Отражающие лучи. Отражение света

4.1. Основные понятия и законы геометрической оптики

Законы отражения света.
Первый закон отражения:
лучи, падающий и отражённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке падения луча.
Второй закон отражения:
угол падения равен углу отражения (см. рис. 8).
α - угол падения, β - угол отражения.

Законы преломления света. Показатель преломления.
Первый закон преломления:
падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения к границе раздела, лежат в одной плоскости (см. рис. 9).

Второй закон преломления:
отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой среде отличается от скорости света во второй среде:

Полное отражение.
Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при выполнении условия α > α 0 , где α 0 - предельный угол полного отражения, свет вообще не выйдет во вторую среду. Он полностью отразится от границы раздела и останется в первой среде. При этом закон отражения света даёт следующее соотношение:

4.2. Основные понятия и законы волновой оптики

Интерференцией называется процесс наложения волн от двух или нескольких источников друг на друга, в результате которого происходит перераспределение энергии волн в пространстве. Для перераспределения энергии волн в пространстве необходимо, чтобы источники волн были когерентны. Это означает, что они должны испускать волны одинаковой частоты и сдвиг по фазе между колебаниями этих источников с течением времени не должен изменяться.
В зависимости от разности хода (∆) в точке наложения лучей наблюдается максимум или минимум интерференции. Если разность хода лучей от синфазных источников ∆ равна целому числу длин волн mλ (m - целое число), то это максимум интерференции:

если нечётному числу полуволн - минимум интерференции:

Дифракцией называют отклонение в распространении волны от прямолинейного направления или проникновение энергии волн в область геометрической тени. Дифракция хорошо наблюдается в тех случаях, когда размеры препятствий и отверстий, через которые проходит волна, соизмеримы с длиной волны.
Один из оптических приборов, на котором хорошо наблюдать дифракцию света - это дифракционная решётка. Она представляет собой стеклянную пластинку, на которую на равном расстоянии друг от друга алмазом нанесены штрихи. Расстояние между штрихами - постоянная решётки d. Лучи, прошедшие через решётку, дифрагируют под всевозможными углами. Линза собирает лучи, идущие под одинаковым углом дифракции, в одной из точек фокальной плоскости. Идущие под другом углом - в других точках. Накладываясь друг на друга, эти лучи дают максимум или минимум дифракционной картины. Условия наблюдения максимумов в дифракционной решётке имеют вид:

где m - целое число, λ - длина волны (см. рис. 10).

ТЕНЬ ПЛАМЕНИ

Осветите горящую свечу мощной электрической лампой. На экране из белого листа бумаги появится не только тень свечи, но и тень ее пламени

На первый взгляд кажется странным, что сам источник света может иметь собственную тень. Объясняется это тем, что в пламени свечи есть непрозрачные раскаленные частицы и что очень велика разница в яркости пламени свечи и освещающего ее мощного источника света. Этот опыт очень хорошо наблюдать, когда свечу освещают яркие лучи Солнца.

ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА

Для этого опыта нам понадобятся: небольшое прямоугольное зеркало и два длинных карандаша.
Положите на стол лист бумаги и проведите на нем прямую линию. Поставьте на бумагу перпендикулярно проведенной линии зеркало. Чтобы зеркало не упало, позади него положите книги.

Для проверки строгой перпендикулярности нарисованной на бумаге линии к зеркалу проследите, чтобы
и эта линия и ее отражение в зеркале были прямолинейными, без излома у поверхности зеркала. Это мы с вами создали перпендикуляр.

В роли световых лучей в нашем опыте выступят карандаши. Положите карандаши на листок бумаги по разные стороны от начерченной линии концами друг к другу и к той точке, где линия упирается в зеркало.

Теперь проследите, чтобы отражения карандашей в зеркале и карандаши, лежащие перед зеркалом, образовывали прямые линии, без излома. Один из карандашей будет играть роль падающего луча, другой - луча отраженного. Углы между карандашами и начерченным перпендикуляром получаются равными друг другу.

Если теперь вы повернете один из карандашей (например, увеличивая угол падения), то обязательно нужно повернуть и второй карандаш, чтобы не было излома между первым карандашом и его продолжением в зеркале.
Всякий раз, изменяя угол между одним карандашом и перпендикуляром, нужно проделывать это и с другим карандашом, чтобы не нарушить прямолинейности светового луча, который карандаш изображает.

ЗЕРКАЛЬНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

Бумага бывает разных сортов и отличается своей гладкостью. Но даже очень гладкая бумага не способна отражать, как зеркало, она совсем не похожа на зеркало. Если такую гладкую бумагу рассматривать через увеличительное стекло, то сразу можно увидеть ее волокнистое строение, разглядеть впадинки и бугорки на ее поверхности. Свет, падающий на бумагу, отражается и бугорками, и впадинками. Эта беспорядочность отражений создает рассеянный свет.

Однако и бумагу можно заставить отражать световые лучи по-другому, чтобы не получался рассеянный свет. Правда, даже очень гладкой бумаге далеко до настоящего зеркала, но все-таки и от нее можно добиться некоторой зеркальности.

Возьмите лист очень гладкой бумаги и, прислонив его край к переносице, повернитесь к окну (этот опыт надо делать в яркий, солнечный день). Ваш взгляд должен скользить по бумаге. Вы увидите на ней очень бледное отражение неба смутные силуэты деревьев, домов. И чем меньше будет угол между направлением взгляда и листом бумаги, тем яснее будет отражение. Подобным образом можно получить на бумаге зеркальное отражение свечи или электрической лампочки.

Чем же объяснить, что на бумаге, хоть и плохо, все-таки можно видеть отражение?
Когда вы смотрите вдоль листа, все бугорки бумажной поверхности загораживают впадинки и превращаются как бы в одну сплошную поверхность. Беспорядочных лучей от впадин мы уже не видим, они нам теперь не мешают видеть то, что отражают бугорки.

ОТРАЖЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧЕЙ

Положите на расстоянии двух метров от настольной лампы (на одном с ней уровне) лист плотной белой бумаги. На одном краю бумаги укрепите расческу с крупными зубьями. Сделайте так, чтобы свет от лампы проходил на бумагу сквозь зубья расчески. Около самой расчески получится полоска тени от ее «спинки». На бумаге от этой теневой полоски должны идти параллельные полоски света, прошедшие между зубьями расчески

Возьмите небольшое прямоугольное зеркало и поставьте его поперек светлых полосок. На бумаге появятся полоски отраженных лучей.

Поверните зеркало, чтобы лучи падали на него под некоторым углом. Отраженные лучи тоже повернутся. Если мысленно провести перпендикуляр к зеркалу в месте падения какого-нибудь луча, то угол между этим перпендикуляром и падающим лучом будет равен углу отраженного луча. Как бы вы ни изменяли угол падения лучей на отражающую поверхность, как бы ни поворачивали зеркало, всегда отраженные лучи будут выходить под таким же углом.

Если нет маленького зеркала, его можно заменить блестящей стальной линейкой или лезвием безопасной бритвы. Результат будет несколько хуже, чем с зеркалом, но все-таки опыт провести можно.

С бритвой или линейкой возможно проделать еще и такие опыты. Согните линейку или бритву и поставьте на пути параллельных лучей. Если лучи попадут на вогнутую поверхность, то они, отразившись, соберутся в одной точке.

Попав на выпуклую поверхность, лучи отразятся от нее веером. Для наблюдения этих явлений очень пригодится та тень, которая получилась от «спинки» расчески.

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ

Интересное явление происходит с лучом света, который выходит из более плотной среды в менее плотную, например, из воды в воздух. Лучу света не всегда удается это сделать. Все зависит от того, под каким углом он пытается выйти из воды. Здесь угол - это угол, который луч образует с перпендикуляром к поверхности, через которую он хочет пройти. Если этот угол равен нулю, то он свободно выходит наружу. Так, если положить на дно чашки пуговицу и смотреть на нее точно сверху, то пуговица хорошо видна.

Если же увеличивать угол, то может наступить момент, когда нам будет казаться, что предмет исчез. В этот момент лучи полностью отразятся от поверхности, уйдут в глубину и до наших глаз не дойдут. Такое явление называется полным внутренним отражением или полным отражением.

Опыт 1

Сделайте из пластилина шарик диаметром 10- 12 мм и воткните в него спичку. Из плотной бумаги или картона вырежьте кружок диаметром 65 мм. Возьмите глубокую тарелку и натяните на ней параллельно диаметру две нитки на расстоянии трех сантиметров друг от друга. Концы ниток закрепите на краях тарелки пластилином или лейкопластырем.

Затем, проткнув шилом кружок в самом центре, вставьте в отверстие спичку с шариком. Расстояние между шариком и кружком сделайте около двух миллиметров. Положите кружок шариком вниз на натянутые нитки в центре тарелки. Если посмотреть сбоку, шарик должен быть виден. Теперь налейте в тарелку воду до самого кружка. Шарик исчез. Световые лучи с его изображением уже не дошли до наших глаз. Они, отразившись от внутренней поверхности воды, ушли в глубь тарелки. Произошло полное отражение.

Опыт 2

Надо найти шарик из металла с ушком или отверстием, подвесить его на кусочке проволоки и покрыть копотью (лучше всего поджечь кусочек ваты, смоченный скипидаром, машинным или растительным маслом). Дальше налейте в тонкий стакан воды и, когда шарик остынет, опустите его в воду. Виден будет блестящий шарик с «черной косточкой». Это происходит потому, что частицы сажи удерживают воздух, который создает вокруг шарика газовую оболочку.

Опыт 3

Налейте в стакан воду и погрузите в нее стеклянную пипетку. Если ее рассматривать сверху, немного наклонив в воде, чтобы хорошо была видна ее стеклянная часть, она будет так сильно отражать световые лучи, что станет словно зеркальной, будто сделана из серебра. Но стоит нажать на резинку пальцами и набрать в пипетку воду, как сразу же иллюзия исчезнет, и мы увидим только стеклянную пипетку - без зеркального наряда. Зеркальной ее делала поверхность воды, соприкасавшаяся со стеклом, за которым был воздух. От этой границы между водой и воздухом (стекло в данном случае не учитывается) отражались полностью световые лучи и создавали впечатление зеркальности. Когда же пипетка наполнилась водой, воздух в ней исчез, полное внутреннее отражение лучей прекратилось, потому что они просто стали проходить в воду, заполнившую пипетку.

Обратите внимание на пузырьки воздуха, которые иногда бывают в воде на внутренней стороне стакана. Блеск этих пузырьков тоже результат полного внутреннего отражения света от границы воды и воздуха в пузырьке.

ХОД СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ В СВЕТОВОДЕ

Хотя световые лучи распространяются от источника света по прямым линиям, можно заставить их идти и по кривому пути. Сейчас изготовляют тончайшие световоды из стекла, по которым световые лучи проходят большие расстояния с различными поворотами.

Простейший световод можно сделать довольно просто. Это будет струя воды. Свет, идя по такому световоду, встретив поворот, отражается от внутренней поверхности струи, не может вырваться наружу и идет дальше внутри струи до самого ее конца. Частично вода рассеивает небольшую долю света, и поэтому в темноте мы все-таки увидим слабо светящуюся струю. Если вода слегка забелена краской, светиться струя будет сильнее.
Возьмите шарик для настольного тенниса и проделайте в нем три отверстия: для крана, для короткой резиновой трубки и против этого отверстия третье - для лампочки от карманного фонаря. Лампочку вставьте внутрь шарика цоколем наружу и прикрепите к нему два провода, которые потом присоедините к батарейке от карманного фонаря. Шарик укрепите на кране с помощью изоляционной ленты. Все места соединений промажьте пластилином. Затем обмотайте шарик темной материей.

Откройте кран, но не очень сильно. Струя воды, вытекающая из трубки, должна, изгибаясь, падать недалеко от крана. Свет погасите. Присоедините провода к батарейке. Лучи света от лампочки пройдут через воду в отверстие, из которого вытекает вода. Свет пойдет по струе. Вы увидите лишь ее слабое свечение. Основной поток света идет по струе, не вырывается из нее даже там, где она изгибается.

ОПЫТ С ЛОЖКОЙ

Возьмите блестящую ложку. Если она хорошо отполирована, то даже кажется немножко зеркальной, что-то отражает. Закоптите ее над пламенем свечи, да почернее. Теперь ложка ничего уже не отражает. Копоть поглощает все лучи.

Ну, а теперь опустите закопченную ложку в стакан с водой. Смотри: заблестела, как серебро! Куда же копоть-то девалась? Отмылась, что ли? Вынимаешь ложку - черна по-прежнему...

Дело здесь в том, что частички копоти плохо смачиваются водой. Поэтому вокруг закопченной ложки образуется как бы пленка, как бы «водяная кожа». Словно мыльный пузырь, натянутый на ложку, как перчатка! Но мыльный пузырь ведь блестит, он отражает свет. Вот и этот пузырь, окружающий ложку, тоже отражает.
Можете, например, закоптить над свечой яйцо и погрузить его в воду. Оно будет там блестеть, как серебряное.

Чем чернее, тем светлее!

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Вы знаете, что луч света прямолинеен. Вспомните хотя бы луч, пробившийся сквозь щелку в ставне или в занавесе. Золотой луч, полный кружащихся пылинок!

Но… физики привыкли все проверять на опыте. Опыт со ставнями, конечно, очень нагляден. А что вы скажите об опыте с гривенником в чашке? Не знаете, этого опыта? Сейчас мы с вами его сделаем. Положите гривенник в пустую чашку и присядьте так, чтобы он перестал быть виден. Лучи от гривенника шли бы прямо в глаз, да край чашки загородил им дорогу. Но я сейчас устрою так, что вы снова увидите гривенник.

Вот я наливаю в чашку воду… Осторожно, потихоньку, чтобы гривенник не сдвинулся… Больше, больше…

Смотрите, вот он, гривенник!
Появился, словно бы всплыл. Или, вернее, он лежит на дне чашки. Но дно это будто бы поднялось, чашка «обмелела». Прямые лучи от гривенника к вам не доходили. Теперь лучи доходят. Но как же они огибают край чашки? Неужели гнутся или ломаются?

Можно в ту же чашку или в стакан наклонно опустить чайную ложечку. Смотрите, сломалась! Конец, погруженный в воду, переломился вверх! Вынимаем ложечку - она и целая, и прямая. Значит, лучи действительно ломаются!

Источники: Ф. Рабиза "Опыты без приборов", "Здравствуй физика" Л.Гальперштейн

Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света. В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.

Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю.

Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.

В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона , установленных опытным путем:

· закон прямолинейного распространения света;

· закон независимости световых лучей;

· закон отражения;

· закон преломления света.

Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса .

Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является , в свою очередь, центром вторичных волн ; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны.

Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления .

Закон прямолинейного распространения света :

· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно .

Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.

Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.

Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны , когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).

Закон независимости световых пучков :

· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того , действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.

Закон отражения (рис. 7.3):

· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром , проведенным к границе раздела двух сред в точке падения ;

· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ

Рис. 7.3 Рис. 7.4

Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ со скоростью с , падает на границу раздела двух сред (рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А , эта точка начнет излучать вторичную волну .

· Для прохождения волной расстояния ВС требуется время Δt = BC / υ . За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус AD которой равен: υ Δt = ВС. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление распространения этой волны – лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает закон отражения : угол падения α равен углу отражения γ.

Закон преломления (закон Снелиуса ) (рис. 7.5):

· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости;

· отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред .

Рис. 7.5 Рис. 7.6

Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления Iсо скоростью с , падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u (рис. 7.6).

Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС , равно Dt . Тогда ВС = с Dt . За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u , достигнет точек полусферы, радиус которой AD = u Dt . Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что

Отсюда следует закон Снелиуса :

Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.

Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.

Согласно принципу Ферма , свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время .

Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.

Луч от источника света S , расположенного в вакууме идет до точки В , расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).

В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA и AB . Точку A охарактеризуем расстоянием x от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB :

Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х и приравняем ее к нулю:

отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса: .

Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).

Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.

Обратимость световых лучей : если обратить луч III (рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.

Другой пример – мираж , который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком. Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном. Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотной)( > ), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а ).

С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 7.8 б , в ), до тех пор, пока при некотором угле падения () угол преломления не окажется равным π/2.

Угол называется предельным углом . При углах падения α > весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г ).

· По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.

· Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г ).

· Таким образом , при углах падения в пределах от до π/2 , луч не преломляется , а полностью отражается в первую среду , причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол определим из формулы:

;

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (Рис. 7.9).

Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух = arcsin (1/1,5) = 42°.

При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.

На рис. 7.9 показаны призмы полного отражения, позволяющие:

а) повернуть луч на 90°;

б) повернуть изображение;

в) обернуть лучи.

Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).

Явление полного отражения используется также в световодах , представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.

В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного , претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.

Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости . Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.

Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.

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?

Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение 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.) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.

Рис. 1 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. Вследствие 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. 2.) 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. 2. 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.

Зеркальное отражение света – это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 3.). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркалом (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. 3. 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. 4.). 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. 4. Изображение, возникающее с помощью плоского зеркала.

Изображение S’ называется действительным, если в точке S 1 пересекаются сами отражённые (преломлённые) лучи пучка. Изображение S 1 называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые (преломлённые) лучи, а их продолжения. Световая энергия в эту точку не поступает. На рис. 4 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. 5.), согласно закону отражения света отражается под углом 1 = 2.

Рис. 5. 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. 6.). 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. 6. 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 .

Преломление На границе раздела двух сред падающий световой поток делится на две части: одна часть отражается, другая – преломляется.
В. Снелл (Снеллиус) до X. Гюйгенса и И. Ньютона в 1621 г. экспериментально открыл закон преломления света, однако не получил формулу, а выразил его в виде таблиц, т.к. к этому времени в математике еще не были известны функции sin и cos.
Преломление света подчиняется закону: 1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восставленным в точке падения луча к поверхности раздела двух сред. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная (для монохроматического света).

Причиной преломления является различие скоростей распространения волн в различных средах.
Величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде, называется абсолютным показателем преломления среды. Это табличная величина – характеристика данной среды.
Величина, равная отношению скорости света в одной среде к скорости света в другой, называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Доказательство закона преломления. Распространение падающих и преломленных лучей: ММ" - граница раздела двух сред. Лучи А 1 А и В 1 В - падающие лучи; α - угол падения;. АС – волновая поверхность в момент, когда луч А 1 А достигнет границы раздела сред. Воспользовавшись принципом Гюйгенса построим волновую поверхность в тот момент, когда луч В 1 Вдостигнет границы раздела сред. Построим преломленные лучи АА 2 и ВВ 2 . β - угол преломления. АВ – общая сторона треугольников АВС и АВD. Т.к. лучи и волновые поверхности взаимно перпендикулярны, то угол ABD= α и угол BAC=β. Тогда получим:

В призме или плоскопараллельной пластине преломление происходит на каждой грани в соответствие с законом преломления света. Не забудьте, что всегда существует отражение. Кроме того, реальный ход лучей зависит и от показателя преломления, и от преломляющего угла – угла при вершине призмы.)

Полное отражение Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при определенном для каждой среды угле падения, преломленный луч исчезает. Наблюдается только преломление. Это явление называется полным внутренним отражением.

Угол падения, которому соответствует угол преломления 90°, называют предельным углом полного внутреннего отражения (a 0). Из закона преломления следует, что при переходе света из какой-либо среды в вакуум (или воздух)
Если мы пытаемся из-под воды взглянуть на то, что находится в воздухе, то при определенном значении угла, под которым мы смотрим, можно увидеть отраженное от поверхности воды дно. Это важно учитывать для того, чтобы не потерять ориентировку.
В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение. Этим и объясняется "игра камней".
Полным внутренним отражением объясняется и явление миража.