Как отражается свет при направленном отражении



Отражение света

В предыдущем параграфе мы изучили распространение света в одной и той же оптической среде. Теперь перейдём к изучению явлений, связанных с распространением света на границе раздела двух сред.

Проделаем опыт. На зеркало, лежащее на столе, поставим полуоткрытую книгу и слева направим пучок света (см. рисунок). В темноте мы увидим падающий и отражённый пучки света. Накроем зеркало листом бумаги. Теперь мы будем видеть падающий пучок, а отражённого пучка не будет. Получается, что свет не отражается от бумаги?

Приглядимся к рисункам внимательнее. Заметьте, когда свет падает на открытое зеркало, книга освещена очень слабо. Но когда свет падает на лист бумаги, книга освещается гораздо ярче, особенно в нижней части. Следовательно, книгу освещают лучи, отражённые бумагой.

Как следует из этого опыта, при отражении света возможны два варианта. 1. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею также в виде пучка (см. левый чертёж). Такое явление называют зеркальным отражением. 2. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею во множестве направлений. Такое явление называют рассеянным отражением или просто рассеянием света (см. правый чертёж).

Зеркальное отражение возникает на очень гладких поверхностях, их называют зеркальными (например, ровное стекло, поверхность воды на озере в безветренную погоду). Если же поверхности шероховатые, их называют матовыми, и они обязательно будут рассеивать свет. Это мы и наблюдали, накрывая зеркало бумагой. Она отражала свет, рассеивая его по всевозможным направлениям, в том числе и на книгу, освещая её.

Закон отражения света. Чтобы сформулировать закон, которому подчиняется отражение света, введём несколько определений.

Угол падения – угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча ( a ). Угол отражения – угол между отражённым лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча ( b ).

При отражении света всегда выполняются две закономерности, вместе составляющие закон отражения света: а) луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр к отражающей поверхности в точке излома луча лежат в одной плоскости; б) угол падения равен углу отражения.

Каждое из утверждений закона отражения света подтверждается многочисленными опытами, одним из которых служит опыт с зеркалом, описанный в начале параграфа. С помощью транспортира вы легко убедитесь, что угол падения равен углу отражения. А, подняв бумагу с зеркала, легко увидеть, что падающий и отражённый лучи вместе с перпендикуляром к зеркалу в точке излома луча лежат в одной плоскости – листа бумаги, если его расположить перпендикулярно зеркалу.

Закон отражения является справедливым как для зеркального, так и для рассеянного отражения света. Обратимся ещё раз к чертежам на предыдущей странице. Несмотря на кажущуюся беспорядочность в отражении лучей на правом чертеже, они расположены так, что углы отражения равны углам падения.

Закон отражения света выполняется не только в воздухе, но и в вакууме, а также внутри жидкостей и твёрдых тел, которые прозрачны для оптических излучений. Например, надев маску для ныряния и сев на дно мелководного озера или реки, в солнечный день мы увидим отражение дна или проплывающих мимо рыб от поверхности воды под водой.

Источник

Отражение света.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

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 .

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 ).

Источник

Что представляет собой закон отражения света: полная формулировка

Трансформацию освещения мы наблюдаем повсеместно: в витринах магазинов, солнечные блики от воды и конечно в зеркале. Но мы совсем не задумываемся о механизмах и принципах этого явления. Но эти основы активно применяются в различных сферах нашей жизни. Давайте чуть глубже узнаем: что собой представляет свет, как он преломляется и как это применяется в жизни.

Основы знаний о свете

Основы физических знаний являются наиболее доступными для понимания, так как их принципы мы воочию наблюдаем каждый день вокруг себя. То же касается и закона отражения света. Этот закон описывает момент, когда световые волны, попадая на поверхность, изменяют свое направление и возвращаются обратно только под другим углом.

Это касается не только зеркальных поверхностей. Любой объект мы видим, потому что он отражает естественное солнечное или искусственное освещение.

При изменении своего направления лучи проходят в одной среде и сталкиваются с другой, часть их возвращается обратно в первичную среду. Если часть спектра проникает в другое вещество мы наблюдаем явление – преломления.

Чтобы не запутаться в теории, давайте разберемся с терминологией:

1. Падающий луч – это поток световых волн, попадающий на границу разделения двух оптических сред.
2. Излучение, которое вернулось в начальное вещество – называется отраженным.
3. Если мы построим воображаемый перпендикуляр к отражающей поверхности (нормаль) в точке падения освещения, то угол падения будет высчитываться, как угол между перпендикуляром и падающим световым потоком.
4. Угол возвращения света, соответственно, это угол между нормалью и отраженным освещением.

Рекомендуем посмотреть видео на тему “Закон отражения света”.

На основе этих определений можно вывести коэффициент отражения. Этот коэффициент показывает, какая часть светового потока вернется обратно в первоначальную среду. На показатель возвращения в первую очередь влияет характер лучей и угол падения на поверхность.

Небольшой исторический экскурс

Фундамент теоретических знаний о законах распространения света был заложен древнегреческим математиком Евклидом и Аристотелем. Они первые попытались описать процессы трансформации солнечной активности с точки зрения физики еще в 3 веке до н.э.

Далее теоретические материалы изучались и подтверждались опытным путем Ньютоном, Гюйгенсом. Именно он первый объяснил геометрические закономерности оптических явлений с точки зрения волновой природы излучения. Его доказательства основываются на геометрических аксиомах о равнобедренных треугольниках.

Эти принципы мы разберем немного подробней.

Закон отражения света

Закон отражения света описывает закономерности при явлении, когда луч, проходящий в одном веществе, на поверхности соприкосновения с другим веществом возвращается обратно.

Если среда прозрачная, то спектр проходит через нее и возвращения мы не увидим.

Наше зрение воспринимает свет от его излучателя, либо от предметов, отражающих световые волны. При этом если предмет отражает часть энергии обратно, то он сам становится объектом излучения, для наших глаз.

Чтобы описать закономерности геометрической оптики существуют, два закона:

• Первый закон: излучение падающее, излучение, отраженное и нормальное (условный перпендикуляр к поверхности) располагаются в одной плоскости относительно друг друга. Это значит, что световой пучок является плоской.
• Второй закон: угол отражения падающего луча равен углу падения относительно нормали.

То есть сначала световой пучок попадает на зеркальную поверхность, и в точке падения становится источником вторичного излучения. Это произойдет спустя миллисекунды. Исходя из принципа Гюйгенса, если рассматривать падение и возвращение потока с точки зрения равнобедренных треугольников (∠АВС = ∠DAC).

Второй закон можно представить в виде равенства:

То есть вся энергия будет направлена на отражение света, при этом преломленного освещения не будет совсем. Этот феномен называется – явление полного отражения света.

Зеркальное и диффузионное отражение

Существует два типа возвращения лучей в вещество откуда они упали: зеркальное и диффузное. Это зависит от структуры поверхности.

• Диффузное отражение происходит от негладких оснований (дерево, бумага, асфальт). Такие материалы имеют много микро-изгибов, впадин, ломанных углублений, которые имеют разные углы. Поэтому параллельные волны энергии, попадая на такой объект, отражаются под разными углами.
  То есть для каждой волны второй закон выполняется, а в общем рассеивание потока происходит в разные стороны.

• Зеркальное отражение мы наблюдаем от глянцевых ровных оснований (зеркало, ртуть, затемненное стекло, шлифованный металл, камень). Это явление, когда каждая волна возвращается обратно под одинаковым углом для всех лучей.
  Излучение падает на объект параллельными линиями и отражается, тоже параллельными потоками.

Рекомендуем посмотреть видео на тему “Зеркальное и диффузное отражение”.

Явление обратного отражения

Если поверхность абсолютно плоская и зеркальная, то можно наблюдать процесс обратного отражения. Это явление, когда волны полностью возвращаются после попадания на зеркальное основание к источнику их излучения по параллельной прямой.

То есть, если взять зеркало и направить на него освещение прямо перпендикулярно, оно вернется точно обратно.

Наглядно этот феномен можно наблюдать, если разместить два зеркала перпендикулярно друг к другу. Под каким бы наклоном не направить освещение, спектр будет возвращаться обратно параллельно первоначальному излучению.

Использование закона на практике

На практике мы можем наблюдать эти физические закономерности повсюду. Чтобы было наглядней, возьмите лазерный фонарик с тонким пучком света. Выключите свет и направьте его на зеркало под разными углами.

Если вы будете менять направление освещения, будет меняться и плоскость его возвращения. Такой эффект применяется в оптическом оснащении современной экспериментальной техники. Вогнутые зеркальные плоскости применяются для фокусировки лучей в одной точке. Выпуклые же наоборот рассеивают попадающий на них спектр. При этом увеличивается угол обзора.

Принцип полного внутреннего возврата спектра энергии, применяется в изготовлении оптико-волоконного производства кабелей для скоростной передачи цифровых данных.

В заключение

Явления, которые мы наблюдаем ежедневно, имеют свои принципы и описания. Мы не всегда задумываемся о том, почему видим свое отражение в водоеме, или искаженный портрет в комнате смеха. Однако, эти закономерности активно применяются в производстве оптики. Где еще мы можем наблюдать действие закона отражения света в повседневной жизни, делитесь в комментариях и социальных сетях.

Источник