Raios reflexivos. Reflexo da luz

 4.1. Conceitos básicos e leis da óptica geométrica

 Leis da reflexão da luz.
 Primeira lei da reflexão:
os raios incidentes e refletidos situam-se no mesmo plano da perpendicular à superfície refletora, restaurada no ponto de incidência do raio.
 Segunda lei da reflexão:
o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (ver Fig. 8).
α - ângulo de incidência, β - ângulo de reflexão.

 Leis da refração da luz. Índice de refração.
 Primeira lei da refração:
o raio incidente, o raio refratado e a perpendicular reconstruída no ponto de incidência da interface estão no mesmo plano (ver Fig. 9).


 Segunda lei da refração:
a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios determinados e é chamada de índice de refração relativo do segundo meio em relação ao primeiro.

O índice de refração relativo mostra quantas vezes a velocidade da luz no primeiro meio difere da velocidade da luz no segundo meio:

 Reflexão total.
Se a luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso, então se a condição α > α 0 for atendida, onde α 0 é o ângulo limite de reflexão total, a luz não entrará no segundo meio. Ele será totalmente refletido na interface e permanecerá no primeiro meio. Neste caso, a lei da reflexão da luz dá a seguinte relação:

 4.2. Conceitos básicos e leis da óptica ondulatória

 Interferênciaé o processo de superposição de ondas de duas ou mais fontes entre si, como resultado da redistribuição da energia das ondas no espaço. Para redistribuir a energia das ondas no espaço, é necessário que as fontes das ondas sejam coerentes. Isso significa que elas devem emitir ondas da mesma frequência e a mudança de fase entre as oscilações dessas fontes não deve mudar com o tempo.
Dependendo da diferença de caminho (∆) no ponto de sobreposição dos raios, interferência máxima ou mínima. Se a diferença de caminho dos raios de fontes em fase ∆ for igual a um número inteiro de comprimentos de onda mλ (eu- inteiro), então esta é a interferência máxima:

se houver um número ímpar de meias ondas, a interferência mínima é:

 Difração chamado de desvio na propagação das ondas da direção retilínea ou penetração da energia das ondas na região da sombra geométrica. A difração é claramente observada nos casos em que os tamanhos dos obstáculos e buracos pelos quais a onda passa são proporcionais ao comprimento de onda.
Um dos instrumentos ópticos bons para observar a difração da luz é grade de difração.É uma placa de vidro na qual são aplicados traços de diamante em distâncias iguais uns dos outros. Distância entre traços - constante de rede d. Os raios que passam pela grade são difratados em todos os ângulos possíveis. A lente coleta raios que chegam no mesmo ângulo de difração em um dos pontos do plano focal. Vindo de um ângulo diferente – em outros pontos. Sobrepostos uns aos outros, esses raios fornecem um máximo ou um mínimo do padrão de difração. As condições para observar máximos em uma rede de difração têm a forma:

Onde eu- inteiro, λ - comprimento de onda (ver Fig. 10).

SOMBRA DA CHAMA

Acenda a vela acesa com uma lâmpada elétrica potente. Em uma tela feita de uma folha de papel branca, aparecerá não apenas a sombra de uma vela, mas também a sombra de sua chama.

À primeira vista, parece estranho que a própria fonte de luz possa ter sua própria sombra. Isso se explica pelo fato de que na chama da vela existem partículas quentes opacas e que a diferença no brilho da chama da vela e da poderosa fonte de luz que a ilumina é muito grande. Esta experiência é muito boa de observar quando a vela é iluminada pelos raios brilhantes do Sol.

LEI DA REFLEXÃO DA LUZ

Para esta experiência precisaremos de: um pequeno espelho retangular e dois lápis longos.
Coloque um pedaço de papel sobre a mesa e desenhe uma linha reta nele. Coloque um espelho no papel perpendicular à linha desenhada. Para evitar que o espelho caia, coloque livros atrás dele.

Para verificar se a linha desenhada no papel é estritamente perpendicular ao espelho, certifique-se de que
e esta linha e seu reflexo no espelho eram retos, sem interrupção na superfície do espelho. Fomos você e eu que criamos a perpendicular.

Os lápis atuarão como raios de luz em nosso experimento. Coloque os lápis em um pedaço de papel em lados opostos da linha desenhada, com as pontas voltadas uma para a outra e até o ponto onde a linha repousa no espelho.

Agora certifique-se de que os reflexos dos lápis no espelho e dos lápis que estão na frente do espelho formem linhas retas, sem quebras. Um dos lápis desempenhará o papel de raio incidente, o outro - de raio refletido. Os ângulos entre os lápis e a perpendicular desenhada são iguais entre si.

Se você agora girar um dos lápis (por exemplo, aumentando o ângulo de incidência), deverá girar também o segundo lápis para que não haja ruptura entre o primeiro lápis e sua continuação no espelho.
Sempre que você altera o ângulo entre um lápis e a perpendicular, é necessário fazer o mesmo com o outro lápis para não atrapalhar a retilinidade do feixe de luz que o lápis representa.

REFLEXÃO DO ESPELHO

O papel vem em diferentes qualidades e se distingue pela sua suavidade. Mas mesmo um papel muito liso não é capaz de refletir como um espelho; ele não se parece em nada com um espelho. Se você examinar esse papel liso através de uma lupa, poderá ver imediatamente sua estrutura fibrosa e ver depressões e tubérculos em sua superfície. A luz que incide sobre o papel é refletida tanto pelos tubérculos quanto pelas depressões. Essa aleatoriedade de reflexos cria luz difusa.

No entanto, o papel também pode ser feito para refletir os raios de luz de uma maneira diferente, de modo que não seja obtida luz dispersa. É verdade que mesmo o papel muito liso está longe de ser um espelho real, mas ainda assim você pode obter alguma especulação com ele.

Pegue uma folha de papel bem lisa e, encostando a borda na ponte do nariz, vire-a em direção à janela (esta experiência deve ser feita em um dia claro e ensolarado). Seu olhar deve deslizar sobre o papel. Você verá nele um reflexo muito pálido do céu, silhuetas vagas de árvores e casas. E quanto menor for o ângulo entre a direção de visão e a folha de papel, mais nítido será o reflexo. De maneira semelhante, você pode obter a imagem espelhada de uma vela ou lâmpada no papel.

Como explicar que no papel, embora mal, ainda dá para ver o reflexo?
Quando você olha ao longo da folha, todos os tubérculos da superfície do papel bloqueiam as depressões e se transformam em uma superfície contínua. Não vemos mais raios aleatórios vindos das depressões; eles agora não nos impedem de ver o que os tubérculos refletem.

REFLEXÃO DE RAIOS PARALELOS

Coloque uma folha de papel branco grosso a uma distância de dois metros do abajur (no mesmo nível dele). Coloque um pente de dentes grandes em uma das bordas do papel. Certifique-se de que a luz da lâmpada passe para o papel através dos dentes do pente. Perto do próprio pente você obterá uma faixa de sombra em sua “parte traseira”. No papel, a partir desta faixa de sombra devem surgir faixas paralelas de luz passando entre os dentes do pente

Pegue um pequeno espelho retangular e coloque-o sobre as faixas claras. Listras de raios refletidos aparecerão no papel.

Gire o espelho para que os raios incidam sobre ele em um determinado ângulo. Os raios refletidos também girarão. Se você desenhar mentalmente uma perpendicular ao espelho no ponto de incidência de um raio, então o ângulo entre esta perpendicular e o raio incidente será igual ao ângulo do raio refletido. Não importa como você mude o ângulo de incidência dos raios na superfície refletora, não importa como você gire o espelho, os raios refletidos sempre sairão no mesmo ângulo.

Se você não tiver um espelho pequeno, pode substituí-lo por uma régua de aço brilhante ou uma lâmina de barbear. O resultado será um pouco pior do que com um espelho, mas o experimento ainda pode ser realizado.

Você também pode fazer experiências semelhantes com uma navalha ou régua. Dobre uma régua ou navalha e coloque-a no caminho dos raios paralelos. Se os raios atingirem uma superfície côncava, eles serão refletidos e convergirão em um ponto.

Uma vez em uma superfície convexa, os raios serão refletidos como um leque. Para observar esses fenômenos, a sombra que vem da “parte de trás” do favo é muito útil.

REFLEXÃO INTERNA TOTAL

Um fenômeno interessante ocorre com um raio de luz que vai de um meio mais denso para um menos denso, por exemplo, da água para o ar. Nem sempre um raio de luz consegue fazer isso. Tudo depende do ângulo em que ele tenta sair da água. Aqui, o ângulo é o ângulo que o raio faz com a perpendicular à superfície pela qual deseja passar. Se este ângulo for zero, ele sai livremente. Portanto, se você colocar um botão no fundo de um copo e olhar diretamente de cima, o botão ficará claramente visível.

Se aumentarmos o ângulo, pode chegar um momento em que nos parece que o objeto desapareceu. Neste momento, os raios serão totalmente refletidos na superfície, irão fundo e não atingirão nossos olhos. Este fenômeno é denominado reflexão interna total ou reflexão total.

Experiência 1

Faça uma bola de plasticina com diâmetro de 10-12 mm e cole um fósforo nela. Corte um círculo com diâmetro de 65 mm em papel grosso ou papelão. Pegue um prato fundo e estique dois fios paralelos ao diâmetro, a uma distância de três centímetros um do outro. Prenda as pontas dos fios nas bordas da placa com plasticina ou fita adesiva.

Em seguida, tendo perfurado o círculo bem no centro com um furador, insira um fósforo com uma bola no buraco. Faça a distância entre a bola e o círculo em cerca de dois milímetros. Coloque o círculo, com a bola voltada para baixo, nas cordas esticadas no centro do prato. Se você olhar de lado, a bola deve estar visível. Agora despeje água no prato até a caneca. A bola desapareceu. Os raios de luz com a sua imagem já não atingiam os nossos olhos. Eles, refletidos na superfície interna da água, penetraram profundamente na placa. Houve uma reflexão completa.

Experiência 2

É preciso encontrar uma bola de metal com olho ou buraco, pendurá-la em um pedaço de arame e cobri-la com fuligem (o melhor é atear fogo a um pedaço de algodão umedecido com terebintina, máquina ou óleo vegetal). Em seguida, despeje a água em um copo fino e, quando a bola esfriar, coloque-a na água. Uma bola brilhante com um “osso preto” ficará visível. Isso acontece porque as partículas de fuligem prendem o ar, o que cria uma camada de gás ao redor da bola.

Experiência 3

Despeje água em um copo e coloque uma pipeta de vidro nele. Se você olhar de cima, inclinando-o levemente na água para que sua parte de vidro fique bem visível, ele refletirá os raios de luz com tanta força que ficará espelhado, como se fosse feito de prata. Mas assim que pressionarmos o elástico com os dedos e colocarmos água na pipeta, a ilusão desaparecerá imediatamente e veremos apenas uma pipeta de vidro - sem roupa de espelho. Tornava-se espelhado pela superfície da água em contato com o vidro, atrás do qual havia ar. A partir desta fronteira entre a água e o ar (o vidro não é levado em consideração neste caso), os raios de luz foram totalmente refletidos e criaram a impressão de especularidade. Quando a pipeta foi enchida com água, o ar nela contido desapareceu, a reflexão interna completa dos raios cessou, pois eles simplesmente começaram a passar para a água que enchia a pipeta.

Preste atenção nas bolhas de ar que às vezes existem na água no interior do copo. O brilho dessas bolhas também é o resultado da reflexão interna total da luz a partir da fronteira entre água e ar na bolha.

VIAGEM DE RAIOS DE LUZ EM UM GUIA DE LUTA

Embora os raios de luz viajem em linha reta a partir de uma fonte de luz, eles também podem seguir uma trajetória curva. Hoje em dia, os guias de luz mais finos são feitos de vidro, através dos quais os raios de luz percorrem longas distâncias com várias voltas.

O guia de luz mais simples pode ser feito de forma bastante simples. Este será um fluxo de água. A luz viajando ao longo de tal guia de luz, encontrando uma curva, é refletida na superfície interna do jato, não pode escapar para fora e viaja mais para dentro do jato até seu final. A água dispersa parcialmente uma pequena fração da luz e, portanto, no escuro ainda veremos um fluxo levemente luminoso. Se a água estiver levemente esbranquiçada com tinta, o jato brilhará com mais força.
Pegue uma bola de tênis de mesa e faça três furos nela: para uma torneira, para um pequeno tubo de borracha e, na frente desse furo, um terceiro furo para uma lâmpada de lanterna. Insira a lâmpada dentro da bola com a base voltada para fora e prenda dois fios nela, que então se conectam à bateria da lanterna. Prenda a bola na torneira usando fita isolante. Cubra todas as juntas com plasticina. Em seguida, envolva a bola com matéria escura.

Abra a torneira, mas não muito. O jato de água que sai do tubo deve dobrar e cair próximo à torneira. Apague a luz. Conecte os fios à bateria. Os raios de luz da lâmpada passarão pela água até o buraco de onde a água flui. A luz fluirá ao longo do riacho. Você verá apenas seu brilho fraco. O fluxo principal de luz segue o fluxo e não escapa dele mesmo quando ele se curva.

EXPERIÊNCIA COM UMA COLHER

Pegue uma colher brilhante. Se estiver bem polido, até parece um pouco espelhado, refletindo alguma coisa. Fume-o sobre a chama de uma vela e torne-o mais preto. Agora a colher não reflete mais nada. A fuligem absorve todos os raios.

Bem, agora coloque a colher defumada em um copo d'água. Olha: brilhava como prata! Para onde foi a fuligem? Você se lavou ou o quê? Você tira a colher - ela ainda está preta...

A questão aqui é que as partículas de fuligem são pouco umedecidas pela água. Portanto, uma espécie de película, como um “odre de água”, se forma ao redor da colher fuliginosa. Como uma bolha de sabão esticada sobre uma colher como uma luva! Mas uma bolha de sabão brilha, reflete a luz. Esta bolha ao redor da colher também reflete.
Você pode, por exemplo, fumar um ovo sobre uma vela e mergulhá-lo em água. Ela brilhará lá como prata.

Quanto mais preto, mais claro!

REFRAÇÃO DE LUZ

Você sabe que o feixe de luz é reto. Lembre-se apenas de um raio atravessando uma fresta de uma veneziana ou cortina. Um raio dourado cheio de partículas de poeira rodopiantes!

Mas... os físicos estão acostumados a testar tudo experimentalmente. A experiência com persianas é, obviamente, muito clara. O que você pode dizer sobre a experiência com uma moeda de dez centavos em uma xícara? Não conhece essa experiência? Agora faremos isso com você. Coloque a moeda em um copo vazio e sente-se de forma que não fique mais visível. Os raios da moeda de dez copeques teriam ido direto para o olho, mas a borda da xícara bloqueava seu caminho. Mas agora vou providenciar para que você veja novamente a moeda de dez copeques.

Então despejo água no copo... Com cuidado, aos poucos, para que a moeda de dez copeques não se mexa... Mais, mais...

Olha, aqui está, uma moeda de dez copeques!
Parecia que tinha flutuado. Ou melhor, fica no fundo do copo. Mas o fundo parecia subir, a xícara “rasa”. Os raios diretos da moeda de dez copeques não chegaram até você. Agora os raios estão chegando. Mas como eles contornam a borda do copo? Eles realmente dobram ou quebram?

Você pode colocar uma colher de chá obliquamente na mesma xícara ou copo. Olha, está quebrado! A ponta imersa na água quebrou para cima! Tiramos a colher - ela está inteira e reta. Então os raios realmente quebram!

Fontes: F. Rabiza "Experiências sem instrumentos", "Olá física" L. Galperstein

As leis básicas da óptica geométrica são conhecidas desde os tempos antigos. Assim, Platão (430 aC) estabeleceu a lei da propagação retilínea da luz. Os tratados de Euclides formularam a lei da propagação retilínea da luz e a lei da igualdade dos ângulos de incidência e reflexão. Aristóteles e Ptolomeu estudaram a refração da luz. Mas a redação exata destes leis da óptica geométrica Os filósofos gregos não conseguiram encontrá-lo.

Óptica geométrica é o caso limite da óptica ondulatória, quando o comprimento de onda da luz tende a zero.

Os fenômenos ópticos mais simples, como o aparecimento de sombras e a produção de imagens em instrumentos ópticos, podem ser compreendidos no âmbito da óptica geométrica.

A construção formal da óptica geométrica é baseada em quatro leis , estabelecido empiricamente:

· lei da propagação retilínea da luz;

· a lei da independência dos raios de luz;

· lei da reflexão;

· lei da refração da luz.

Para analisar essas leis, H. Huygens propôs um método simples e visual, mais tarde denominado Princípio de Huygens .

Cada ponto ao qual a excitação luminosa atinge é ,por sua vez, centro de ondas secundárias;a superfície que se curva em torno dessas ondas secundárias em um determinado momento indica a posição da frente da onda que realmente se propaga naquele momento.

Com base em seu método, Huygens explicou retidão da propagação da luz E trazido para fora leis da reflexão E refração .

Lei da propagação retilínea da luz :

· a luz se propaga retilínea em um meio opticamente homogêneo.

A prova desta lei é a presença de sombras com limites nítidos de objetos opacos quando iluminados por pequenas fontes.

Experiências cuidadosas mostraram, contudo, que esta lei é violada se a luz passar através de buracos muito pequenos, e o desvio da retilineidade da propagação for tanto maior quanto menores forem os buracos.

A sombra projetada por um objeto é determinada por retidão dos raios de luz em meios opticamente homogêneos.

Ilustração astronômica propagação retilínea da luz e, em particular, a formação de umbra e penumbra pode ser causada pelo sombreamento de alguns planetas por outros, por exemplo Eclipse lunar , quando a Lua cai na sombra da Terra (Fig. 7.1). Devido ao movimento mútuo da Lua e da Terra, a sombra da Terra se move através da superfície da Lua, e o eclipse lunar passa por várias fases parciais (Fig. 7.2).

Lei da independência dos feixes de luz :

· o efeito produzido por um feixe individual não depende se,se outros pacotes atuam simultaneamente ou se são eliminados.

Ao dividir o fluxo luminoso em feixes de luz separados (por exemplo, usando diafragmas), pode-se mostrar que a ação dos feixes de luz selecionados é independente.

Lei da Reflexão (Fig. 7.3):

· o raio refletido está no mesmo plano que o raio incidente e a perpendicular,atraído para a interface entre duas mídias no ponto de impacto;

· ângulo de incidênciaα igual ao ângulo de reflexãoγ: α = γ

Arroz. 7.3 Fig. 7.4

Para derivar a lei da reflexão Vamos usar o princípio de Huygens. Suponhamos que uma onda plana (frente de onda AB com velocidade Com, cai na interface entre duas mídias (Fig. 7.4). Quando a frente de onda AB alcançará a superfície refletora no ponto A, este ponto começará a irradiar onda secundária .

Para a onda percorrer uma distância Sol tempo necessário Δ t = a.C./ υ . Ao mesmo tempo, a frente da onda secundária atingirá os pontos do hemisfério, o raio DE ANÚNCIOS que é igual a: υ Δ t= sol. A posição da frente de onda refletida neste momento, de acordo com o princípio de Huygens, é dada pelo plano CC, e a direção de propagação desta onda é o raio II. Da igualdade dos triângulos abc E ADC flui para fora lei da reflexão: ângulo de incidênciaα igual ao ângulo de reflexão γ .

Lei da refração (Lei de Snell) (Fig. 7.5):

· o raio incidente, o raio refratado e a perpendicular traçada à interface no ponto de incidência estão no mesmo plano;

· a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para um determinado meio.

Arroz. 7.5 Fig. 7.6

Derivação da lei da refração. Suponhamos que uma onda plana (frente de onda AB), propagando-se no vácuo ao longo da direção I com velocidade Com, cai na interface com o meio em que a velocidade de sua propagação é igual a você(Fig. 7.6).

Seja o tempo que a onda leva para percorrer o caminho Sol, igual a D t. Então BC = s D t. Durante o mesmo tempo, a frente da onda excitada pelo ponto A em um ambiente com velocidade você, alcançará pontos do hemisfério cujo raio DE ANÚNCIOS = você D t. A posição da frente de onda refratada neste momento, de acordo com o princípio de Huygens, é dada pelo plano CC, e a direção de sua propagação - pelo raio III . Da Fig. 7.6 é claro que

isso implica Lei de Snell :

Uma formulação ligeiramente diferente da lei da propagação da luz foi dada pelo matemático e físico francês P. Fermat.

A pesquisa física refere-se principalmente à óptica, onde estabeleceu em 1662 o princípio básico da óptica geométrica (princípio de Fermat). A analogia entre o princípio de Fermat e os princípios variacionais da mecânica desempenhou um papel significativo no desenvolvimento da dinâmica moderna e na teoria dos instrumentos ópticos.

De acordo com Princípio de Fermat , a luz se propaga entre dois pontos ao longo de um caminho que requer menos tempo.

Vamos mostrar a aplicação deste princípio para resolver o mesmo problema de refração da luz.

Feixe de uma fonte de luz S localizado no vácuo vai até o ponto EM, localizado em algum meio além da interface (Fig. 7.7).

Em todos os ambientes o caminho mais curto será reto S.A. E AB. Ponto final A caracterizar por distância x da perpendicular baixada da fonte até a interface. Vamos determinar o tempo gasto para percorrer o caminho SAB:

.

Para encontrar o mínimo, encontramos a primeira derivada de τ em relação a X e iguale-o a zero:

daqui chegamos à mesma expressão que foi obtida com base no princípio de Huygens: .

O princípio de Fermat manteve seu significado até hoje e serviu de base para a formulação geral das leis da mecânica (incluindo a teoria da relatividade e a mecânica quântica).

Várias consequências decorrem do princípio de Fermat.

Reversibilidade dos raios de luz : se você inverter o feixe III (Fig. 7.7), fazendo com que ele caia na interface em um ânguloβ, então o raio refratado no primeiro meio se propagará em um ângulo α, ou seja, ele irá na direção oposta ao longo do feixe EU .

Outro exemplo é uma miragem , que é frequentemente observado por viajantes em estradas quentes. Eles veem um oásis à frente, mas quando chegam lá, há areia por toda parte. A essência é que neste caso vemos a luz passando pela areia. O ar acima da estrada é muito quente e mais frio nas camadas superiores. O ar quente, em expansão, torna-se mais rarefeito e a velocidade da luz nele é maior do que no ar frio. Portanto, a luz não viaja em linha reta, mas sim ao longo de uma trajetória de menor tempo, transformando-se em camadas quentes de ar.

Se a luz vem de mídia de alto índice de refração (opticamente mais denso) em um meio com índice de refração mais baixo (opticamente menos denso)( > ) , por exemplo, do vidro para o ar, então, de acordo com a lei da refração, o raio refratado se afasta do normal e o ângulo de refração β é maior que o ângulo de incidência α (Fig. 7.8 A).

À medida que o ângulo de incidência aumenta, o ângulo de refração aumenta (Fig. 7.8 b, V), até que em um determinado ângulo de incidência () o ângulo de refração seja igual a π/2.

O ângulo é chamado ângulo limite . Em ângulos de incidência α > toda a luz incidente é completamente refletida (Fig. 7.8 G).

· À medida que o ângulo de incidência se aproxima do limite, a intensidade do feixe refratado diminui e a intensidade do feixe refletido aumenta.

· Se , então a intensidade do feixe refratado torna-se zero, e a intensidade do feixe refletido é igual à intensidade do feixe incidente (Fig. 7.8 G).

· Por isso,em ângulos de incidência variando de a π/2,o feixe não é refratado,e se reflete plenamente na primeira quarta-feira,Além disso, as intensidades dos raios refletidos e incidentes são iguais. Este fenômeno é chamado reflexão completa.

O ângulo limite é determinado a partir da fórmula:

;

.

O fenômeno da reflexão total é utilizado em prismas de reflexão total (Fig. 7.9).

O índice de refração do vidro é n »1,5, portanto o ângulo limite para a interface vidro-ar = arco seno (1/1,5) = 42°.

Quando a luz incide na interface vidro-ar em α > 42° será sempre um reflexo total.

Na Fig. 7,9 são mostrados prismas de reflexão total, permitindo:

a) girar a viga 90°;

b) girar a imagem;

c) envolver os raios.

Prismas de reflexão total são usados ​​em instrumentos ópticos (por exemplo, em binóculos, periscópios), bem como em refratômetros que permitem determinar o índice de refração dos corpos (de acordo com a lei da refração, medindo , determinamos o índice de refração relativo de dois meios, bem como o índice de refração absoluto de um dos meios, se o índice de refração do segundo meio for conhecido).

O fenômeno da reflexão total também é usado em guias de luz , que são fios (fibras) finos e curvados aleatoriamente, feitos de material opticamente transparente.

As peças de fibra usam fibra de vidro, cujo núcleo guia de luz (núcleo) é cercado por vidro - uma concha de outro vidro com índice de refração mais baixo. Luz incidente na extremidade do guia de luz em ângulos maiores que o limite , sofre na interface core-shell reflexão total e se propaga apenas ao longo do núcleo do guia de luz.

Guias de luz são usados ​​para criar cabos telegráficos de alta capacidade . O cabo consiste em centenas e milhares de fibras ópticas tão finas quanto um cabelo humano. Esse cabo, da espessura de um lápis comum, pode transmitir simultaneamente até oitenta mil conversas telefônicas.

Além disso, os guias de luz são usados ​​em tubos de raios catódicos de fibra óptica, em máquinas de contagem eletrônica, para codificação de informações, em medicina (por exemplo, diagnóstico gástrico) e para fins de óptica integrada.

A luz é um componente importante da nossa vida. Sem ele, a vida em nosso planeta é impossível. Ao mesmo tempo, muitos fenômenos associados à luz são hoje ativamente utilizados em diversas áreas da atividade humana, desde a produção de dispositivos elétricos até naves espaciais. Um dos fenômenos fundamentais da física é o reflexo da luz.

Reflexo da luz

A lei da reflexão da luz é estudada na escola. Nosso artigo pode lhe dizer o que você deve saber sobre isso, além de muitas outras informações úteis.

Conhecimento básico sobre luz

Via de regra, os axiomas físicos estão entre os mais compreensíveis porque apresentam manifestações visuais que podem ser facilmente observadas em casa. A lei da reflexão da luz implica uma situação em que os raios de luz mudam de direção quando colidem com superfícies diferentes.

Observação! O limite de refração aumenta significativamente um parâmetro como o comprimento de onda.

Durante a refração dos raios, parte de sua energia retornará ao meio primário. Quando alguns dos raios penetram em outro meio, sua refração é observada.
Para compreender todos esses fenômenos físicos, você precisa conhecer a terminologia apropriada:

• o fluxo de energia luminosa na física é definido como incidente quando atinge a interface entre duas substâncias;
• parte da energia luminosa que em determinada situação retorna ao meio primário é chamada de refletida;

Observação! Existem várias formulações da regra de reflexão. Não importa como você o formule, ele ainda descreverá a posição relativa dos raios refletidos e incidentes.

• ângulo de incidência. Aqui nos referimos ao ângulo formado entre a linha perpendicular da fronteira do meio e a luz incidente sobre ele. É determinado no ponto de incidência do feixe;

Ângulos de feixe

• ângulo de reflexão. É formado entre o raio refletido e a linha perpendicular que foi reconstruída no ponto de sua incidência.

Além disso, você precisa saber que a luz pode se propagar exclusivamente de forma retilínea em um meio homogêneo.

Observação! Diferentes mídias podem refletir e absorver a luz de maneira diferente.

É daí que vem a refletância. Esta é uma quantidade que caracteriza a refletividade de objetos e substâncias. Significa quanta radiação trazida pelo fluxo luminoso para a superfície do meio equivalerá à energia que será refletida dele. Este coeficiente depende de uma série de fatores, entre os quais a composição da radiação e o ângulo de incidência são de maior importância.
A reflexão completa do fluxo luminoso é observada quando o feixe incide sobre substâncias e objetos com superfície reflexiva. Por exemplo, o reflexo de um feixe pode ser observado quando atinge vidro, mercúrio líquido ou prata.

Uma breve excursão histórica

As leis de refração e reflexão da luz foram formadas e sistematizadas já no século III. AC e. Eles foram desenvolvidos por Euclides.

Todas as leis (refração e reflexão) relacionadas a este fenômeno físico foram estabelecidas experimentalmente e podem ser facilmente confirmadas pelo princípio geométrico de Huygens. De acordo com este princípio, qualquer ponto do meio que uma perturbação possa atingir atua como fonte de ondas secundárias.
Vejamos as leis que existem hoje com mais detalhes.

As leis são a base de tudo

A lei da reflexão do fluxo luminoso é definida como um fenômeno físico durante o qual a luz direcionada de um meio para outro será parcialmente devolvida quando eles forem separados.

Reflexão da luz na interface

O analisador visual humano observa a luz no momento em que o feixe proveniente de sua fonte atinge o globo ocular. Numa situação em que o corpo não atua como fonte, o analisador visual pode perceber raios de outra fonte que são refletidos no corpo. Nesse caso, a radiação luminosa incidente na superfície de um objeto pode alterar a direção de sua propagação posterior. Como resultado disso, o corpo que reflete a luz atuará como sua fonte. Ao ser refletido, parte do fluxo retornará ao primeiro meio de onde foi originalmente direcionado. Aqui o corpo que irá refleti-lo se tornará a fonte do fluxo já refletido.
Existem várias leis para este fenômeno físico:

• a primeira lei afirma: o feixe refletor e incidente, juntamente com a linha perpendicular que aparece na interface entre os meios, bem como no ponto reconstruído de incidência do fluxo luminoso, devem estar localizados no mesmo plano;

Observação! Aqui está implícito que uma onda plana cai na superfície reflexiva de um objeto ou substância. Suas superfícies onduladas são listras.

Primeira e segunda leis

• segunda lei. Sua formulação é a seguinte: o ângulo de reflexão do fluxo luminoso será igual ao ângulo de incidência. Isso se deve ao fato de possuírem lados perpendiculares entre si. Levando em conta os princípios da igualdade dos triângulos, fica claro de onde vem essa igualdade. Usando esses princípios, pode-se facilmente provar que esses ângulos estão no mesmo plano da linha perpendicular traçada, que foi restaurada na fronteira de separação de duas substâncias no ponto de incidência do feixe de luz.

Essas duas leis da física óptica são básicas. Além disso, também são válidos para um feixe que possui caminho inverso. Como resultado da reversibilidade da energia do feixe, o fluxo que se propaga ao longo do caminho do anteriormente refletido será refletido de forma semelhante ao caminho do incidente.

A Lei da Reflexão na Prática

A implementação desta lei pode ser verificada na prática. Para fazer isso, você precisa direcionar um feixe fino para qualquer superfície reflexiva. Um apontador laser e um espelho normal são perfeitos para esses fins.

O efeito da lei na prática

Aponte o ponteiro laser para o espelho. Como resultado, o feixe de laser será refletido no espelho e espalhado ainda mais em uma determinada direção. Neste caso, os ângulos do feixe incidente e refletido serão iguais mesmo quando observados normalmente.

Observação! A luz de tais superfícies será refletida em um ângulo obtuso e se propagará ao longo de uma trajetória baixa, localizada bem próxima da superfície. Mas o feixe, que cairá quase verticalmente, será refletido em um ângulo agudo. Ao mesmo tempo, seu caminho posterior será quase idêntico ao da queda.

Como você pode ver, o ponto chave desta regra é o fato de que os ângulos devem ser medidos a partir da perpendicular à superfície no ponto de incidência do fluxo luminoso.

Observação! Esta lei está sujeita não apenas à luz, mas também a quaisquer tipos de ondas eletromagnéticas (microondas, rádio, ondas de raios X, etc.).

Características de reflexão difusa

Muitos objetos só podem refletir a radiação luminosa incidente em sua superfície. Objetos bem iluminados são claramente visíveis de diferentes ângulos, pois sua superfície reflete e espalha a luz em diferentes direções.

Reflexão difusa

Este fenômeno é chamado de reflexão dispersa (difusa). Este fenômeno ocorre quando a radiação atinge várias superfícies ásperas. Graças a ele conseguimos distinguir objetos que não têm capacidade de emitir luz. Se a dispersão da radiação luminosa for zero, não seremos capazes de ver esses objetos.

Observação! A reflexão difusa não causa desconforto à pessoa.

A ausência de desconforto é explicada pelo fato de nem toda a luz, conforme regra descrita acima, retornar ao ambiente primário. Além disso, este parâmetro será diferente para diferentes superfícies:

• a neve reflete aproximadamente 85% da radiação;
• para papel branco - 75%;
• para preto e veludo - 0,5%.

Se o reflexo vier de superfícies ásperas, a luz será direcionada aleatoriamente uma em relação à outra.

Recursos de espelhamento

A reflexão especular da radiação luminosa difere das situações descritas anteriormente. Isso se deve ao fato de que, como resultado do fluxo caindo sobre uma superfície lisa em um determinado ângulo, eles serão refletidos em uma direção.

Reflexo de espelho

Este fenômeno pode ser facilmente reproduzido usando um espelho normal. Quando o espelho é direcionado para os raios solares, ele atuará como uma excelente superfície reflexiva.

Observação! Vários corpos podem ser classificados como superfícies espelhadas. Por exemplo, este grupo inclui todos os objetos ópticos suaves. Mas um parâmetro como o tamanho das irregularidades e heterogeneidades nesses objetos será inferior a 1 mícron. O comprimento de onda da luz é de aproximadamente 1 mícron.

Todas essas superfícies refletivas especulares obedecem às leis descritas anteriormente.

Uso da lei na tecnologia

Hoje, a tecnologia costuma usar espelhos ou objetos espelhados que possuem uma superfície reflexiva curva. Estes são os chamados espelhos esféricos.
Tais objetos são corpos que possuem a forma de um segmento esférico. Tais superfícies são caracterizadas por uma violação do paralelismo dos raios.
Atualmente existem dois tipos de espelhos esféricos:

• côncavo. Eles são capazes de refletir a radiação luminosa da superfície interna de seu segmento esférico. Quando refletidos, os raios são coletados aqui em um ponto. Por isso, muitas vezes também são chamados de “coletores”;

Espelho côncavo

• convexo. Tais espelhos são caracterizados pela reflexão da radiação da superfície externa. Durante isso, ocorre dispersão para os lados. Por esta razão, tais objetos são chamados de “espalhamento”.

Espelho convexo

Neste caso, existem várias opções de comportamento dos raios:

• queimando quase paralelamente à superfície. Nesta situação, toca apenas ligeiramente a superfície e é refletido num ângulo muito obtuso. Depois segue uma trajetória bastante baixa;
• ao recuar, os raios são refletidos em um ângulo agudo. Neste caso, como dissemos acima, o feixe refletido seguirá um caminho muito próximo do incidente.

Como vemos, a lei é cumprida em todos os casos.

Conclusão

As leis de reflexão da radiação luminosa são muito importantes para nós porque são fenômenos físicos fundamentais. Eles encontraram ampla aplicação em vários campos da atividade humana. Os fundamentos da óptica são ensinados no ensino médio, o que mais uma vez comprova a importância desses conhecimentos básicos.

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Leis de reflexão e refração da luz. Reflexão interna total da luz

As leis da reflexão da luz foram descobertas experimentalmente no século III aC pelo antigo cientista grego Euclides. Além disso, estas leis podem ser obtidas como consequência do princípio de Huygens, segundo o qual cada ponto do meio ao qual uma perturbação atingiu é uma fonte de ondas secundárias. A superfície da onda (frente de onda) no momento seguinte é uma superfície tangente a todas as ondas secundárias. Princípio de Huygensé puramente geométrico.

Uma onda plana incide sobre a superfície reflexiva lisa de um CM (Fig. 1), ou seja, uma onda cujas superfícies de onda são listras.

Arroz. 1 Construção de Huygens.

A 1 A e B 1 B são os raios da onda incidente, AC é a superfície da onda desta onda (ou a frente da onda).

Tchau frente de onda do ponto C se moverá no tempo t para o ponto B, do ponto A uma onda secundária se espalhará pelo hemisfério até uma distância AD=CB, já que AD=vt e CB=vt, onde v é a velocidade da onda propagação.

A superfície da onda refletida é uma linha reta BD, tangente aos hemisférios. Além disso, a superfície da onda se moverá paralelamente a si mesma na direção dos raios refletidos AA 2 e BB 2.

Os triângulos retângulos ΔACB e ΔADB têm uma hipotenusa comum AB e pernas iguais AD = CB. Portanto eles são iguais.

Os ângulos CAB = α e DBA = γ são iguais porque são ângulos com lados perpendiculares entre si. E da igualdade dos triângulos segue-se que α = γ.

Da construção de Huygens segue-se também que os raios incidentes e refletidos estão no mesmo plano com a perpendicular à superfície restaurada no ponto de incidência do raio.

As leis da reflexão são válidas quando os raios de luz viajam na direção oposta. Devido à reversibilidade da trajetória dos raios de luz, temos que um raio que se propaga ao longo da trajetória do refletido é refletido ao longo da trajetória do incidente.

A maioria dos corpos apenas reflete a radiação incidente sobre eles, sem ser uma fonte de luz. Objetos iluminados são visíveis de todos os lados, pois a luz é refletida de sua superfície em diferentes direções, espalhando-se.

Este fenômeno é chamado reflexão difusa ou reflexão difusa. A reflexão difusa da luz (Fig. 2.) ocorre em todas as superfícies ásperas. Para determinar o caminho do raio refletido de tal superfície, um plano tangente à superfície é traçado no ponto de incidência do raio, e os ângulos de incidência e reflexão são construídos em relação a este plano.

Arroz. 2. Reflexão difusa da luz.

Por exemplo, 85% da luz branca é refletida na superfície da neve, 75% no papel branco e 0,5% no veludo preto. A reflexão difusa da luz não causa sensações desagradáveis ​​​​ao olho humano, ao contrário da reflexão especular.

Reflexão especular da luz– isto ocorre quando os raios de luz que incidem sobre uma superfície lisa em um determinado ângulo são refletidos predominantemente em uma direção (Fig. 3.). A superfície reflexiva neste caso é chamada espelho(ou superfície do espelho). As superfícies espelhadas podem ser consideradas opticamente lisas se o tamanho das irregularidades e heterogeneidades nelas não exceder o comprimento de onda da luz (menos de 1 mícron). Para tais superfícies, a lei da reflexão da luz é satisfeita.

Arroz. 3. Reflexão especular da luz.

Espelho planoé um espelho cuja superfície refletora é um plano. Um espelho plano permite ver objetos à sua frente, e esses objetos parecem estar localizados atrás do plano do espelho. Na óptica geométrica, cada ponto da fonte de luz S é considerado o centro de um feixe de raios divergentes (Fig. 4.). Tal feixe de raios é chamado homocêntrico. A imagem do ponto S em um dispositivo óptico é o centro S’ de um feixe de raios homocêntrico refletido e refratado em vários meios. Se a luz espalhada pelas superfícies de vários corpos incide sobre um espelho plano e, em seguida, refletida nele, atinge o olho do observador, então as imagens desses corpos são visíveis no espelho.

Arroz. 4. Imagem criada em espelho plano.

A imagem S’ é chamada de real se os raios refletidos (refratados) do feixe se cruzam no ponto S 1. A imagem S 1 é chamada de imaginária se não são os próprios raios refletidos (refratados) que se cruzam nela, mas suas continuações. A energia luminosa não chega a este ponto. Na Fig. A Figura 4 mostra uma imagem de um ponto luminoso S produzido em um espelho plano.

O feixe SO incide sobre o espelho CM em um ângulo de 0°, portanto, o ângulo de reflexão é 0°, e este raio, após a reflexão, segue o caminho OS. De todo o conjunto de raios que caem do ponto S para um espelho plano, selecionamos o raio SO 1.

O feixe SO 1 incide no espelho em um ângulo α e é refletido em um ângulo γ (α = γ). Se continuarmos os raios refletidos atrás do espelho, eles convergirão no ponto S 1, que é uma imagem virtual do ponto S em um espelho plano. Assim, parece a uma pessoa que os raios saem do ponto S 1, embora na verdade não haja raios saindo deste ponto e entrando no olho. A imagem do ponto S 1 está localizada simetricamente ao ponto mais luminoso S em relação ao espelho CM. Vamos provar isso.

O feixe SB incidente no espelho em um ângulo de 2 (Fig. 5.), de acordo com a lei da reflexão da luz, é refletido em um ângulo de 1 = 2.

Arroz. 5. Reflexão em um espelho plano.

Da Fig. 1.8 você pode ver que os ângulos 1 e 5 são iguais - como os verticais. As somas dos ângulos são 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Portanto, ângulos 3 = 4 e 2 = 5.

Os triângulos retângulos ΔSOB e ΔS 1 OB têm uma perna comum OB e ângulos agudos iguais 3 e 4, portanto, esses triângulos são iguais em lados e dois ângulos adjacentes à perna. Isso significa que SO = OS 1, ou seja, o ponto S 1 está localizado simetricamente ao ponto S em relação ao espelho.

Para encontrar a imagem de um objeto AB em um espelho plano, basta baixar perpendiculares dos pontos extremos do objeto até o espelho e, continuando-as além do espelho, reservar uma distância atrás dele igual à distância de o espelho até o ponto extremo do objeto (Fig. 6.). Esta imagem será virtual e em tamanho real. As dimensões e a posição relativa dos objetos são preservadas, mas ao mesmo tempo, no espelho, os lados esquerdo e direito da imagem trocam de lugar em relação ao próprio objeto. O paralelismo dos raios de luz incidentes em um espelho plano após a reflexão também não é violado.

Arroz. 6. Imagem de um objeto em um espelho plano.

Na tecnologia, são frequentemente utilizados espelhos com uma superfície refletora curva complexa, por exemplo, espelhos esféricos. Espelho esférico- esta é a superfície do corpo, que tem a forma de um segmento esférico e reflete a luz especularmente. O paralelismo dos raios quando refletidos em tais superfícies é violado. O espelho é chamado côncavo, se os raios forem refletidos na superfície interna do segmento esférico.

Raios de luz paralelos, após reflexão em tal superfície, são coletados em um ponto, razão pela qual um espelho côncavo é chamado coletando. Se os raios forem refletidos na superfície externa do espelho, então ele irá convexo. Raios de luz paralelos são espalhados em diferentes direções, então espelho convexo chamado dispersivo.

Refração Na interface entre dois meios, o fluxo luminoso incidente é dividido em duas partes: uma parte é refletida e a outra é refratada.
V. Snell (Snellius) antes de H. Huygens e I. Newton em 1621 descobriram experimentalmente a lei da refração da luz, mas não receberam uma fórmula, mas a expressaram na forma de tabelas, porque Nessa época, as funções sin e cos ainda não eram conhecidas na matemática.
A refração da luz obedece à lei: 1. O feixe incidente e o feixe refratado situam-se no mesmo plano da perpendicular estabelecida no ponto de incidência do feixe até a interface entre os dois meios. 2. A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração para dois meios determinados é um valor constante (para luz monocromática).
A razão da refração é a diferença na velocidade de propagação das ondas em diferentes meios.
O valor igual à razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um determinado meio é chamado de índice de refração absoluto do meio. Este valor tabular é uma característica de um determinado ambiente.
O valor igual à razão entre a velocidade da luz em um meio e a velocidade da luz em outro é chamado de índice de refração relativo do segundo meio em relação ao primeiro.
Prova da lei da refração. Propagação de raios incidentes e refratados: MM" - interface entre dois meios. Raios A 1 A e B 1 B - raios incidentes; α - ângulo de incidência; AC - superfície da onda no momento em que o raio A 1 A atinge a interface entre o meio. Usando Usando o princípio de Huygens, construiremos a superfície da onda no momento em que o raio B 1 B atinge a interface entre os meios. Construiremos os raios refratados AA 2 e BB 2. β é o ângulo de refração AB. - o lado comum dos triângulos ABC e ABD são perpendiculares, então ângulo ABD= α e ângulo BAC=β Então obtemos:
Em um prisma ou placa plana paralela, a refração ocorre em cada face de acordo com a lei da refração da luz. Não se esqueça que sempre há uma reflexão. Além disso, o caminho real dos raios depende tanto do índice de refração quanto do ângulo de refração - o ângulo no vértice do prisma.)

Reflexão total Se a luz cair de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso, então, em um determinado ângulo de incidência para cada meio, o feixe refratado desaparece. Apenas a refração é observada. Este fenômeno é denominado reflexão interna total.
O ângulo de incidência, que corresponde a um ângulo de refração de 90°, é denominado ângulo limite de reflexão interna total (a 0). Da lei da refração segue-se que quando a luz passa de qualquer meio para o vácuo (ou ar)
Se tentarmos olhar debaixo d'água o que está no ar, então, em um determinado ângulo em que olhamos, poderemos ver o fundo refletido na superfície da água. É importante levar isso em consideração para não perder a orientação.
Na joalheria, o corte das pedras é selecionado de forma que seja observado reflexo total em cada face. Isso explica o “jogo das pedras”.
O fenômeno da miragem também é explicado pela reflexão interna total.