Общие знанияФизика

Если стекло прозрачно, то почему его трещины непрозрачны?


Трещины кажутся непрозрачными/полупрозрачными из-за комбинации неравномерного отражения, полного внутреннего отражения и поглощения света внутри стекла.

Если вы когда-нибудь разбивали очки, вы могли заметить, что стекло с трещиной по краю кажется темно-серым и непрозрачным. Если вы носите очки в открытой оправе, то наверняка заметили, что нижний край стекла имеет темно-зеленовато-серый цвет и также непрозрачен, даже без трещин.

То же самое происходит со стеклянными линейками, окнами и экранами смартфонов. Кроме того, если вы внимательно понаблюдаете, не только стекло, но и твердый прозрачный пластик (например, защита экрана смартфонов) демонстрируют те же явления.

Но почему это происходит? Разве стекло не должно быть прозрачным со всех сторон?

Ответ кроется в самом вопросе, то есть в направлении. Но прежде чем перейти к нему, давайте разберемся в некоторых основах поведения света в целом.

Основы геометрической оптики

1) Отражение света

Когда свет падает на блестящую поверхность, он отскакивает в ту же сторону, откуда пришел. Это явление известно как отражение. Его можно определить более точно с помощью простой геометрии.

Геометрическое изображение отражения от зеркала.

Представьте себе, что луч света падает на плоскую поверхность. В точке соприкосновения поверхности и светового луча проведите линию, перпендикулярную плоскости. Эта линия называется нормальной. Когда луч света падает на плоскую поверхность, он составляет некоторый угол с нормалью. Этот угол называется углом падения. Когда свет отражается от поверхности, отраженный луч также составляет некоторый угол с нормалью. Этот угол называется углом отражения.

Для отражения угол падения и угол отражения всегда равны.

2) Преломление света

Когда свет попадает на прозрачный предмет, например, стекло, он проходит сквозь него и выходит с другой стороны. Но на границе стекла и окружающей среды изображение как бы прерывается.

Это называется преломлением, и его можно описать более точно с помощью простой геометрии.

Геометрическое изображение преломления света. Обратите внимание, что угол преломления меньше угла падения. Таким образом, среда внизу более плотная, чем среда над ней.

Предположим, что луч света распространяется по воздуху и ударяется о толстую стеклянную плиту. В точке соприкосновения плиты со световым лучом проведите линию, перпендикулярную стеклянной плите. Она называется нормалью. Когда луч света падает на стеклянную плиту, он составляет угол с нормалью. Этот угол называется углом падения.

После удара о плиту луч входит в плиту и движется сквозь нее. Этот луч света внутри плиты называется преломленным лучом. Угол между преломленным лучом и нормалью называется углом преломления.

При преломлении угол падения и угол преломления никогда не равны.

Каждая среда обладает свойством, связанным с ней, которое называется оптической плотностью. Оптическая плотность дает представление о скорости света в данном материале. Отношение скорости света в материале к скорости света в вакууме называется показателем преломления. Чем больше показатель преломления, тем меньше скорость света и, следовательно, больше оптическая плотность.

Где v = скорость света в среде

c = скорость света в вакууме

n = коэффициент преломления среды

Если скорость света в среде медленнее, чем скорость света в вакууме, то говорят, что эта среда оптически плотнее воздуха.

Если свет распространяется в двух средах с разными показателями преломления, то закон Снеллиуса дает полезную связь.

Где — показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

— угол падения света — угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;

— показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;

— угол преломления света — угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

3) Полное внутреннее отражение

Когда свет движется из оптически более плотной среды в оптически более редкую среду, если угол падения больше порогового угла, называемого критическим углом, световой луч отражается обратно в исходную среду, не претерпевая преломления. Это явление называется полным внутренним отражением.

Поглощение света

Когда свет распространяется через среду, его интенсивность со временем уменьшается. Например, луч от факела может достигать только определенного расстояния, прежде чем он исчезнет и станет невидимым. Это происходит потому, что свет взаимодействует с веществом вокруг него, и часть этого света поглощается в результате этого взаимодействия.

Точно так же, когда свет проходит через стекло, часть его энергии поглощается, что приводит к снижению интенсивности преломленной волны. Если стекло достаточно толстое, свет должен пройти большое расстояние внутри стекла. Таким образом, значительная часть света поглощается, и интенсивность выходящего луча уменьшается по сравнению с интенсивностью падающего луча. Насколько материал поглощает свет, определяется законом Бугера — Ламберта — Бера.

Интенсивность выходящего света I определяется выражением

Где — интенсивность падающего на поляризатор света,

— интенсивность света, выходящего из поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

Таким образом, чем больше длина стекла, тем меньше интенсивность выходящего луча.

Падающий свет с интенсивностью ( Io ) частично поглощается раствором, что приводит к появлению света меньшей интенсивности ( I ). Синий раствор можно заменить стеклом, чтобы получить поглощение, обусловленное стеклом.

Почему трещины в стекле выглядят непрозрачными

Получив представление о поведении света внутри среды, давайте обсудим ответ.

Когда свет падает на край треснувшего стекла, происходит следующее:

Всегда существует некоторое отражение, даже от такой прозрачной поверхности как стекло. Трещины в стекле обнажают неровные края. Когда луч света падает на эту шероховатую кромку, луч распадается на несколько лучей, которые отражаются в разных направлениях. Эти отраженные лучи интерферируют таким образом, что четкое изображение не может быть сформировано. Это называется нерегулярным отражением.

Часть света попадает в стекло. Когда свет проникает через трещину, часть лучей задерживается внутри из-за полного внутреннего отражения. Это происходит потому, что лучи движутся таким образом, что угол падения внутри стекла больше критического угла.

Таким образом, свет не может выйти из стекла. Поскольку свет задерживается внутри, область за стеклом, с другой стороны, не видна. В результате прозрачность этой области стекла уменьшается.

Поскольку часть света остается в ловушке, она также поглощается. Чем больше длина пути, который лучи света должны пройти внутри стекла, тем больше поглощение. Это уменьшение интенсивности света также приводит к увеличению непрозрачности трещин. Чем больше молярный коэффициент поглощения стекла, тем больше поглощение света.

Таким образом, трещины кажутся непрозрачными/полупрозрачными из-за комбинации нерегулярного отражения, полного внутреннего отражения и поглощения внутри стекла.

Подписывайтесь на нас
Back to top button