Меню

Световые законы отражение света



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.

Читайте также:  Дизайн для журнала вокруг 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

3.2. Законы отражения и преломления света

Корпускулярная теория очень просто объясняла явления геометрической оптики, описываемые в терминах распространения световых лучей. С точки зрения волновой теории, лучи — это нормали к фронту волны. Принцип Гюйгенса также позволяет объяснить законы геометрической оптики на основе волновых представлений о природе света.

Закон отражения

Когда световые волны достигают границы раздела двух сред, направление их распространения изменяется. Если они остаются в той же среде, то происходит отражение света.

Отражение света — это изменение направления световой волны при падении на границу раздела двух сред, в результате чего волна продолжает распространяться в первой среде.

Закон отражения света хорошо известен:

Падающий луч, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения и отраженный луч лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу отражения.

Направления распространения падающей и отраженной волн показаны на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Отражение света от плоской поверхности

Закон отражения может быть выведен из принципа Гюйгенса. Действительно, допустим, что плоская волна, распространяющаяся в изотропной среде, падает на границу раздела двух сред АС (рис. 3.3).

Читайте также:  Талисманы фен шуй стороны света

Рис. 3.3. Применение принципа Гюйгенса к выводу закона отражения

Достаточно рассмотреть два параллельных луча I и в падающем пучке. Углом падения называют угол между нормалью п к поверхности раздела и падающим лучом I. Плоский фронт AD падающей волны сначала достигнет границы раздела двух сред в точке А, которая станет источником вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса, из нее, как из центра, будет распространяться сферическая волна. Через время

,

то есть с запаздыванием во времени на , луч из падающего пучка придет в точку С, которая в этот момент времени также станет источником вторичной волны. Но, к этому моменту вторичная сферическая волна, распространяющаяся из точки А, уже будет иметь радиус (как и должно быть: ). Мы знаем теперь положение двух точек фронта отраженной волны — С и В. Чтобы не загромождать рисунок, мы не показываем вторичных волн, испущенных точками между А и С, но линия CD будет касательной (огибающей) ко всем из них. Стало быть, действительно является фронтом отраженной волны. Направление ее распространения (лучи II и ) ортогонально фронту CD. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает равенство углов

что, в свою очередь, приводит к закону отражения

На рис. 3.4 представлена интерактивная модель отражения света.

Рис. 3.4. Изучение закона отражения света

Закон преломления

Если световые волны достигают границы раздела двух сред и проникают в другую среду, то направление их распространения также изменяется — происходит преломление света.

Преломление света — это изменение направления распространения световой волны при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Направление распространения падающей и преломленной волны показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Преломление света на плоской границе раздела двух прозрачных сред

Закон преломления гласит:

Падающий луч, перпендикуляр к границе раздела сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данной пары сред и равно показателю преломления второй среды относительно первой

Здесь показатель преломления среды, в которой распространяется преломленная волна, показатель преломления среды, в которой распространяется падающая волна.

Закон отражения также вытекает из принципа Гюйгенса. Рассмотрим (рис. 3.6) плоскую волну (фронт АВ), которая распространяется в среде с показателем преломления , вдоль направления I со скоростью

Эта волна падает на границу раздела со средой, в которой показатель преломления равен , а скорость распространения

Рис. 3.6. К выводу закона преломления света с помощью принципа Гюйгенса

Время, затрачиваемое падающей волной для прохождения пути ВС, равно

За это же время фронт вторичной волны, возбуждаемой в точке А во второй среде, достигнет точек полусферы с радиусом

В соответствии с принципом Гюйгенса положение фронта преломленной волны в этот момент времени задается плоскостью DC, а направление ее распространения — лучом III, перпендикулярным к DC. Из треугольников и следует

Таким образом, закон преломления света записывается так:

На рис. 3.7 представлена интерактивная модель преломления света на границе раздела двух сред.

Рис. 3.7. Изучение закона преломления

Для еще одной иллюстрации применения принципа Гюйгенса рассмотрим пример.

Пример. На плоскую границу раздела двух сред падает нормально луч света. Показатель преломления среды непрерывно увеличивается от ее левого края к правому (рис. 3.8). Определим, как будет идти луч света в этой неоднородной среде.

Рис. 3.8. Искривление луча света в неоднородной среде

Пусть фронт волны АА подошел к границе раздела сред. Точки раздела сред можно рассматривать как центры вторичных волн. Через время испущенные вторичные сферические волны достигают точек на расстоянии от фронта АА. Поскольку показатель преломления среды растет слева направо, эти расстояния убывают слева направо. Огибающая к вторичным волнам — новый фронт ВВ — повернется. Если теперь взять точки фронта ВВ за источники вторичных волн, то за время они породят волны, образующие фронт СС. Он еще более повернут. Его точки порождают фронт DD и т. д. Проводя нормаль к волновым фронтам в разные моменты времени, получаем путь светового луча в среде с переменным показателем преломления (зеленая линия). Видно, что луч искривляется в сторону увеличения показателя преломления. Аналогия: если притормозить левые колеса автомобиля, его повернет налево. Для света степень «торможения» растет с ростом показателя преломления среды: .

Эта задача имеет отношение к явлению, наблюдающемуся на море. Когда ветер дует с берега, иногда возникает так называемая «зона молчания»: звук колокола с судна не достигает берега. Обычно говорят, что звук относится ветром. Но даже при сильном урагане скорость ветра примерно в 10 раз меньше скорости звука, так что «отнести» звук ветер никак не может. Объяснение заключается в том, что скорость встречного ветра у поверхности моря вследствие трения меньше, чем на высоте. Поэтому скорость звука у поверхности больше, и линия распространения звука загибается кверху, не попадая на берег.

Читайте также:  Свет побеждает тьму настоящий детектив

http://www.nvtc.ee/e-oppe/Sidorova/objects/index.html – Законы преломления, отражения света. Зеркала. Теория и примеры задач. В «Итоговых заданиях» — кроссворд.

http://publ.lib.ru/ARCHIVES/B/. – Тарасов Л.В., Тарасова А.Н., «Беседы о преломлении света».

Принцип Ферма.

Итак, волновая оптика способна объяснить явления отражения и преломления света столь же успешно, как и геометрическая оптика. В основу последней, трактующей явления на основе законов распространения лучей, положен принцип Ферма:

Свет распространяется по такому пути, для прохождения которого требуется минимальное время.

Для прохождения участка пути свету требуется время

где v=с/п — скорость света в среде. Таким образом, время t, затрачиваемое светом на путь от точки 1 до точки 2, равно

Введем величину с размерностью длины, которая называется оптической длиной пути:

Пропорциональность t и L позволяет сформулировать принцип Ферма следующим образом:

Свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна.

Рассмотрим путь света из точки S в точку С после отражения от плоскости АВ (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Применение принципа Ферма к отражению света

Непосредственное попадание света из S в С невозможно из-за экрана. Нам надо найти точку О, отразившись в которой луч попадет в точку С. Среда, в которой проходит луч, однородна. Поэтому минимальность оптической длины пути сводится к минимальности его геометрической длины. Рассмотрим зеркальное изображение S’ точки S. Геометрические длины путей SOC и S’OC равны. Поэтому минимальность длины SOC эквивалентна минимальности длины S’OC. А минимальная геометрическая длина пути из S’ в С будет соответствовать прямой, соединяющей точки S’ и С. Пересечение этой прямой с плоскостью раздела сред дает положение точки О. Отсюда следует равенство углов:

то есть закон отражения света.

Рассмотрим теперь явление преломления света (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Применение принципа Ферма к преломлению света

Определим положение точки О, в которой должен преломиться луч, распространяясь от S к С, чтобы оптическая длина пути L была минимальна. Выражение для L имеет вид

Найдем величину х, соответствующую экстремуму оптической длины пути:

Источник

Adblock
detector