення світла у вакуумі є більшою, ніж швидкість світла в середовищі, називається абсолютним показником заломлення середовища.

Абсолютний показник заломлення середовища має глибокий фізичний зміст. Він пов’язаний зі швидкістю поширення світла в даному середовищі, яка залежить від фізичного стану середовища (температури, густини тощо).

Крім того, показник заломлення залежить від кольору світла: для червоного світла він менший, ніж для зеленого, а для зеленого — менший, ніж для фіолетового. Для будь-якого середовища абсолютний показник заломлення n > 1. Для повітря абсолютний показник заломлення приблизно дорівнює 1.

Ось орієнтовні показники заломлення для кожного кольору у видимому спектрі (для вакууму → скла, середній показник):

• Червоний (~700 нм): 1.513

• Помаранчевий (~620 нм): 1.520

• Жовтий (~580 нм): 1.527

• Зелений (~530 нм): 1.534

• Синій (~470 нм): 1.543

• Фіолетовий (~400 нм): 1.553

Цей дослід демонструє, як показники заломлення впливають на візуальне сприйняття, створюючи незвичні оптичні ілюзії.

Вода має нижчий показник заломлення, ніж скло або олія, тому промінь світла більше змінює свій напрямок на межі вода-повітря. Це змушує нижню частину ложки виглядати ніби вона зміщена і трохи "зламана". Чим більший кут нахилу ложки, тим сильніше проявляється ефект.

Якщо порівняти ілюзії в олії та воді, можна побачити, що олія створює менш помітний перелом через схожість показників заломлення олії і скла. У воді ж різниця в показниках більша, тому перелом виглядає більш різким.

Такі прості досліди дозволяють побачити, як різні середовища впливають на поширення світла та створюють цікаві оптичні ефекти.

Цікаве явище можна спостерігати, коли скляний предмет занурюють у рідину, показник заломлення якої дуже близький до показника заломлення скла. У випадку з олією це явище стає особливо помітним. Олія та скло мають подібні оптичні властивості, тому світло, проходячи через межу між ними, майже не заломлюється.

Через відсутність різниці в заломленні світла межа між склом та олією стає майже непомітною для людського ока. Як результат, скляний предмет виглядає так, ніби він "зникає" в олії. Це явище є гарним прикладом того, як співвідношення показників заломлення середовищ може впливати на наше сприйняття об'єктів.

Такий дослід демонструє практичну важливість знань про заломлення світла в науці й техніці, а також додає нотку магії у звичні фізичні явища.

Світло, проходячи через межу вода-скло, заломлюється, але менш значно, ніж на межі повітря-скло. Через це межа між склом і водою стає менш помітною, і спостерігач бачить об'єкт розмитим або напівпрозорим.

Це явище є яскравим прикладом взаємодії світла з матеріалами і показує, як різниця в показниках заломлення впливає на видимість предметів. У порівнянні з олією, вода не створює ілюзії повного зникнення скла, адже різниця в заломленні все ж більша.

Такий дослід допомагає зрозуміти природу заломлення і його роль у створенні оптичних ефектів.

Насєдкіна Валерія, 10Ал

Мозжаков Микола, 9А

Мєдвєдєва Єва, 9А

У сучасному світі оптичні явища відіграють ключову роль у розвитку науки й технологій. Здатність світла змінювати свій напрямок і відбиватися в певних умовах стала основою для багатьох інновацій. Одне з таких явищ – повне внутрішнє відбивання світла – використовується у створенні світловодів, які є основою швидкісного інтернету, медичних ендоскопів і телекомунікаційних систем.

Окрім цього, дослідження оптики дозволяє створювати вражаючі наукові експерименти, такі як "рибка-невидимка". Це явище демонструє, як індекси заломлення можуть впливати на видимість об’єктів, що викликає інтерес не лише у вчених, а й у звичайних людей.

Вивчення явища повного внутрішнього відбивання світла – це не просто теоретичний інтерес, а важливий крок до розуміння технологій, які змінюють наше життя щодня.

Критичний кут можна знайти за формулою sin(𝜃кр) = 𝑛2/𝑛1, 

де n1 – індекс заломлення густішого середовища, з якого виходить світло;

n2 – індекс заломлення рідшого середовища, у яке світло намагається 

потрапити;

θкр – кут, виміряний між падаючим променем і перпендикуляром до межі двох 

середовищ.

Приклади п. в. в. у реальному житті

• Найбанальнішим прикладом п. в. в. є вода - якщо пірнаєш під воду і дивишся вгору під певним кутом, можна побачити дзеркальну поверхню.

• Дане явище спостерігається в діамантах: світло багато разів відбивається всередині діаманта, створюючи його "блиск".

• Інтернет працює завдяки оптоволокну, де світло відбивається всередині тоненьких прозорих ниток - світловодів - і передає дані.

Отже, зараз ми поговоримо про світловоди.

Світловоди зробили революцію в багатьох сферах. Ось кілька ключових застосувань:

1. Телекомунікації та інтернет

• Найпоширеніше застосування світловодів – це передача даних через оптоволоконні кабелі. Завдяки їм ми маємо швидкий і надійний доступ до  інтернету та інших комунікацій.

• Оптоволоконний кабель здатен передавати величезні обсяги інформації на великі відстані з мінімальними втратами.

• На відміну від мідних дротів, світловоди стійкі до електромагнітних завад, що робить їх ідеальними для сучасних інформаційних мереж.

Саме завдяки світловодам здійснюється швидкісний інтернет-зв'язок між континентами через підводні кабелі.

2. Медицина

У медицині світловоди використовуються для діагностики та лікування. Ендоскопи – це пристрої, які дозволяють лікарям досліджувати внутрішні органи пацієнтів, не виконуючи великих розрізів. 

Світловоди передають зображення зсередини тіла на екран. Лазери, передані через світловоди, використовуються для хірургічних  операцій, наприклад, у видаленні пухлин чи корекції зору.

3. Енергетика

У сучасній енергетиці світловоди застосовують для передачі сонячного світла до темних приміщень. Це дозволяє знижувати витрати на електроенергію, використовуючи природне освітлення.

4. Промисловість та наука

Світловоди використовуються для вимірювань і контролю, наприклад, у датчиках  температури, тиску чи напруги. У наукових експериментах вони допомагають точно спрямовувати світло для досліджень. Оптоволокно присутнє у деяких керованих пристроях, наприклад, у дронах.

Експеримент "рибка-невидимка" демонструє дивовижне явище оптики, пов’язане з індексами заломлення. У цьому досліді використовується прозорий об'єкт (наприклад, скляний стакан) і наліпка. Коли індекси заломлення обох середовищ (води і скла) збігаються, світло не заломлюється на межі між ними. Це означає, що людське око не розрізняє межі об’єкта, і він стає невидимим. Фізичне пояснення цього явища базується на законі заломлення світла: якщо n1=n2 , то світло не змінює свій напрямок, рухаючись прямо через межу. Для спостерігача це створює ілюзію, що об'єкта просто немає.

Результат експерименту: Наліпка стає невидимою, тому що межа між нею й рідиною не відображається й не заломлює світло.

Явище "невидимості" залежить від точного збігу індексів заломлення матеріалів. Це експериментальне підтвердження властивостей заломлення світла і приклад його практичного застосування у створенні "невидимих" матеріалів.

Експеримент є чудовою демонстрацією фізичних принципів і викликає  інтерес завдяки своїй простоті та ефектному результату.

Як морські мешканці використовують явище повного внутрішнього відбиття. У природі явища, подібні до повного внутрішнього відбивання, зустрічаються в  зорових системах морських тварин.

• Морські мешканці. У деяких глибоководних риб і кальмарів очі адаптовані до умов слабкого освітлення. Вони мають унікальні структури, які мінімізують втрати світла, спрямовуючи його до фоторецепторів. Це дозволяє їм ефективніше бачити в темряві. Природні матеріали, з яких складаються очі цих тварин, діють подібно до світловодів, забезпечуючи передачу світла з мінімальними втратами.

• Перлини й мушлі. Внутрішній шар перлин і мушель має таку будову, яка сприяє багаторазовому відбиттю світла, створюючи їхній характерний блиск. Це явище також можна порівняти з механізмами повного внутрішнього відбивання, адже структура матеріалу створює умови для  збереження інтенсивності світла.

1. Фундаментальний принцип фізики:

Повне внутрішнє відбивання є важливим явищем, яке виникає на межі двох середовищ з різними показниками заломлення. П. в. в. зустрічається у природі і активно використовується людством. 

2. Зв’язок науки і техніки:

Це явище стало основою для багатьох інноваційних технологій. Світловоди, оптичні кабелі, ендоскопічні інструменти створені на основі законів заломлення світла і п. в. в. 

3. Інтеграція в біологію:

У біології подібні явища зустрічаються в зорових системах морських тварин, де ефективна передача світла забезпечує їхню здатність пристосовуватися до умов середовища.

4. Експериментальна частина:

Експеримент "рибка-невидимка" яскраво демонструє, як зміна індексів заломлення середовищ може впливати на видимість об’єктів. Це явище відкриває можливості для створення матеріалів із заданими оптичними властивостями, які можуть застосовуватися в оптиці та дизайні.

Повне внутрішнє відбивання світла є не лише теоретично цікавим явищем, а й важливим практичним інструментом, що сприяє розвитку науки і техніки. Його вивчення та використання демонструють, як природні закони можуть бути адаптовані для покращення якості життя людини та вирішення глобальних технічних завдань

2 віртуальні моделі внутрішньої будови оптоволокна і світловода. Різниця між ними полягає в тому, що оптоволокно - це серцевина світловода, створена з кількох прозорих шарів (саме оптоволокном “мандрує” світло), а світловод - це провід, що містить оптоволокно. 

1. Різнокольорові гірлянди у світловодах

Світловоди можуть передавати світло різних кольорів одночасно. Цей принцип використовується в декоративному освітленні, наприклад, для створення яскравих гірлянд.

2. Космос і оптика

Світловоди використовуються в космічних апаратах для передачі світлових сигналів. Вони здатні працювати навіть у суворих умовах космосу.

3. Довжина найбільшого світловода

Найдовший оптоволоконний кабель у світі тягнеться через Тихий океан, його довжина перевищує 10 000 км. Він з’єднує Азію, Північну Америку та Австралію.

4. Перископи в підводних човнах

У підводних човнах світловоди використовуються для передачі зображення через перископи, замінюючи традиційні дзеркала.

5. Мініатюрність і точність

Світловоди можуть бути настільки тонкими, що їхній діаметр у кілька разів менший за людську волосину. Це дозволяє використовувати їх у мікроскопічних пристроях.

Комаха Матвій, 9А