МОУ «СОШ № 87»
Отражение света
Выполнила:
Зизико Юля
Ученица 9Б класса
Руководитель:
Учитель физики
Еремина С.Н.
ЗАТО Северск
1. Введение
2. Отражение света.
3. Отражение света при любых зеркалах.
4. Перископ.
5. Заключение.
6. Список литературы.
Введение.
Моя работа называется ”Явление отражения света. Перископ”.
Я взяла эту тему, потому что она интересна тем, что объясняет многие факты отражения света с научной точки зрения. Когда я беру зеркало и смотрюсь прямо в него, то я вижу свое отражение, а когда я смотрю сбоку в него, то отражение своего я не наблюдаю. Из этого можно сделать вывод, что зеркальная поверхность имеет много интересных свойств, и мне хотелось бы узнать о них поподробнее. Например, почему при изменении положения зеркала предметы в нем отражаются по-разному и почему плоские поверхности отражают лучше, чем шероховатые.
Кроме того, меня интересовало, каким образом предмет отражается в двух зеркалах направленных отражающими поверхностями друг к другу или под небольшим углом. Это свойство зеркал используется в перископе. Мне захотелось создать свой собственный перископ и посмотреть подтвердятся
ли на практике мои предположения.
Отражение света.
Закон отражения света – это физическое явление, при котором свет, падающий из одной среды на границу раздела с другой средой, возвращается назад в первую среду.
| Человек видит источник света, когда луч, исходящий из этого источника, попадает в глаз. Если же тело не является источником, то глаз может воспринимать лучи от какого-либо источника, отраженные этим телом, то есть, упавшие на поверхность этого тела и изменившие при этом направление дальнейшего распространения. Тело, отражающее лучи, становится источником отраженного света. Упавшие на поверхность тела лучи изменяют направление дальнейшего распространения. При отражении свет возвращается в ту же среду, из которой он упал на поверхность тела. Тело, отражающее лучи, становится источником отраженного света. |
|
|
Рис.1. Принцип Ферма и закон отражения
Действительно, на рис. 1 DADC=DFDC, тогда согласно постулату Герона:
min(AC+CB)=min(FC+CВ)=FВ=FO+OB=AO+OB => a=b
Здесь учтено, что кратчайший путь между двумя точками (F и B) будет по прямой FB через точку О.
Заметим, что аналогичным образом из принципа Ферма можно вывести закон преломления света.
Закон отражения света.
Луч падающий, нормаль к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в однойплоскости (рис. 2), причем углы между лучами и нормалью равны между собой:угол падения i равен углу отражения i". Этот закон также упоминается всочинениях Евклида. Установление его связано с употреблением полированныхметаллических поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную эпоху.
Рис. 2 Закон отражения. Рис. 3 Закон преломления. Закон преломления света.
Преломление света – изменение направления распространения оптического излучения(света) при его прохождении через границу раздела однородных изотропныхпрозрачных (не поглощающих) сред с показателем преломления n 1 и n 2 . Преломление света определяется следующими двумя закономерностями:преломленный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль(перпендикуляр) к поверхности раздела; углы падения φ ипреломления χ (рис.3) связаны законом преломления Снелля:| |
Отражение света при любых зеркалах.
СФЕРИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА
Исходя, из закона отражения можно также решать задачи о кривых зеркалах, не только тех, что вешают в комнате смеха, но о сферических зеркалах используемых на транспорте, в фонариках и прожекторах, зеркале гиперболоида инженера Гарина.
На рис. 3, 4 показаны примеры построения изображения предмета в виде стрелки в вогнутом и выпуклом сферических зеркалах. Методы построения изображений аналогичны, применяемым к тонким линзам. Так, например, параллельный пучок лучей падающих, на вогнутое зеркало, собирается в одной точке - фокусе, который находится на фокусном расстоянии f от линзы, равном половине радиуса кривизны R зеркала.
Рис. 3. Построение изображения в вогнутом сферическом зеркале
В вогнутом зеркале действительное изображение - перевернутое, оно может быть увеличенным или уменьшенным в зависимости от расстояния между предметом и зеркалом, а мнимое - прямое и увеличенное, как в собирающей линзе. В выпуклом зеркале изображение всегда мнимое, прямое и уменьшенное, как в рассеивающей линзе.
Рис. 4. Построение изображения в выпуклом сферическом зеркале
К сферическим зеркалам применима формула, аналогичная формуле тонкой линзы:
1/a+1/b=1/f=2/R,
1/a-1/b=-1/f=-2/R,
где a и b - расстояния от предмета и изображения до линзы . Первая из этих формул верна для вогнутого зеркала, вторая - для выпуклого.
ЭЛЛИПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО
Параболическое зеркало - основной элемент 
телескопов- рефлекторов
При помощи таких телескопов удается изучать самые удаленные уголки Вселенной.
Спиральные галактики в созвездии Андромеды.
Для локации планет солнечной системы используют радиолокаторы, в основе которых лежит 
параболическое зеркало.
Радиолокация дает возможность "прощупать" рельеф поверхности планет, даже окутанных густыми облаками, сквозь которые в обычный телескоп поверхность не видна.
Радиолокационная карта Венеры.
ПЛОСКОЕ ЗЕРКАЛО
Плоские зеркала используют в таком приборе, как перископ.
Перископ
(от греч. periskopéo - смотрю вокруг, осматриваю), оптический прибор для наблюдения из укрытий (окопов, блиндажей и др.), танков, подводных лодок. Многие П. позволяют измерять горизонтальные и вертикальные углы на местности и определять расстояние до наблюдаемых объектов. Устройство и оптические характеристики П. обусловлены его назначением, местом установки и глубиной укрытия, из которого ведётся наблюдение. Простейшим является вертикальный перископ, состоящий из вертикальной зрительной трубы и 2 зеркал, установленных под углом 45° к оси трубы и образующих оптическую систему, которая преломляет световые лучи, идущие от наблюдаемого предмета, и направляет их в глаз наблюдателя. Распространены призменные перископы, в трубе которых вместо зеркал установлены прямоугольные призмы, а также телескопическая линзовая система и оборачивающая система, с помощью которых можно получать увеличенное прямое изображение. Поле зрения перископ при малом увеличении (до 1,5 раза) составляет около 40°; оно обычно уменьшается с ростом увеличения. Некоторые типы перископ позволяют вести круговой обзор.
Оптическая схема перископа
Впервые прототип перископа использовал Ливчак Иосиф Николаевич. Ливчак Иосиф Николаевич , русский изобретатель в области полиграфии, военного дела и транспорта. С 1863 жил в Вене, где издавал сатирический журнал "Страхопуд" (1863-68), а также участвовал в издании журналов "Золотая грамота" (1864-1868) и "Славянская заря" (1867-68). Л. призывал к освобождению славянских земель из-под власти Австро-Венгрии и объединению их вокруг России. В начале 70-х гг. переехал в Россию, где занялся изобретательской деятельностью. Создал матрицевыбивательную наборную машину, которая в 1875 использовалась при наборе газеты "Виленский вестник". Изобрёл прицельный станок (1886), оптический прибор диаскоп (прототип перископа), отмеченный большой золотой медалью Парижской академии. Сконструировал указатель пути и скорости движения локомотива; за эту работу Русским техническим обществом награжден золотой медалью им. А. П. Бородина (1903).
Заключение.
Изучив научную литературу и создав собственную модель перископа, я считаю, мне удалось достигнуть поставленных мною задач.
Также я считаю, что знать и применять в быту знания об отражении в плоском зеркале очень важно. Теперь я намного лучше разбираюсь в отражении света. Теперь мне будет намного проще изучать тему ”Оптика” в 11 классе.
Список литературы.
1. Мякишев Г.Я. Физика: Учебник для 11 кл. ОУ – М.:Просвещение, 2004.
2. Пинский А.А. Физика. Углубленно изучение физики: учеб. пособие. – М.:Просвещение, 1994.
3. Хилькевич С.С. Физика вокруг нас. – М.: Наука,1985
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука,1980
5. Учебный справочник школьника. – Москва, Дрофа, 2005
6. http://www.edu.yar.ru:8100/~pcollege/discover/99/s8/1b.html
Свет является важной составляющей нашей жизни. Без него невозможна жизнь на нашей планете. При этом многие явления, которые связаны со светом, сегодня активно используются в разнообразных сферах человеческой деятельности, начиная от производства электротехнических приборов до космических аппаратов. Одним из основополагающих явлений в физике является отражение света.
Отражение света
Закон отражения света изучается еще в школе. Что следует знать о нем, а также много еще полезной информации сможет рассказать вам наша статья.
Основы знаний о свете
Как правило, физические аксиомы являются одними из наиболее понятных, поскольку они имеют наглядное проявление, которые можно легко пронаблюдать в домашних условиях. Закон отражения света подразумевает ситуацию, когда у световых лучей происходит смена направления при столкновении с различными поверхностями.
Обратите внимание! Граница преломления значительно увеличивает такой параметр, как длина волны.
В ходе преломления лучей часть их энергии возвратятся обратно в первичную среду. При проникновении части лучей в иную среду наблюдается их преломление.
Чтобы разбираться во всех этих физических явлениях, необходимо знать соответствующую терминологию:
- поток световой энергии в физике определяется как падающий при попадании на границу раздела двух веществ;
- часть энергии света, которая в данной ситуации возвращается в первичную среду, называется отраженной;
Обратите внимание! Существует несколько формулировок правила отражения. Как вы его не сформулируйте, но он все равно будет описывать взаимное расположение отраженных и падающих лучей.
- угол падения. Здесь подразумевается угол, который формируется между перпендикулярной линией границы сред и падающим на нее светом. Он определяется в точке падения луча;
Углы луча
- угол отражения. Он формируется между отраженным лучом и перпендикулярной линией, которая была восстановлена в точке его падения.
Кроме этого необходимо знать, что свет может распространяться в однородной среде исключительно прямолинейно.
Обратите внимание! Различные среды могут по-разному отражать и поглощать излучение света.
Отсюда выходит коэффициент отражения. Это величина, которая характеризует отражательную способность предметов и веществ. Он означает, сколько излучения принесенного световым потоком на поверхность среды составит та энергия, которая будет отражена от нее. Данный коэффициент зависит от целого ряда факторов, среди которых наибольшее значение имеют состав излучения и угол падения.
Полное отражение светового потока наблюдается тогда, когда луч падает на вещества и предметы, обладающие отражающей поверхностью. К примеру, отражение луча можно наблюдать при попадании его на стекло, жидкую ртуть или серебро.
Небольшой исторический экскурс
Законы преломления и отражения света были сформированы и систематизированы еще в ІІІ в. до н. э. Их разработал Евклид.
Все законы (преломления и отражения), которые касаются данного физического явления, были установлены экспериментальным путем и легко могут подтвердиться геометрическим принципом Гюйгенса.
По этому принципу любая точка среды, до которой может дойти возмущение, выступает в роли источника вторичных волн.
Рассмотрим существующие на сегодняшний день законы более детально.
Законы – основа всего
Закон отражения светового потока определяется как физическое явление, в ходе которого свет, направляющийся из одной среды в другую, на их разделе будет частично возвращен обратно.
Отражение света на границе раздела
Зрительный анализатор человека наблюдает свет в момент, когда луч, идущий от своего источника, попадает в глазное яблоко. В ситуации, когда тело не выступает в роли источника, зрительный анализатор может воспринимать лучи от иного источника, которые отражаются от тела. При этом световое излучение, падающее на поверхность объекта, может изменить направление своего дальнейшего распространения. В результате этого тело, которое отражает свет, будет выступать в роли его источника. При отражении часть потока будет возвращаться в первую среду, из которой он первоначально направлялся. Здесь тело, которое отразит его, станет источником уже отраженного потока.
Существует несколько законов для данного физического явления:
- первый закон гласит: отражающий и падающий луч, вместе с перпендикулярной линией, возникающей на границе раздела сред, а также в восстановленной точке падения светового потока, должны располагаться в одной плоскости;
Обратите внимание! Здесь подразумевается, что на отражательную поверхность предмета или вещества падает плоская волна. Ее волновые поверхности являются полосками.
Первый и второй закон
- второй закон. Его формулировка имеет следующий вид: угол отражения светового потока будет равен углу падения. Это связано с тем, что они обладают взаимно перпендикулярными сторонами. Беря во внимание принципы равенства треугольников, становится понятным, откуда берется это равенство. Используя данные принципы можно легко доказать то, что эти углы находятся в одной плоскости с проведенной перпендикулярной линией, которая была восстановлена на границе разделения двух веществ в точке падения светового луча.
Эти два закона в оптической физике являются основными. При этом они справедливы и для луча, имеющего обратный ход. В результате обратимости энергии луча, поток, распространяющийся по пути ранее отраженного, будет отражаться аналогично пути падающего.
Закон отражения на практике
Проверить исполнение данного закона можно на практике. Для этого необходимо направить тонкий луч на любую отражающую поверхность. В этих целях отлично подойдет лазерная указка и обычное зеркало.
Действие закона на практике
Направляем лазерную указку на зеркало. В результате этого лазерный луч отразится от зеркала и распространится дальше в заданном направлении. При этом углы падающего и отраженного луча будут равны даже при обычном взгляде на них.
Обратите внимание! Свет от таких поверхностей будет отражаться под тупым углом и дальше распространяться по низкой траектории, которая расположена достаточно близко к поверхности. А вот луч, который будет падать практически отвесно, отразится под острым углом. При этом его дальнейший путь будет практически аналогичным падающему.
Как видим, ключевым моментом данного правила является тот факт, что углы необходимо отчитывать от перпендикуляра к поверхности в месте падения светового потока.
Обратите внимание! Этому закону подчиняется не только свет, но и любые виды электромагнитных волн (СВЧ, радио-, рентгеновские волны и т.п).
Особенности диффузного отражения
Многие предметы могут только отражать падающее на их поверхность световое излучение. Отлично освещенные объекты хорошо видны с разных сторон, так как их поверхность отражает и рассеивает свет в разных направлениях.
Диффузное отражение
Такое явление называется рассеянным (диффузным) отражением. Это явление образуется при попадании излучения на различные шероховатые поверхности. Благодаря ему мы имеем возможность различать объекты, которые не имеют способности испускать свет. Если рассеивание светового излучения будет равно нулю, то мы не сможем увидеть эти предметы.
Обратите внимание! Диффузное отражение не вызывает у человека дискомфорта.
Отсутствие дискомфорта объясняется тем, что не весь свет, согласно вышеописанному правилу, возвращается в первичную среду. Причем этот параметр у разных поверхностей будет различным:
- у снега – отражается примерно 85% излучения;
- у белой бумаги — 75%;
- у черного цвета и велюра - 0,5%.
Если же отражение идет от шероховатых поверхностей, то свет будет направляться по отношению друг к другу хаотично.
Особенности зеркального отображения
Зеркальное отражение светового излучения отличается от ранее описанных ситуаций. Это связано с тем, что в результате падения потока на гладкую поверхность при определенном угле они будут отражаться в одном направлении.
Зеркальное отражение
Это явление можно легко воспроизвести, используя обычное зеркало. При направлении зеркала на солнечные лучи, оно будет выступать в роли отличной отражающей поверхности.
Обратите внимание! К зеркальным поверхностям можно отнести целый ряд тел. К примеру, в эту группу всходят все гладкие оптические объекты. Но такой параметр, как размеры неровностей и неоднородностей у этих объектов будут составлять менее 1 мкм. Величина длины волны света составляет примерно 1 мкм.
Все такие зеркальные отражающие поверхности подчиняются ранее описанным законам.
Использование закона в технике
На сегодняшний день в технике достаточно часто применяются зеркала или зеркальные объекты, имеющие изогнутую отражающую поверхность. Это так называемые сферические зеркала.
Подобные объекты представляют собой тела, которые имеют форму сферического сегмента. Для таких поверхностей характерно нарушение параллельности лучей.
На данный момент существуют два типа сферических зеркал:
- вогнутые. Они способны отражать световое излучение от внутренней поверхности своего сегмента сферы. При отражении лучи собираются здесь в одной точке. Поэтому их часто еще называют «собирающими»;
Вогнутое зеркало
- выпуклые. Для таких зеркал характерно отражение излучения от наружной поверхности. В ходе этого происходит рассеивание в стороны. По этой причине такие объекты получили название «рассеивающие».
Выпуклое зеркало
При этом существует несколько вариантов поведения лучей:
- паление почти параллельно поверхности. В данной ситуации он лишь немного касается поверхности, а отражается под очень тупым углом. Далее он идет по достаточно низкой траектории;
- при ответном падении, лучи отбиваются под острым углом. При этом, как мы говорили выше, отраженный луч будет следовать по пути очень близкому падающему.
Как видим, закон исполняется во всех случаях.
Заключение
Законы отражения светового излучения очень важны для нас, поскольку они являются основополагающими физическими явлениями. Они нашли обширное применение в различных сферах человеческой деятельности. Изучение основ оптики происходит еще в средней школе, что лишний раз доказывает важность таких базовых знаний.
Как самому сделать ангельские глазки для ваза?
На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается , а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется . Луч АО носит название падающий луч , а луч OD – отраженный луч (см. рис. 1.3). Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света .
Рис. 1.3. Отражение и преломление света.
Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения .
Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения .
Каждая среда в определённой степени (то есть по своему) отражает и поглощает световое излучение. Величина, которая характеризует отражательную способность поверхности вещества, называется коэффициент отражения . Коэффициент отражения показывает, какую часть принесённой излучением на поверхность тела энергии составляет энергия, унесённая от этой поверхности отражённым излучением. Этот коэффициент зависит от многих причин, например, от состава излучения и от угла падения. Свет полностью отражается от тонкой плёнки серебра или жидкой ртути, нанесённой на лист стекла.
Законы отражения света
Законы отражения света были найдены экспериментально ещё в 3 веке до нашей эры древнегреческим учёным Евклидом. Также эти законы могут быть получены как следствие принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Волновая поверхность (фронт волны) в следующий момент представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным волнам. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим.
На гладкую отражательную поверхность КМ (рис. 1.4) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.
Рис. 1.4. Построение Гюйгенса.
А 1 А и В 1 В – лучи падающей волны, АС – волновая поверхность этой волны (или фронт волны).
Пока фронт волны из точки С переместится за время t в точку В, из точки А распространится вторичная волна по полусфере на расстояние AD = CB, так как AD = vt и CB = vt, где v – скорость распространения волны.
Волновая поверхность отражённой волны – это прямая BD, касательная к полусферам. Дальше волновая поверхность будет двигаться параллельно самой себе по направлению отражённых лучей АА 2 и ВВ 2 .
Прямоугольные треугольники ΔАСВ и ΔADB имеют общую гипотенузу АВ и равные катеты AD = CB. Следовательно, они равны.
Углы САВ = = α и DBA = = γ равны, потому что это углы со взаимно перпендикулярными сторонами. А из равенства треугольников следует, что α = γ .
Из построения Гюйгенса также следует, что падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности, восстановленным в точке падения луча.
Законы отражения справедливы при обратном направлении хода световых лучей. В следствие обратимости хода световых лучей имеем, что луч, распространяющийся по пути отражённого, отражается по пути падающего.
Большинство тел лишь отражают падающее на них излучение, не являясь при этом источником света. Освещённые предметы видны со всех сторон, так как от их поверхности свет отражается в разных направлениях, рассеиваясь. Это явление называется диффузное отражение или рассеянное отражение . Диффузное отражение света (рис. 1.5) происходит от всех шероховатых поверхностей. Для определения хода отражённого луча такой поверхности в точке падения луча проводится плоскость, касательная к поверхности, и по отношению к этой плоскости строятся углы падения и отражения.
Рис. 1.5. Диффузное отражение света.
Например, 85% белого света отражается от поверхности снега, 75% - от белой бумаги, 0,5% - от чёрного бархата. Диффузное отражение света не вызывает неприятных ощущений в глазу человека, в отличие от зеркального.
– это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 1.6). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркало (или зеркальная поверхность ). Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм). Для таких поверхностей выполняется закон отражения света.
Рис. 1.6. Зеркальное отражение света.
Плоское зеркало – это зеркало, отражающая поверхность которого представляет собой плоскость. Плоское зеркало даёт возможность видеть предметы, находящиеся перед ним, причём эти предметы кажутся расположенными за зеркальной плоскостью. В геометрической оптике каждая точка источника света S считается центром расходящегося пучка лучей (рис. 1.7). Такой пучок лучей называется гомоцентрическим . Изображением точки S в оптическом устройстве называется центр S’ гомоцентрического отражённого и преломлённого пучка лучей в различных средах. Если свет, рассеянный поверхностями различных тел, попадает на плоское зеркало, а затем, отражаясь от него, падает в глаз наблюдателя, то в зеркале видны изображения этих тел.
Рис. 1.7. Изображение, возникающее с помощью плоского зеркала.
Изображение S’ называется действительным, если в точке S’ пересекаются сами отражённые (преломлённые) лучи пучка. Изображение S’ называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые (преломлённые) лучи, а их продолжения. Световая энергия в эту точку не поступает. На рис. 1.7 представлено изображение светящейся точки S, возникающее с помощью плоского зеркала.
Луч SO падает на зеркало КМ под углом 0°, следовательно, угол отражения равен 0°, и данный луч после отражения идёт по пути OS. Из всего множества попадающих из точки S лучей на плоское зеркало выделим луч SO 1 .
Луч SO 1 падает на зеркало под углом α и отражается под углом γ (α = γ ). Если продолжить отражённые лучи за зеркало, то они сойдутся в точке S 1 , которая является мнимым изображением точки S в плоском зеркале. Таким образом, человеку кажется, что лучи выходят из точки S 1 , хотя на самом деле лучей, выходящих их этой точки и попадающих в глаз, не существует. Изображение точки S 1 расположено симметрично самой светящейся точке S относительно зеркала КМ. Докажем это.
Луч SB, падающий на зеркало под углом 2 (рис. 1.8), согласно закону отражения света отражается под углом 1 = 2.
Рис. 1.8. Отражение от плоского зеркала.
Из рис. 1.8 видно, что углы 1 и 5 равны – как вертикальные. Суммы углов 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Следовательно, углы 3 = 4 и 2 = 5.
Прямоугольные треугольники ΔSOB и ΔS 1 OB имеют общий катет ОВ и равные острые углы 3 и 4, следовательно, эти треугольники равны по стороне и двум прилежащим к катету углам. Это означает, что SO = OS 1 , то есть точка S 1 расположена симметрично точке S относительно зеркала.
Для того чтобы найти изображение предмета АВ в плоском зеркале, достаточно опустить перпендикуляры из крайних точек предмета на зеркало и, продолжив их за пределы зеркала, отложить за ним расстояние, равное расстоянию от зеркала до крайней точки предмета (рис. 1.9). Это изображение будет мнимым и в натуральную величину. Размеры и взаимное расположение предметов сохраняются, но при этом в зеркале левая и правая стороны у изображения меняются местами по сравнению с самим предметом. Параллельность падающих на плоское зеркало световых лучей после отражения также не нарушается.
Рис. 1.9. Изображение предмета в плоском зеркале.
В технике часто применяют зеркала со сложной кривой отражающей поверхностью, например, сферические зеркала. Сферическое зеркало – это поверхность тела, имеющая форму сферического сегмента и зеркально отражающая свет. Параллельность лучей при отражении от таких поверхностей нарушается. Зеркало называют вогнутым , если лучи отражаются от внутренней поверхности сферического сегмента. Параллельные световые лучи после отражения от такой поверхности собираются в одну точку, поэтому вогнутое зеркало называют собирающим . Если лучи отражаются от наружной поверхности зеркала, то оно будет выпуклым . Параллельные световые лучи рассеиваются в разные стороны, поэтому выпуклое зеркало называют рассеивающим .
Некоторые законы физики трудно представить без использования наглядных пособий. Это не касается привычного всем света, попадающего на различные объекты. Так на границе, разделяющей две среды, происходит смена направления световых лучей в том случае, если эта граница намного превышает При света возникает, когда часть его энергии возвращается в первую среду. Если часть лучей проникает в другую среду, то происходит их преломление. В физике энергии, попадающий на границу двух различных сред, называется падающим, а тот, что от нее возвращается в первую среду, - отраженным. Именно взаимное расположение данных лучей определяет законы отражения и преломления света.
Термины
Угол между падающим лучом и перпендикулярной линией к границе раздела двух сред, восстановленной к точке падения потока световой энергии, называется Существует еще один важный показатель. Это угол отражения. Он возникает между отраженным лучом и перпендикулярной линией, восстановленной к точке его падения. Свет может распространяться прямолинейно исключительно в однородной среде. Разные среды по-разному поглощают и отражают излучение света. Коэффициентом отражения называют величину, характеризующую отражательную способность вещества. Он показывает, сколько принесенной световым излучением на поверхность среды энергии составит та, которая унесется от нее отраженным излучением. Данный коэффициент зависит от целого множества факторов, одними из самых важных являются угол падения и состав излучения. Полное отражение света происходит тогда, когда он падает на предметы или вещества с отражающей поверхностью. Так, например, это случается при попадании лучей на тонкую пленку серебра и жидкой ртути, нанесенных на стекло. Полное отражение света на практике встречается довольно часто.
Законы
Законы отражения и преломления света были сформулированы Евклидом еще в ІІІ в. до н. э. Все они были установлены экспериментально и легко подтверждаются чисто геометрическим принципом Гюйгенса. Согласно ему любая точка среды, до которой доходит возмущение, представляет собой источник вторичных волн.
Первый света: падающий и отражающий луч, а также перпендикулярная линия к границе раздела сред, восстановленная в точке падения светового луча, расположены в одной плоскости. На отражательную поверхность падает плоская волна, волновые поверхности которой являются полосками.
Другой закон гласит о том, что угол отражения света равен углу падения. Это происходит потому, что они имеют взаимно перпендикулярные стороны. Исходя из принципов равенства треугольников, следует, что угол падения равен углу отражения. Можно легко доказать, что они лежат в одной плоскости с перпендикулярной линией, восстановленной к границе раздела сред в точке падения луча. Эти важнейшие законы справедливы и для обратного хода света. Вследствие обратимости энергии луч, распространяющийся по пути отраженного, будет отражаться по пути падающего.
Свойства отражающих тел
Подавляющее большинство объектов только отражают падающее на них световое излучение. При этом они не являются источником света. Хорошо освещенные тела отлично видны с любых сторон, поскольку излучение от их поверхности отражается и рассеивается в разных направлениях. Это явление называются диффузным (рассеянным) отражением. Оно происходит при попадании света на любые шероховатые поверхности. Для определения пути отраженного от тела луча в точке его падения проводится плоскость, касающаяся поверхности. Затем по отношению к ней строят углы падения лучей и отражения.
Диффузное отражение
Только благодаря существованию рассеянного (диффузного) отражения световой энергии мы различаем предметы, не способные испускать свет. Любое тело будет абсолютно невидимым для нас, если рассеивание лучей будет равно нулю.
Диффузное отражение световой энергии не вызывает у человека неприятных ощущений в глазах. Это происходит от того, что не весь свет возвращается в первоначальную среду. Так от снега отражается около 85% излучения, от белой бумаги - 75%, ну а от велюра черного цвета - всего 0,5%. При отражении света от различных шероховатых поверхностей лучи направляются хаотично по отношению друг к другу. В зависимости от того, в какой степени поверхности отражают световые лучи, их называют матовыми или зеркальными. Но все-таки эти понятия являются относительными. Одни и те же поверхности могут быть зеркальными и матовыми при различной длине волны падающего света. Поверхность, которая равномерно рассеивает лучи в разные стороны, считается абсолютно матовой. Хотя в природе таких объектов практически нет, к ним очень близки неглазурованный фарфор, снег, чертежная бумага.
Зеркальное отражение
Зеркальное отражение лучей света отличается от других видов тем, что при падении пучков энергии на гладкую поверхность под определенным углом они отражаются в одном направлении. Это явление знакомо всем, кто когда-то пользовался зеркалом под лучами света. В этом случае оно является отражающей поверхностью. К этому разряду относятся и другие тела. К зеркальным (отражающим) поверхностям можно отнести все оптически гладкие объекты, если размеры неоднородностей и неровностей на них составляют меньше 1 мкм (не превышают величину длины волны света). Для всех таких поверхностей действительны законы отражения света.
Отражение света от разных зеркальных поверхностей
В технике нередко используются зеркала с изогнутой отражающей поверхностью (сферические зеркала). Такие объекты представляют собой тела, имеющие форму сферического сегмента. Параллельность лучей в случае отражения света от таких поверхностей сильно нарушается. При этом существует два вида таких зеркал:
Вогнутые - отражают свет от внутренней поверхности сегмента сферы, их называют собирающими, поскольку параллельные лучи света после отражения от них собираются в одной точке;
Выпуклые - отражают свет от наружной поверхности, при этом параллельные лучи рассеиваются в стороны, именно поэтому выпуклые зеркала называют рассеивающими.
Варианты отражения световых лучей
Луч, падающий практически параллельно поверхности, только немного касается ее, а далее отражается под сильно тупым углом. Затем он продолжает путь по очень низкой траектории, максимально расположенной к поверхности. Луч, падающий практически отвесно, отражается под острым углом. При этом направление уже отраженного луча будет близко к пути падающего луча, что полностью соответствует физическим законам.
Преломление света
Отражение тесно связано с иными явлениями геометрической оптики, такими как преломление и полное внутреннее отражение. Зачастую свет проходит через границу между двумя средами. Преломлением света называют изменение направления оптического излучения. Оно происходит при прохождении его из одной среды в другую. Преломление света имеет две закономерности:
Луч, прошедший через границу между средами, расположен в плоскости, которая проходит через перпендикуляр к поверхности и падающий луч;
Угол падения и преломления связаны.
Преломление всегда сопровождается отражением света. Сумма энергий отраженного и преломленного пучков лучей равна энергии падающего луча. Их относительная интенсивность зависит от в падающем пучке и угла падения. На законах преломления света основывается устройство многих оптических приборов.
Темы кодификатора ЕГЭ: закон отражения света, построение изображений в плоском зеркале.
Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, происходит отражение света: луч изменяет направление своего хода и возвращается в исходную среду.
На рис. 1 изображены падающий луч , отражённый луч , а также перпендикуляр , проведённый к отражающей поверхности в точке падения .
 |
| Рис. 1. Закон отражения |
Угол называется углом падения. Обратите внимание и запомните: угол падения отсчитывается от перпендикуляра к отражающей поверхности, а не от самой поверхности! Точно так же угол отражения - это угол , образованный отражённым лучом и перпендикуляром к поверхности.
Закон отражения.
Сейчас мы сформулируем один из самых древних законов физики. Он был известен грекам ещё в античности!
Закон отражения.
1) Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Угол отражения равен углу падения.
Таким образом, , что и показано на рис. 1 .
Закон отражения имеет одно простое, но очень важное геометрическое следствие. Давайте посмотрим на рис. 2 . Пусть из точки исходит световой луч. Построим точку , симметричную точке относительно отражающей поверхности .
Из симметрии точек и ясно, что . Кроме того, . Поэтому , и, следовательно, точки лежат на одной прямой! Отражённый луч как бы выходит из точки , симметричной точке относительно отражающей поверхности. Данный факт нам чрезвычайно пригодится в самом скором времени.
Закон отражения описывает ход отдельных световых лучей - узких пучков света. Но во многих случаях пучок является достаточно широким, то есть состоит из множества параллельных лучей. Картина отражения широкого пучка света будет зависеть от свойств отражающей поверхности.
Если поверхность является неровной, то после отражения параллельность лучей нарушится. В качестве примера на рис. 3 показано отражение от волнообразной поверхности. Отражённые лучи, как видим, идут в самых разных направлениях.
Но что значит "неровная" поверхность? Какие поверхности являются "ровными"? Ответ таков: поверхность считается неровной, если размеры её неровностей не меньше длины световых волн. Так, на рис. 3 характерный размер неровностей на несколько порядков превышает величину длин волн видимого света.
Поверхность с микроскопическими неровностями, соизмеримыми с длинами волн видимого света, называется матовой.
В результате отражения параллельного пучка от матовой поверхности получается рассеянный свет
- лучи такого света идут во всевозможных направлениях. (Именно поэтому мы видим окружающие предметы: они отражают рассеянный свет, который мы и наблюдаем с любого ракурса.)
Само отражение от матовой поверхности называется поэтому рассеянным
или диффузным
. (Латинское слово diffusio как раз и означает распространение, растекание, рассеивание.)
Если же размер неровностей поверхности меньше длины световой волны, то такая поверхность называется зеркальной . При отражении от зеркальной поверхности параллельность пучка сохраняется: отражённые лучи также идут параллельно (рис. 4 )
Приблизительно зеркальной является гладкая поверхность воды, стекла или отполированного металла. Отражение от зеркальной поверхности называется соответственно зеркальным . Нас будет интересовать простой, но важный частный случай зеркального отражения - отражение в плоском зеркале.
Плоское зеркало.
Плоское зеркало - это часть плоскости, зеркально отражающая свет. Плоское зеркало - привычная вещь; таких зеркал несколько в вашем доме. Но теперь мы сможем разобраться, почему, смотрясь в зеркало, вы видите в нём отражение себя и находящихся рядом с вами предметов.
Точечный источник света на рис. 5 испускает лучи в разных направлениях; давайте возьмём два близких луча, падающих на плоское зеркало. Мы уже знаем, что отражённые лучи пойдут так, будто они исходят из точки , симметричной точке относительно плоскости зеркала.
Самое интересное начинается, когда расходящиеся отражённые лучи попадают к нам в глаз. Особенность нашего сознания состоит в том, что мозг достраивает расходящийся пучок, продолжая его за зеркало до пересечения в точке . Нам кажется, что отражённые лучи исходят из точки - мы видим там светящуюся точку!
Эта точка служит изображением источника света Конечно, в реальности ничего за зеркалом не светится, никакая энергия там не сосредоточена - это иллюзия, обман зрения, порождение нашего сознания. Поэтому точка называется мнимым изображением источника . В точке пересекаются не сами световые лучи, а их мысленные продолжения "в зазеркалье".
Ясно, что изображение будет существовать независимо от размеров зеркала и от того, находится ли источник непосредственно над зеркалом или нет (рис. 6 ). Важно только, что-бы отражённые от зеркала лучи попадали в глаз - а уж глаз сам сформирует изображение источника.
От расположения источника и размеров зеркала зависит область видения - пространственная область, из которой видно изображение источника. Область видения задаётся краями и зеркала . Построение области видения изображения ясно из рис. 7 ; искомая область видения выделена серым фоном.
Как построить изображение произвольного предмета в плоском зеркале? Для этого достаточно найти изображение каждой точки этого предмета. Но мы знаем, что изображение точки симметрично самой точке относительно зеркала. Следовательно, изображение предмета в плоском зеркале симметрично предмету относительно плоскости зеркала (рис. 8 ).
Расположение предмета относительно зеркала и размеры самого зеркала не влияют на изображение (рис. 9 ).