Глава 1. Теоретическая часть

1. 1. Механизм полного отражения

Основы физических знаний являются наиболее доступными для понимания, так как их принципы мы воочию наблюдаем каждый день вокруг себя. То же касается и закона отражения света. Этот закон описывает момент, когда световые волны, попадая на поверхность, изменяют свое направление и возвращаются обратно только под другим углом. Это касается не только зеркальных поверхностей. Любой объект мы видим, потому что он отражает естественное солнечное или искусственное освещение. При изменении своего направления лучи проходят в одной среде и сталкиваются с другой, часть их возвращается обратно в первичную среду. Если часть спектра проникает в другое вещество мы наблюдаем явление – преломления.

1.2. Где встречается в природе

Появление изображений неба и деревьев при взгляде на водную поверхность - это тоже результат отражения солнечного света. При это падающая волна отражается полностью.

Рис. 1. Появление изображений окружающего мира на поверхности воды

1. 3. Первые открытия

Фундамент теоретических знаний о законах распространения света был заложен древнегреческим математиком Евклидом и Аристотелем. Они первые попытались описать процессы трансформации солнечной активности с точки зрения физики еще в III веке до н.э. Далее теоретические материалы изучались и подтверждались опытным путем Ньютоном, Гюйгенсом. Именно он первый объяснил геометрические закономерности оптических явлений с точки зрения волновой природы излучения. Его доказательства основываются на геометрических аксиомах о равнобедренных треугольниках. Впервые полное внутренне отражение описал в 17 веке Иоган Кеплер - немецкий математик, астроном, механик, оптик, первооткрыватель законов движения планет Солнечной системы.

1. 3. Применение в наше время

Если поверхность абсолютно плоская и зеркальная, то можно наблюдать процесс обратного отражения. Это явление, когда волны полностью возвращаются после попадания на зеркальное основание к источнику их излучения по параллельной прямой. То есть, если взять зеркало и направить на него освещение прямо перпендикулярно, оно вернется точно обратно.

Рис. 2. Отражение в висящих друг против друга зеркалах

Использование закона на практике мы можем наблюдать эти физические закономерности повсюду. Чтобы было наглядней, возьмите лазерный фонарик с тонким пучком света. Выключите свет и направьте его на зеркало под разными углами. Если вы будете менять направление освещения, будет меняться и плоскость его возвращения. Такой эффект применяется в оптическом оснащении современной экспериментальной техники. Вогнутые зеркальные плоскости применяются для фокусировки лучей в одной точке. Выпуклые же наоборот рассеивают попадающий на них спектр. При этом увеличивается угол обзора.

Принцип полного внутреннего возврата спектра энергии, применяется в изготовлении оптико-волоконного производства кабелей для скоростной передачи цифровых данных. Если поверхность абсолютно плоская и зеркальная, то можно наблюдать процесс обратного отражения. Это явление, когда волны полностью возвращаются после попадания на зеркальное основание к источнику их излучения по параллельной прямой. То есть, если взять зеркало и направить на него освещение прямо перпендикулярно, оно вернется точно обратно. Наглядно этот феномен можно наблюдать, если разместить два зеркала перпендикулярно друг к другу. Под каким бы наклоном не направить освещение, спектр будет возвращаться обратно параллельно первоначальному излучению.

1. 3. Сверхскоростной интернет

Наиболее интенсивное явление полного внутреннего отражения используется в волоконных оптических системах. Если в торец сплошной стеклянной трубки направить пучок света, то после многократного полного внутреннего отражения пучок выйдет с противоположной стороны трубки. Получается, что стеклянная трубка – проводник световой волны или волновод. Это произойдет независимо от того, прямая это трубка или изогнутая.

Рис. 3. Волоконная оптика. Явление полного внутреннего отражения

Первые световоды, это второе название волноводов, использовались для подсвечивания труднодоступных мест (при проведении медицинских исследований, когда свет подается на один конец световода, а второй конец освещает нужное место).

Основное применение – это медицина, дефектоскопия моторов, однако наибольшее применение такие волноводы получили в системах передачи информации. Несущая частота при передаче сигнала световой волной в миллион раз превышает частоту радиосигнала, это значит, что количество информации, которое мы можем передать при помощи световой волны, в миллионы раз больше количества информации, передающейся радиоволнами. Это прекрасная возможность передачи огромной информации простым и недорогим способом. Как правило, информация по волоконному кабелю передается при помощи лазерного излучения. Волоконная оптика незаменима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объем передаваемой информации. А в основе всего этого лежит такое простое и обычное явление, как преломление света.

1. 3. Что такое свет?

Мы привыкли считать свет электромагнитной волной. Это правда, но только в мире больших объектов, которые изучает классическая физика.

В мире малых размеров свет воспринимается совершенно по-новому, в виде отдельных частиц. Эту форму света изучает квантовая физика.

Для оптического волокна свет - это поток частиц, обладающих волновыми свойствами. Каждая частица переносит квант энергии, не обладает массой и называется фотоном. Имеющаяся у фотонов энергия является целью организации процесса их передачи. Для передачи фотонов на дальние расстояния необходимо оптическое волокно. Для защиты от внешней среды оптические волокна помещаются в специальную конструкцию и вместе образуют волоконно-оптический кабель (BОK). Для соединения разных отрезков кабеля между собой и для их оконечивания используются муфты, кроссы, разветвители, соединители, розетки, шкафы и т.п. Совокупность всех этих пассивных элементов представляет собой волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС).

1. 3. Откуда берутся фотоны?

Пассивная ВОЛС необходима только для транспортировки фотонов. Генерацией фотонов и приданию им начальной энергии занимается передатчик. Для этого ему на вход подается электрический сигнал. Фиксацией остаточной энергии фотонов после транспортировки занимается приемник. Активные приемо-передатчики вместе с пассивной ВОЛС образуют единую волоконно-оптическую систему передачи (ВОСП).

1. 3. Как свет попадает в оптическое волокно?

Фотоны вводятся в оптическое волокно через его торец. Чтобы не потерять на этом этапе часть фотонов, необходимо обеспечить два условия:

1. 1. Идеальная геометрия торца

Такой торец у оптоволокна получают при заводском производстве, когда оптическое волокно является конструкционной частью диода.

Рис. 4. Оптический диод для ВОЛС

1. 2. Идеальный угол падения

Угол падения фотонов относительно оси сердцевины волокна должен варьироваться в пределах до 5 градусов (воображаемый входной конус). В этом случае они захватываются сердечником оптического волокна и распространяются по нему. При превышении угла падения потеряется часть энергии вплоть до полного ее отражения.

1. 3. Свет при попадании в торец

При вхождении в торец волокна свет попадает на границу двух сред (воздух-сердцевина). На этой границе свет может преломляться или отражаться. В этот момент важно не допустить условий для закона отражения. Тогда весь свет проникнет в сердцевину.

Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину определяется его числовой апертурой (NA) по закону Снелла-Декарта:

Рис. 5. Иллюстрация закона Снелла-Декарта

1. 3. Строение оптического волокна

Оптическое волокно (без защитного покрытия) очень тонкое - 125 микрон, его можно сравнить с человеческим волосом. А сердцевина еще тоньше - 9 микрон или 50 микрон.

Рис. 6. Строение оптоволоконного кабеля

1. 3. Что удерживает свет внутри волокна?

Конструкция волокна обеспечивает границу двух сред (между сердцевиной и оболочкой). При вводе в волокно свет направляли перпендикулярно к границе двух сред. При удержании внутри - наоборот, необходимо направлять свет по касательной. Это создаст условия для полного внутреннего отражения от этой границы и сохранность света в оболочке.

Сердцевина превратится в своеобразный туннель для фотонов. В случае с удержанием света внутри сердцевины важно не допустить условий для закона преломления. Если возникнет условие для преломления, то отдельные фотоны выйдут из сердцевины, а значит мы потеряем переносимую ими энергию.

Вспомним ранее рассмотренный рисунок, описывающий закон Снелла-Декарта.

Рис. 7. Иллюстрация закона Снелла-Декарта

Глава 2. Практическая часть

2.1. Проводим исследование «Серебряное яйцо»

Цель исследования: исследование эффекта отражения при помощи закопчённого яйца, опущенного в стеклянную банку с водой.

Задачи исследования:

1. Изучить эффект полного отражения.

2. Провести наглядный опыт.

Перечень материалов и оборудования: куриное яйцо, горящая свеча, стеклянная банка с водой.

Ход исследования: представлен на рисунках 8-11.

1. Осторожно поднести яйцо к пламени свечи, лучше, чтобы яйцо было вареное, тогда оно не растрескается. Как только яйцо окажется в пламени, свеча начнет коптить, а скорлупа покроется черным налетом.

2. Окунуть яйцо в банку с водой.

3. Едва яйцо окажется в воде, оно засверкает серебром, хотя поверхность абсолютно черная. Кажется, что скорлупа стала зеркальной.

РириРр Рис. 8. Подносим яйцо к пламени свечиРис

Рис. 9. Получаем закопченное яйцо

Рис. 10. Опускаем яйцо в банку с водой

Рис.11.Получаем «серебряное яйцо». Наблюдаем эффект полного отражения

Выводы по результатам проведенного исследования:

Сажа почти полностью состоит из углерода. Она маслянистая, поэтому отталкивает воду. Вода не касается скорлупы, так как на саже остается тонкая прослойка воздуха. Ученые называют это границей раздела – здесь соприкасаются два вещества, не смешиваясь и не растворяя друг друга. Граница раздела возникает между кислотой и маслом, воздухом и водой, стеклом и воздухом. На границе раздела воды и воздуха на закопчённой яичной скорлупе происходит полное отражение: свет, который попал на скорлупу, отражается, как от зеркала, вот почему яйцо кажется серебряным. А черной сажи не видно.

Где встречается в природе:

Нырнув и взглянув на поверхность воды снизу, можно увидеть лишь серебристый блеск. Поверхность воды непрозрачна, потому что отражает свет, как яйцо в нашем эксперименте.

Рис.12. Поверхность воды снизу

2.2. Проводим исследование «Полное отражение луча в стеклянной трубке»

Цель исследования: изготовление прибора для наблюдения эффекта полного внутреннего отражения.

Задачи исследования:

1. Изучить эффект полного отражения.

2. Провести наглядный опыт.

Перечень материалов и оборудования: стеклянная трубка или колба, лазерная указка, вода.

Ход исследования: представлен на рисунках х-х.

1. В чистую стеклянную трубку с наконечников с одной стороны налить отстоянную воду. При этом трубка должна обязательно быть чистой внутри для того, чтобы луч отражался от стенок, вода должна быть отстоянная, чтобы в колбе не было пузырьков воздуха.

2. Направить световой луч под углом вовнутрь стеклянной трубки.

3. Луч будет полностью отражаться от стеклянных стенок и не выходить наружу стеклянной трубки.

Рис. 13. Оборудование для опыта: стеклянная трубка с наконечником, наполненная водой, и лазерная указка

Рис. 13. Направляем под углом лазер в стеклянную трубку, наполненную водой. Наблюдаем эффект полного отражения

Выводы по результатам проведенного исследования: Если в торец сплошной стеклянной трубки направить пучок света, он будет отражаться от стенок и после многократного полного внутреннего отражения пучок выйдет с противоположной стороны трубки. Получается, что стеклянная трубка – проводник световой волны или волновод. Это произойдет независимо от того, прямая это трубка или изогнутая.

Где используется в информационных технологиях:

Эффект полного отражения используется в телефонных и Интернет-линиях. Сегодня они делаются из стекловолоконного кабеля.

Рис.13. Оптоволоконный кабель

Такой кабель состоит из стеклянных нитей толщиной с волосок, по нему с помощью лазерных лучей можно передавать одновременно до шести миллионов телефонных разговоров. Оболочка кабеля отражает лучи, и свет не может выйти наружу, его постоянно отбрасывает внутрь. По стекловолокну лучи можно передавать на расстояние до 100 км, и на другом конце они будут достаточно яркими.

Оптоволокно можно прокладывать не только под землей, но и под водой.

Рис.14. Прокладка оптоволоконного кабеля

Рис.15. Подводная оптоволоконная линия связи

Это обеспечит подачу бесперебойного интернета в труднодоступные места на восток нашей страны, чтобы соединить единой оптоволоконной связью восточные и северные регионы России.

Заключение

Окружающий нас мир полон интересных физических явлений, которые мы наблюдаем вокруг себя каждый день. Благодаря которым человечеством были сделано множество научных открытий и изобретений, без которых мы не представляем нашу повседневную жизнь. То же касается и закона отражения света. Этот закон описывает момент, когда световые волны, попадая на поверхность, изменяют свое направление и возвращаются обратно только под другим углом. Принцип полного внутреннего возврата спектра энергии, применяется в изготовлении оптико-волоконного производства кабелей для скоростной передачи цифровых данных.

Опыт «Серебряное яйцо» показал, как на границе раздела воды и воздуха на закопчённой яичной скорлупе происходит полное отражение: свет, который попал на скорлупу, отражается, как от зеркала, вот почему яйцо кажется серебряным, а черной сажи не видно.

Опыт со стеклянной трубкой, так называемый проводник световой волны или волновод, доказал, что, если в торец сплошной стеклянной трубки направить пучок света, он будет отражаться от стенок и после многократного полного внутреннего отражения пучок выйдет с противоположной стороны трубки.

С волокном из самого чистого стекла стало возможным передавать сигналы более чем на 100 километров. Оптоволокна широко используются для получения сверхбыстрого интернета, специального освещения и в медицине.

Изучив полное отражение света, я убедился, какие богатые возможности нам открываются при изучении этого явления даже на примере обычного яйца. Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации и обеспечивает бесперебойной связью людей, находящихся друг от друга в нескольких тысяч километрах, дает возможность учиться и работать, находясь на самых отдаленных территориях Земли.

Надеюсь, что, проведенное мною исследование будет интересно и полезно для моих одноклассников. А презентация, являющаяся продуктом исследования, станет обучающим материалом.

Список использованной литературы

1.Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2000.

2. Удда Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Э. Удда. - М.: Техносфера, 2008.

3. Научные эксперименты дома. Энциклопедия для детей/ Пер. с нем. П. Лемени-Македона. – М.: Эксмо, 2014.

4. Оссовская, М.П. Волоконно-оптические сети и системы связи: Учебное пособиеКПТ / М.П. Оссовская. - СПб.: Лань КПТ, 2016