Перейти до основного вмісту
Каталог

Повне внутрішнє відбивання

~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань

Коливання і хвилі. Оптика
Фізика НМТ

Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Фізика — повний курс.

Обчислювати граничний кут повного відбивання, визначати умови його виникнення та пояснювати дію світловодів, призм у перископах і біноклях і блиск алмазу.

Повне внутрішнє відбивання й граничний кут

Коли світло переходить із середовища з більшим абсолютним показником заломлення в середовище з меншим показником (n₁ > n₂), заломлений промінь відхиляється від перпендикуляра до межі поділу. Це означає, що кут заломлення γ більший за кут падіння α. Якщо поступово збільшувати кут падіння, кут заломлення зростатиме швидше й нарешті досягне 90°. Саме в цей момент і починається явище, яке називають повним внутрішнім відбиванням.

Граничний кут повного відбивання

Граничний кут повного відбивання α₀ — це кут падіння, за якого кут заломлення дорівнює 90°. Його знаходять із закону заломлення:

Оскільки sin 90° = 1, отримуємо:

Тут n₁ — показник заломлення першого (оптично густішого) середовища, n₂ — другого (оптично менш густого). Для межі з повітрям, де n₂ ≈ 1, формула спрощується:

де n — показник заломлення речовини.

Що відбувається за різних кутів падіння

  • За α < α₀: частина світла заломлюється й виходить у друге середовище, частина відбивається назад.

  • За α = α₀: заломлений промінь ковзає вздовж межі поділу (γ = 90°).

  • За α > α₀: заломленого променя немає — усе світло повністю відбивається назад у перше середовище за звичайним законом відбивання.

Умови виникнення

  • Світло має переходити з оптично густішого середовища в оптично менш густе (n₁ > n₂).

  • Кут падіння має бути не меншим за граничний: α ≥ α₀.

Важливо: повне внутрішнє відбивання ніколи не виникає під час переходу світла з повітря у скло чи воду. Чому? У цьому разі n₁ < n₂, тому sin γ = (n₁/n₂)·sin α < 1 завжди, і кут заломлення ніколи не досягає 90°.

Числові приклади

Показник n

sin α₀

α₀

2

0,5

30°

√2 ≈ 1,41

1/√2 ≈ 0,707

45°

Як бачиш, чим більший показник заломлення, тим менший граничний кут — повне відбивання настає за менших кутів падіння.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Значення граничних кутів

Граничний кут повного відбивання залежить від показників заломлення обох середовищ. Розглянемо найпоширеніші випадки для межі з повітрям (n ≈ 1).

Речовина

Показник n

sin α₀

α₀

Скло

≈ 1,5

≈ 0,67

≈ 42°

Вода

≈ 1,33

≈ 0,75

≈ 49°

Алмаз

≈ 2,4

≈ 0,42

≈ 25°

Зверни увагу: чим більший показник заломлення речовини, тим менший її граничний кут і тим легше виникає повне відбивання. Для алмазу α₀ ≈ 25° — це означає, що світло, яке потрапило всередину, зазнає повного відбивання вже за досить малих кутів падіння.

Граничний кут для межі двох середовищ

Якщо світло переходить не з речовини в повітря, а між двома прозорими середовищами, граничний кут обчислюють за загальною формулою:

Наприклад, для межі скло–вода:

Звідси α₀ ≈ 62°. Отже, світло, що йде зі скла у воду, повністю відбиватиметься, якщо кут падіння перевищує приблизно 62°.

Як це працює в задачах

  • Якщо кут падіння більший за граничний (α > α₀), заломлений промінь не виходить у друге середовище — відбувається повне відбивання.

  • Якщо кут падіння менший за граничний (α < α₀), світло частково заломлюється, і кут заломлення знаходять за звичайним законом заломлення.

  • Якщо кут падіння дорівнює граничному (α = α₀), заломлений промінь ковзає вздовж межі поділу.

Запам'ятай: граничний кут — це завжди кут падіння, а не кут заломлення. Його значення визначається відношенням показників заломлення двох середовищ.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Застосування повного відбивання

Оптичне волокно (світловод)

Оптичне волокно — це тонка нитка з прозорого матеріалу, яка складається з серцевини з більшим показником заломлення (n₁) і оболонки з меншим показником (n₂). Світло, що потрапляє в серцевину під кутом, більшим за граничний, багаторазово повністю відбивається від межі серцевина–оболонка й поширюється вздовж волокна майже без втрат.

Завдяки цьому світло може проходити кілометри всередині волокна, не виходячи назовні. Оптичні волокна використовують в інтернет-кабелях (оптоволокно), ендоскопах для медичних обстежень, системах освітлення та зв'язку.

Призми повного відбивання

Прямокутна призма зі скла (n ≈ 1,5) має граничний кут α₀ ≈ 42°. Якщо промінь падає на грань призми під кутом 45°, він повністю відбивається, оскільки 45° > 42°. Це дає змогу повертати промінь на 90° або 180° без використання дзеркал.

Такі призми застосовують у перископах (щоб змінити напрям променя на 90°), біноклях (щоб перевернути зображення), а також у катафотах — світловідбивачах на велосипедах, дорожніх знаках і одязі.

Блиск алмазу

Алмаз має дуже великий показник заломлення (n ≈ 2,4), тому його граничний кут усього ≈ 25°. Світло, що потрапляє в огранований алмаз, зазнає багаторазового повного відбивання всередині каменя й виходить назовні лише через верхні грані. Саме це створює характерний яскравий блиск, а гру кольорів зумовлює дисперсія — різне заломлення світла різних кольорів.

Для порівняння: скло з n ≈ 1,5 має α₀ ≈ 42°, тому всередині скляної намистини повне відбивання виникає за меншої кількості кутів, і блиск значно слабший.

Рендеринг діаграми…

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Обчислення показника заломлення за граничним кутом

Завдання (коротка відповідь). Граничний кут повного відбивання на межі деякої прозорої речовини з повітрям дорівнює 30°. Визнач показник заломлення цієї речовини.

Розв'язання. Для межі речовини з повітрям sin α₀ = 1/n. Підставляємо α₀ = 30°: sin 30° = 0,5. Отже, 0,5 = 1/n, звідки n = 1/0,5 = 2.

Відповідь: 2.

Чому інші варіанти неправильні? Якщо помилково взяти sin α₀ = n, то n = 0,5 — це не має фізичного сенсу, оскільки показник заломлення не може бути меншим за 1 для прозорої речовини. Якщо переплутати n₁ і n₂ і взяти n = 1/0,5 = 2 — це випадково дає правильну відповідь, але хід думки хибний. Якщо обчислити n = 1/sin 60° ≈ 1,15 — це помилка в значенні синуса.

Приклад 2. Визначення, чи відбудеться повне відбивання

Завдання (вибір однієї відповіді). Світловий промінь падає зі скла (n = 1,5) на межу з повітрям під кутом 60°. Що відбувається?

  • А) Промінь заломлюється, кут заломлення ≈ 42°

  • Б) Промінь ковзає вздовж межі поділу

  • В) Відбувається повне внутрішнє відбивання

  • Г) Частина світла відбивається, частина заломлюється

Розв'язання. Спочатку обчислимо граничний кут для межі скло–повітря: sin α₀ = 1/n = 1/1,5 ≈ 0,667, звідки α₀ ≈ 42°. Кут падіння 60° більший за граничний (60° > 42°), тому заломленого променя немає — усе світло повністю відбивається назад у скло.

Відповідь: В) Відбувається повне внутрішнє відбивання.

Чому інші варіанти неправильні? А — кут 42° — це граничний кут, а не кут заломлення; за α = 60° заломлення немає. Б — промінь ковзає вздовж межі лише за α = α₀, а тут α = 60° > 42°. Г — часткове відбивання й заломлення відбувається лише за α < α₀.

Приклад 3. Коли повне відбивання неможливе

Завдання (вибір однієї відповіді). У якому з наведених випадків повне внутрішнє відбивання неможливе за жодного кута падіння?

  • А) Світло падає зі скла в повітря

  • Б) Світло падає з повітря на скло

  • В) Світло падає з води в повітря

  • Г) Світло падає з алмазу у воду

Розв'язання. Повне внутрішнє відбивання можливе лише під час переходу світла з оптично густішого середовища в менш густе (n₁ > n₂). У випадку Б світло переходить із повітря (n ≈ 1) у скло (n ≈ 1,5), тобто з менш густого в густіше середовище. Тут n₁ < n₂, тому sin γ = (n₁/n₂)·sin α завжди менший за 1, і кут заломлення ніколи не досягає 90°. Отже, повне відбивання неможливе.

Відповідь: Б) Світло падає з повітря на скло.

Чому інші варіанти неправильні? А — скло (n ≈ 1,5) > повітря (n ≈ 1), умова n₁ > n₂ виконується. В — вода (n ≈ 1,33) > повітря (n ≈ 1), умова виконується. Г — алмаз (n ≈ 2,4) > вода (n ≈ 1,33), умова виконується.

Приклад 4. Граничний кут за відомим показником заломлення

Завдання (коротка відповідь). Показник заломлення прозорої речовини дорівнює √2. Визнач граничний кут повного відбивання на межі цієї речовини з повітрям. Відповідь подай у градусах.

Розв'язання. Для межі з повітрям sin α₀ = 1/n = 1/√2 = √2/2 ≈ 0,707. Кут, синус якого дорівнює √2/2, — це 45°.

Відповідь: 45.

Чому інші варіанти неправильні? Якщо помилково взяти sin α₀ = n, то α₀ = arcsin(√2) — не існує, оскільки √2 > 1. Якщо обчислити α₀ = arcsin(1/√2) і отримати 30° — це плутанина з sin 30° = 0,5. Якщо взяти α₀ = 60° — це кут, синус якого √3/2, а не √2/2.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

  • Шукати повне відбивання під час переходу світла з повітря у скло. Насправді повне внутрішнє відбивання можливе лише тоді, коли світло переходить з оптично густішого середовища в менш густе (n₁ > n₂). У випадку повітря → скло n₁ < n₂, тому за жодного кута падіння кут заломлення не досягне 90°.

  • Плутати n₁ і n₂ у формулі sin α₀ = n₂/n₁. Запам'ятай: у чисельнику завжди стоїть менший показник заломлення — того середовища, куди світло намагається вийти. Для межі з повітрям sin α₀ = 1/n, де n — показник заломлення речовини.

  • Вважати, що повне відбивання відбувається, коли кут падіння менший за граничний. Насправді за α < α₀ частина світла заломлюється, а частина відбивається. Повне відбивання настає лише за α ≥ α₀.

  • Вважати, що за повного відбивання частина світла все ж проходить у друге середовище. Ні: за α > α₀ заломленого променя немає взагалі — уся енергія відбивається назад.

  • Вважати, що граничний кут — це кут заломлення, а не кут падіння. Граничний кут α₀ — це кут падіння, за якого кут заломлення дорівнює 90°. Не плутай: α₀ — кут падіння, а γ = 90° — кут заломлення.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

Довідка НМТ містить формулу граничного кута повного відбивання sin α₀ = n₂/n₁ та закон заломлення світла. Значення показників заломлення завжди дають в умові завдання — їх не треба пам'ятати напам'ять, але варто знати приблизні значення для скла (≈ 1,5), води (≈ 1,33) і повітря (≈ 1).

Програма НМТ (тема «Оптика») називає повне відбивання серед обов'язкових тем і вимагає вміти пояснювати дію світловода. У демоваріанті 2026 року тему «Оптика» представлено завданнями № 12 (заломлення) і № 21 (тонка лінза); завдань саме на повне відбивання там немає, але вони можуть бути як у формі вибору однієї відповіді, так і у формі короткої відповіді.

Коротка відповідь (завдання № 17–22) оцінюється в 0 або 2 бали. Відповідь — число в тих самих одиницях, що й умова (градуси, безрозмірнісний показник тощо). Якісні завдання на повне відбивання перевіряють розуміння умов явища: напрям переходу світла й порівняння кута падіння з граничним.

Стратегія розв'язування

  1. Визнач, з якого середовища в яке переходить світло. Перевір напрям: чи йде промінь із густішого середовища в менш густе (n₁ > n₂)? Якщо ні — повного відбивання не буде.

  2. Обчисли граничний кут за формулою sin α₀ = n₂/n₁ або sin α₀ = 1/n, якщо друге середовище — повітря.

  3. Порівняй заданий кут падіння α з α₀: α ≥ α₀ → повне відбивання; α < α₀ → часткове заломлення й відбивання.

  4. Для задач на застосування (світловод, призма, алмаз) поясни, що малий граничний кут забезпечує багаторазове відбивання всередині матеріалу.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Чому повне відбивання можливе лише в менш густе середовище?

Повне внутрішнє відбивання можливе лише тоді, коли світло переходить із середовища з більшим показником заломлення (оптично густішого) в середовище з меншим показником (оптично менш густе). У цьому разі заломлений промінь відхиляється від перпендикуляра, і кут заломлення більший за кут падіння. Зі збільшенням кута падіння кут заломлення швидко зростає й може досягти 90°. Якщо ж світло йде з менш густого середовища в густіше, заломлений промінь наближається до перпендикуляра, і кут заломлення завжди менший за кут падіння — він ніколи не досягне 90°, тому повного відбивання не буває.

Чому алмаз сяє яскравіше, ніж скло?

Алмаз має дуже великий показник заломлення (n ≈ 2,4), тому його граничний кут становить лише ≈ 25°. Це означає, що світло, яке потрапило всередину огранованого алмазу, зазнає повного внутрішнього відбивання навіть за невеликих кутів падіння. У результаті світло багаторазово відбивається всередині каменя й виходить назовні лише через верхні грані, створюючи яскравий блиск. Скло має менший показник заломлення (n ≈ 1,5) і більший граничний кут (≈ 42°), тому всередині скляної намистини повне відбивання виникає за меншої кількості кутів, і блиск значно слабший.

Що відбувається зі світлом за кута падіння, рівного граничному?

Коли кут падіння точно дорівнює граничному куту (α = α₀), кут заломлення становить 90°. Це означає, що заломлений промінь не виходить у друге середовище, а поширюється вздовж межі поділу — «ковзає» по ній. Такий промінь називають ковзним. На практиці за такого кута падіння інтенсивність заломленого променя прямує до нуля, і майже вся енергія відбивається назад. Якщо кут падіння хоча б трохи перевищить граничний, заломлення зникає повністю й настає повне внутрішнє відбивання.

Чому світло не «витікає» крізь стінки світловода?

Оптичне волокно (світловод) складається з серцевини з більшим показником заломлення (n₁) і оболонки з меншим показником (n₂). Світло, що поширюється всередині серцевини, падає на межу серцевина–оболонка під кутами, більшими за граничний. Оскільки n₁ > n₂, виконується умова повного внутрішнього відбивання, і світло повністю відбивається назад у серцевину, не проходячи в оболонку. Це відбивання повторюється багаторазово вздовж усього волокна, тому світло залишається всередині серцевини й не «витікає» крізь стінки навіть на відстані в кілометри.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • Повне внутрішнє відбивання відбувається, коли світло переходить з оптично густішого середовища в менш густе (n₁ > n₂) і кут падіння не менший за граничний (α ≥ α₀).

  • Граничний кут обчислюють за формулою sin α₀ = n₂/n₁. Для межі з повітрям sin α₀ = 1/n.

  • Значення граничних кутів для поширених речовин: скло ≈ 42°, вода ≈ 49°, алмаз ≈ 25°.

  • Повне відбивання ніколи не виникає під час переходу світла з повітря у скло чи воду (n₁ < n₂).

  • Застосування: оптичне волокно (світловод) для передавання світла на великі відстані, призми повного відбивання в перископах і біноклях, яскравий блиск алмазу завдяки малому граничному куту.

  • Катафоти (світловідбивачі) на велосипедах і дорожніх знаках також працюють на основі повного відбивання в призмах.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

Перевірте себе на цьому юніті

Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.

1. Яке фізичне явище покладено в основу передавання світла оптичним волокном?

2. Яка з наведених речовин має найменший граничний кут повного внутрішнього відбивання на межі з повітрям?

3. Чому повне внутрішнє відбивання неможливе під час переходу світла з повітря у скло?

4. Яка з умов є необхідною для виникнення повного внутрішнього відбивання?

5. Світловий промінь падає зі скла (n = 1,5) на межу з повітрям під кутом 60°, sin 60° ≈ 0,866. Яке явище відбувається?

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест