Відображення світла. Закон відображення світла

Введемо кілька визначень. Кутом падіння променя назвемо кут між падаючим променем і перпендикуляром до поверхні, що відбиває в точці зламу променя (кут a). Кутом відбиття променя назвемо кут між відбитим променем і перпендикуляром до поверхні, що відбиває в точці зламу променя (кут b).

При відображенні світла виконуються дві закономірності: Перша. Промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні, що відбиває в точці зламу променя завжди лежать в одній площині. Друга. Кут падіння дорівнює куту відбиття. Ці два твердження виражають суть закону відображення світла.

На лівому малюнку промені та перпендикуляр до дзеркала не лежать в одній площині. На правому малюнку кут відбиття не дорівнює куту падіння. Тому таке відображення променів не можна отримати з досвіду.

Закон відображення є справедливим як для дзеркального випадку, так і для випадку розсіяного відображення світла. Звернемося ще раз до креслень на попередній сторінці. Незважаючи на уявну безладність у відображенні променів на правому кресленні, всі вони розташовані так, що кути відбиття дорівнюють кутам падіння. Погляньте, шорстку поверхню правого креслення ми «розрізали» на окремі елементи і провели перпендикуляри в точках зламу променів.

Відбитий і падаючий промені лежать у площині, що містить перпендикуляр до поверхні, що відбиває в точці падіння, і кут падіння дорівнює куту відображення.

Уявіть, що ви направили тонкий промінь світла на поверхню, що відбиває, - наприклад, посвітили лазерною указкою на дзеркало або поліровану металеву поверхню. Промінь відіб'ється від такої поверхні і поширюватиметься далі у певному напрямку. Кут між перпендикуляром до поверхні ( нормаллю) і вихідним променем називається кутом падіння, А кут між нормаллю і відбитим променем - кутом відбиття.Закон відображення свідчить, що кут падіння дорівнює куту відображення. Це повністю відповідає тому, що нам нагадує інтуїція. Промінь, що падає майже паралельно поверхні, лише злегка торкнеться її і, відбившись під тупим кутом, продовжить свій шлях низькою траєкторією, розташованою близько до поверхні. Промінь, що падає майже прямовисно, з іншого боку, відобразиться під гострим кутом, і напрямок відбитого променя буде близьким до напрямку променя, як того і вимагає закон.

Закон відображення, як і будь-який закон природи, був отриманий на підставі спостережень та дослідів. Можна його вивести і теоретично — формально він є наслідком принципу Ферма (але це скасовує значущості його експериментального обгрунтування).

Ключовим моментом у цьому законі є те, що кути відраховуються від перпендикуляра до поверхні у точці падінняпроменя. Для плоскої поверхні, наприклад плоского дзеркала, це не так важливо, оскільки перпендикуляр до неї спрямований однаково у всіх точках. Паралельно сфокусований світловий сигнал, наприклад, світло автомобільної фари або прожектора, можна розглядати як щільний пучок паралельних променів світла. Якщо такий пучок відіб'ється від плоскої поверхні, всі відбиті промені в пучку відіб'ються під одним кутом і залишаться паралельними. Саме тому пряме дзеркало не спотворює ваш візуальний образ.

Однак є й криві дзеркала. Різні геометричні зміни поверхонь дзеркал по-різному змінюють відбитий образ і дозволяють досягати різних корисних ефектів. Головне увігнуте дзеркало телескопа-рефлектора дозволяє сфокусувати в окулярі світло від далеких космічних об'єктів. Вигнуте дзеркало заднього виду автомобіля дозволяє розширити кут огляду. А криві дзеркала в кімнаті сміху дозволяють від душі повеселитися, розглядаючи химерно спотворені відображення себе.

Закону відображення підпорядковується як світло. Будь-які електромагнітні хвилі — радіо, НВЧ, рентгенівські промені тощо — поводяться так само. Ось чому, наприклад, і величезні приймаючі антени радіотелескопів, і тарілки супутникового телебачення мають форму увігнутого дзеркала — в них використовується все той же принцип фокусування паралельних променів, що поступають в точку.

Світло є важливою складовою нашого життя. Без нього неможливе життя на планеті. При цьому багато явищ, пов'язаних зі світлом, сьогодні активно використовуються в різноманітних сферах людської діяльності, починаючи від виробництва електротехнічних приладів до космічних апаратів. Однією з основних явищ у фізиці є відбиток світла.

Відображення світла

Закон відображення світла вивчається ще школі. Що слід знати про нього, а також багато корисної інформації зможе розповісти вам наша стаття.

Основи знань про світло

Як правило, фізичні аксіоми є одними з найбільш зрозумілих, оскільки мають наочний прояв, які можна легко поспостерігати в домашніх умовах. Закон відображення світла має на увазі ситуацію, коли у світлових променів відбувається зміна напрямку при зіткненні з різними поверхнями.

Зверніть увагу! Кордон заломлення значно збільшує такий параметр, як довжина хвилі.

У ході заломлення променів частина їхньої енергії повернуться назад у первинне середовище. При проникненні частини променів до іншого середовища спостерігається їх заломлення.
Щоб розумітися на всіх цих фізичних явищах, необхідно знати відповідну термінологію:

потік світлової енергії у фізиці визначається як падаючий при попаданні на межу поділу двох речовин;
частина енергії світла, яка у цій ситуації повертається у первинне середовище, називається відбитою;

Зверніть увагу! Існує кілька формулювань правила відбиття. Як ви його не сформулюйте, але він все одно описуватиме взаємне розташування відбитих і падаючих променів.

кут падіння. Тут мається на увазі кут, який формується між перпендикулярною лінією кордону середовищ і світлом, що падає на неї. Він визначається точці падіння променя;

Кути променя

кут відбиття. Він формується між відбитим променем та перпендикулярною лінією, яка була відновлена у точці його падіння.

Крім цього, необхідно знати, що світло може поширюватися в однорідному середовищі виключно прямолінійно.

Зверніть увагу! Різні середовища можуть по-різному відбивати та поглинати випромінювання світла.

Звідси виходить коефіцієнт відбиття. Це величина, яка характеризує відбивну здатність предметів та речовин. Він означає, скільки випромінювання принесеного світловим потоком на поверхню середовища становитиме та енергія, яка буде відбита від неї. Даний коефіцієнт залежить від цілого ряду факторів, серед яких найбільше значення мають склад випромінювання та кут падіння.
Повне відображення світлового потоку спостерігається тоді, коли промінь падає на речовини і предмети, що мають поверхню, що відбиває. Наприклад, відображення променя можна спостерігати при попаданні на скло, рідку ртуть або срібло.

Невеликий історичний екскурс

Закони заломлення та відображення світла були сформовані та систематизовані ще у ІІІ ст. до зв. е. Їх розробив Евклід.

Усі закони (заломлення та відображення), що стосуються цього фізичного явища, були встановлені експериментальним шляхом і легко можуть підтвердитись геометричним принципом Гюйгенса. За цим принципом будь-яка точка середовища, до якої може дійти обурення, виступає як джерело вторинних хвиль.
Розглянемо закони, що існують на сьогоднішній день, більш детально.

Закони – основа всього

Закон відображення світлового потоку визначається як фізичне явище, у ході якого світло, що прямує з одного середовища в інше, на їхньому розділі буде частково повернуто назад.

Відображення світла на межі розділу

Зоровий аналізатор людини спостерігає світло в момент, коли промінь, що йде від свого джерела, потрапляє в очне яблуко. У ситуації, коли тіло не виступає у ролі джерела, зоровий аналізатор може сприймати промені від іншого джерела, що відбиваються від тіла. При цьому світлове випромінювання, що падає на поверхню об'єкта, може змінити напрямок подальшого поширення. Внаслідок цього тіло, що відбиває світло, виступатиме в ролі його джерела. При відображенні частина потоку повертатиметься в першу середу, з якої він спочатку прямував. Тут тіло, що відобразить його, стане джерелом вже відбитого потоку.
Існує кілька законів для цього фізичного явища:

перший закон свідчить: відбиваючий і падаючий промінь, разом з перпендикулярною лінією, що виникає на межі поділу середовищ, а також у відновленій точці падіння світлового потоку, повинні розташовуватися в одній площині;

Зверніть увагу! Тут мається на увазі, що на поверхню, що відбиває, предмета або речовини падає плоска хвиля. Її хвильові поверхні є смужками.

Перший та другий закон

другий закон. Його формулювання має такий вигляд: кут відображення світлового потоку дорівнюватиме куту падіння. Це з тим, що вони мають взаємно перпендикулярними сторонами. З огляду на принципи рівності трикутників стає зрозумілим, звідки береться ця рівність. Використовуючи дані принципи, можна легко довести те, що ці кути знаходяться в одній площині з проведеною перпендикулярною лінією, яка була відновлена на межі поділу двох речовин у точці падіння світлового променя.

Ці два закони в оптичній фізиці є основними. При цьому вони справедливі і для променя, що має зворотний хід. В результаті оборотності енергії променя, потік, що поширюється шляхом раніше відображеного, буде відображатися аналогічно шляху падаючого.

Закон відображення на практиці

Перевірити виконання цього закону можна практично. Для цього необхідно направити тонкий промінь на будь-яку поверхню, що відбиває. З цією метою відмінно підійде лазерна указка та звичайне дзеркало.

Дія закону на практиці

Надсилаємо лазерну указку на дзеркало. Внаслідок цього лазерний промінь відіб'ється від дзеркала і пошириться далі в заданому напрямку. При цьому кути падаючого та відбитого променя дорівнюватимуть навіть при звичайному погляді на них.

Зверніть увагу! Світло від таких поверхонь відображатиметься під тупим кутом і далі поширюватиметься по низькій траєкторії, яка розташована досить близько до поверхні. А ось промінь, який падатиме практично прямовисно, позначиться під гострим кутом. При цьому його подальший шлях буде практично аналогічним падаючому.

Як бачимо, ключовим моментом цього правила є той факт, що кути необхідно звітувати від перпендикуляра до поверхні в місці падіння світлового потоку.

Зверніть увагу! Цьому закону підпорядковується як світло, а й будь-які види електромагнітних хвиль (НВЧ, радіо-, рентгенівські хвилі тощо.).

Особливості дифузного відображення

Багато предметів можуть лише відображати світлове випромінювання, що падає на їх поверхню. Відмінно освітлені об'єкти добре видно з різних боків, тому що їх поверхня відбиває та розсіює світло у різних напрямках.

Дифузне відображення

Таке явище називається розсіяним (дифузним) відбитком. Це утворюється при попаданні випромінювання різні шорсткі поверхні. Завдяки йому ми маємо можливість розрізняти об'єкти, які не мають здатності випромінювати світло. Якщо розсіювання світлового випромінювання дорівнюватиме нулю, то ми не зможемо побачити ці предмети.

Зверніть увагу! Дифузне відображення не викликає у людини дискомфорту.

Відсутність дискомфорту пояснюється тим, що не весь світ, згідно з вищеописаним правилом, повертається до первинного середовища. Причому цей параметр у різних поверхонь буде різним:

у снігу - відбивається приблизно 85% випромінювання;
у білого паперу - 75%;
у чорного кольору та велюру - 0,5%.

Якщо ж відбиток іде від шорстких поверхонь, то світло буде спрямовуватися один до одного хаотично.

Особливості дзеркального відображення

Дзеркальне відображення світлового випромінювання відрізняється від описаних раніше ситуацій. Це пов'язано з тим, що в результаті падіння потоку на гладку поверхню при певному куті вони відображатимуться в одному напрямку.

Дзеркальне відображення

Це можна легко відтворити, використовуючи звичайне дзеркало. При напрямку дзеркала на сонячні промені, воно виступатиме в ролі відмінної поверхні, що відбиває.

Зверніть увагу! До дзеркальних поверхонь можна віднести цілу низку тіл. Наприклад, до цієї групи сходять все гладкі оптичні об'єкти. Але такий параметр, як розміри нерівностей і неоднорідностей цих об'єктів становитимуть менше 1 мкм. Розмір довжини хвилі світла становить приблизно 1 мкм.

Всі такі дзеркальні поверхні, що відбивають, підпорядковуються раніше описаним законам.

Використання закону у техніці

На сьогоднішній день в техніці досить часто застосовуються дзеркала або дзеркальні об'єкти, що мають вигнуту поверхню, що відбиває. Це так звані сферичні дзеркала.
Подібні об'єкти є тіла, які мають форму сферичного сегмента. Для таких поверхонь характерне порушення паралельності променів.
На даний момент існують два типи сферичних дзеркал:

увігнуті. Вони здатні відбивати світлове випромінювання від внутрішньої поверхні сегмента сфери. При відображенні промені збираються тут у одній точці. Тому їх часто ще називають «збираючими»;

Увігнуте дзеркало

опуклі. Для таких дзеркал характерне відбиття випромінювання від зовнішньої поверхні. У результаті відбувається розсіювання в сторони. З цієї причини такі об'єкти отримали назву «розсіювальні».

Випукло дзеркало

У цьому є кілька варіантів поведінки променів:

паління майже паралельно поверхні. У цій ситуації він лише трохи стосується поверхні, а відбивається під тупим кутом. Далі він йде досить низькою траєкторії;
при падінні у відповідь, промені відбиваються під гострим кутом. При цьому, як ми говорили вище, відбитий промінь слідуватиме шляхом дуже близького падаючого.

Як бачимо, закон виконується у всіх випадках.

Висновок

Закони відображення світлового випромінювання є дуже важливими для нас, оскільки вони є основними фізичними явищами. Вони знайшли широке застосування у різних сферах людської діяльності. Вивчення основ оптики відбувається ще у середній школі, що вкотре доводить важливість таких базових знань.

Як самому зробити ангельські очі для ваза?

Слід зазначити, що зображення, яке ми бачимо по той бік дзеркала, створене не самими променями, а їхнім продовженням. Таке зображення називається уявним.Його оком видно, але на екрані його неможливо отримати, тому що воно створене не променями, а їх мисленням.

При відображенні також дотримується принципу найменшого часу поширення світла. Щоб потрапити після відображення в око спостерігача, світло має прийти саме той шлях, який вказує йому закон відображення. Саме поширюючись таким шляхом, світло на свій шлях витратить найменший час з усіх можливих варіантів.

Закон заломлення світла

Як нам відомо, світло може поширюватися у вакуумі, а й у інших прозорих середовищах. У цьому випадку світло випробуватиме заломлення.При переході з менш щільного середовища в більш щільне, промінь світла при заломленні притискається до перпендикуляра, проведеного до точки падіння, а при переході з більш щільного середовища в менш щільне, він навпаки: відхиляється від перпендикуляра.

При цьому є два закони заломлення:

Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, проведений до точки падіння, лежать в одній площині.

2. Відношення синусів кутів падіння та заломлення дорівнює зворотному відношенню показників заломлення:

sin a = n2

sin g n1

Цікавим є проходження променя світла через тригранну призму. При цьому у будь-якому випадку спостерігається відхилення променя після проходження через призму від початкового напрямку:

У різних прозорих тіл показник заломлення різний. У газів він дуже мало відрізняється від одиниці. З підвищенням тиску він зростає, отже, показник заломлення газів залежить від температури. Згадаємо, що якщо дивитися на віддалені предмети крізь гаряче повітря, що піднімається від багаття, то бачимо, що все, що вдалині виглядає як марево, що коливається. У рідин показник заломлення залежить тільки від самої рідини, а й від концентрації розчинених у ній речовин. Нижче наводиться невелика таблиця показників заломлення деяких речовин.

Повне внутрішнє віддзеркалення світла.

Волоконна оптика

Слід зазначити, що світловий промінь, поширюючись у просторі, має властивість оборотності. Це означає, що яким шляхом промінь поширюється від джерела у просторі, такою ж шляху він піде назад, якщо джерело і точку спостереження поміняти місцями.

Уявімо, що промінь світла поширюється з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне. Тоді, згідно із законом заломлення, він при заломленні має вийти, відхилившись від перпендикуляра. Розглянемо промені, що походять від точкового джерела світла, що знаходиться в оптично більш щільному середовищі, наприклад, у воді.

З цього малюнка видно, перший промінь падає поверхню розділу перпендикулярно. У цьому промінь від початкового напрями не відхиляється. Часто його енергії відбивається від межі розділу та повертається на джерело. Решта його енергії виходить назовні. Інші промені частково відбиваються, частково виходять назовні. При збільшенні кута падіння зростає відповідно кут заломлення, що відповідає закону заломлення. Але коли кут падіння набуває такого значення, що, згідно із законом заломлення, кут виходу променя має становити 90 градусів, то промінь на поверхню взагалі не вийде: всі 100% енергії променя відіб'ються від межі розділу. Всі інші промені, що падають на поверхню розділу під кутом, більшим за цей, будуть повністю відображені від поверхні розділу. Цей кут називається граничним кутом, А явище називається повним внутрішнім відбитком.Тобто поверхня розділу в даному випадку виступає як ідеальне дзеркало. Значення граничного кута для кордону з вакуумом або повітрям можна підрахувати за такою формулою:

Sin aпр = 1/nТут n- Показник заломлення більш щільного середовища.

Явище повного внутрішнього відбиття широко використовується у різних оптичних приладах. Зокрема, використовується у приладі для визначення концентрації розчинених речовин у воді (рефрактометр). Там вимірюється граничний кут повного внутрішнього відбиття, яким визначається показник заломлення і потім по таблиці визначають концентрацію розчинених речовин.

Особливо яскраво проявляється явище повного внутрішнього відбиття у волоконній оптиці. Нижче на малюнку зображено одне скловолокно в розрізі:

Візьмемо тонке скляне волокно і в один із торців запустимо промінь світла. Оскільки волокно дуже тонке, то будь-який промінь, що увійшов у торець волокна, падатиме на його бічну поверхню під кутом, що значно перевищує граничний кут і буде повністю відбитий. Таким чином, промінь, що увійшов, багаторазово відбиватиметься від бічної поверхні і вийде з протилежного кінця практично без втрат. Зовні це виглядатиме так, начебто протилежний торець волокна яскраво світиться. До того ж, зовсім необов'язково, щоб скловолокно було прямолінійним. Воно може згинатися як завгодно, причому ніякі вигини не вплинуть поширенню світла по волокну.

У зв'язку з цим, вченим прийшла ідея: а що, якщо взяти не одне волокно, а їхній цілий пучок. Але при цьому треба, щоб всі волокна в джгуті знаходилися в строгому взаємному порядку і на обох сторонах джгута торці всіх волокон знаходилися в одній площині. І якщо при цьому на один торець джгута за допомогою лінзи подати зображення, кожне волокно окремо передасть на протилежний торець джгута одну маленьку частинку зображення. Всі разом волокна на протилежному торці джгута відтворять те саме зображення, що було створено лінзою. Причому зображення буде в природному світлі. Таким чином, було створено прилад, названий пізніше фіброгастроскопом. Цим приладом можна оглянути внутрішню поверхню шлунка, не роблячи оперативного втручання. Фіброгастроскопи вводять через стравохід у шлунок і оглядають внутрішню поверхню шлунка. У принципі, даним приладом можна оглянути як шлунок, а й інші органи зсередини. Цей прилад використовується не тільки в медицині, але й у різних галузях техніки для огляду недоступних областей. І при цьому сам джгут може мати всілякі вигини, які при цьому не впливають на якість зображення. Єдиний недолік приладу – це растрова структура зображення: тобто зображення складається з окремих точок. Для того, щоб зображення було чіткішим, потрібно мати ще більшу кількість скловолокон, причому вони повинні бути ще більш тонкими. І це значно збільшує вартість приладу. Але з подальшим розвитком технічних можливостей цю проблему незабаром буде вирішено.

Лінза

Спочатку розглянемо лінзу. Лінза – це прозоре тіло, обмежене або двома сферичними поверхнями, або сферичною поверхнею та площиною.

Розглянемо лінзи у поперечному розрізі. Лінза викривляє світловий пучок, що пройшов через неї. Якщо пучок після півходіння через лінзу буде збиратися в точку, то така лінза називається збирає.Якщо ж падаючий паралельний світловий пучок після проходження через лінзу буде розходитися, то така лінза називається розсіює.

Нижче зображені лінзи, що збирають і розсіюють, та їх умовні позначення:

З цього малюнка видно, що всі промені, що паралельно падають на лінзу, сходяться в одній точці. Ця точка називається фокусом(F) лінзи. Відстань від фокусу до самої лінзи називається фокусною відстаннюлінзи. Воно у системі СІ вимірюється за метри. Але є ще одна одиниця, що характеризує лінзу. Ця величина називається оптичною силою і є величиною, зворотною фокусній відстані і називається діоптрії. (Дп). Позначається буквою D. D = 1/F.У лінзи, що збирає, значення оптичної сили має знак плюс. Якщо на лінзу пустити світло, відбите від будь-якого протяжного об'єкта, то кожен елемент об'єкта відобразиться в площині, що проходить через фокус у вигляді зображення. При цьому зображення буде перевернуто. Оскільки це зображення буде створене самими променями, воно називатиметься дійсним.

Це використовують у сучасних фотоапаратах. Справжнє зображення створюється на фотоплівці.

Розсіювальна лінза діє протилежно збирає лінзі. Якщо на неї по нормалі падає паралельний пучок світла, то після проходження через лінзу, пучок світла буде розходитися так, ніби всі промені виходять з деякої уявної точки, розташованої по інший бік лінзи. Ця точка називається уявним фокусом і фокусна відстань буде зі знаком мінус. Отже, оптична сила такої лінзи виражатиметься також у діоптрії, але її значення буде зі знаком мінус. При розгляді навколишніх предметів через лінзу, що розсіює, всі предмети, видимі через лінзу, здаватимуться зменшеними в розмірах