Закон отражения света – формула в оптике
4.8
Средняя оценка: 4.8
Всего получено оценок: 437.
4.8
Средняя оценка: 4.8
Всего получено оценок: 437.
С явлением отражения света мы сталкиваемся каждый день. В блестящих металлических поверхностях (зеркалах), воде и стеклах витрин отражаются люди, дома и предметы. Разберемся под какими углами происходит отражение световых волн, каким правилам подчиняется это явление.
Примеры отражения света
Самым массовым оптическим предметом, который используют люди, является обычное, плоское зеркало. Им пользуются в домашних условиях, в автомобильной оптике (зеркала, фары), в парикмахерских и на других производствах. Зеркала с криволинейными поверхностями применяются в телескопах, лазерах и других оптических прибора.
Рис. 1. Примеры отражения света в зеркалах, воде, витринах:.Различают два вида отражений: зеркальное и диффузное. Если поверхность, на которую падает свет, гладкая — не имеет дефектов и шероховатостей, то отражение будет зеркальным.
Первые упоминания об изготовлении зеркал относятся к 1240 году, когда в Европе появились первые стеклодувы. В 1279 году итальянец Джон Пекам научился покрывать стеклянные предметы тонким слоем расплавленного металла, который после остывания образовывал зеркальную поверхность.
Далее мы будем говорить только о закономерностях зеркального отражения.
Принцип Гюйгенса
Для объяснения механизма распространения световых волн, нидерландский ученый Христиан Гюйгенс в 1678 г. сформулировал принцип (постулат, т.е. утверждение принимаемое за истинное без доказательств), названный его именем. Принцип состоит из двух основных положений:
- Каждая точка среды, до которой дошла световая волна, сама становится источником вторичных волн;
- Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени.
Фронт волны – это огибающая фронта вторичных волн.
На представленном рисунке изображен фронт световой волны, распространяющийся со скоростью v в два момента времени — t и t+ Δt. Точки волны в момент времени
Законы отражения
Из принципа Гюйгенса может быть получены закон отражения света, который подтверждается результатами многочисленных наблюдений. Условно закон состоит из двух взаимно дополняющих утверждений :
- 1 закон отражения света:
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
- 2 закон отражения света:
Угол отражения β равен углу падения α.
Основная формула закона отражения света выглядит так:
$$ ∠α = ∠β $$
Часть света может преодолеть границу раздела сред (преломиться) и пройти внутрь второй среды. Угол преломления и количество прошедшего света определяется с помощью других законов и формул.Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что благодаря отражению света от поверхностей тел, мы, собственно, и видим различные предметы. При зеркальном отражении угол падения света равен углу отражения. Закон отражения выполняется не только для полностью отражающих поверхностей, но и для поверхностей, которые частично отражают, а частично пропускают (преломляют) свет. Например, когда свет падает из воздуха на поверхность воды.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Александр Коновалов
5/5
Оценка доклада
4.8
Средняя оценка: 4.8
Всего получено оценок: 437.
А какая ваша оценка?
кто открыл, формула и математическая запись
На чтение 10 мин Просмотров 1. 8к. Опубликовано
Обновлено
Содержание
- Что такое отражение света и его разновидности, механизм
- Зеркальное отражение
- Полное внутреннее отражение
- Диффузное отражение света
- Обратное отражение
- История открытия законов отражения
- Формулы Френеля
- Принцип Гюйгенса
- Сдвиг Федорова
- Использование закона на практике
Закон отражения света был открыт путем наблюдений и опытов. Конечно, его можно вывести и теоретически, но все принципы, которые используются сейчас, были определены и обоснованы практическим путем. Знание основных особенностей этого явления помогает при планировании освещения и выборе оборудования. Этот принцип работает и в других сферах – радиоволны, рентгеновское излучение и т.д. ведут себя точно так же при отражении.
Что такое отражение света и его разновидности, механизм
Закон формулируется так: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, имеющей перпендикуляр относительно отражающей поверхности, который выходит из точки падения. Угол падения равен углу отражения.
По сути, отражение это физический процесс, при котором луч, частицы или излучение взаимодействуют с плоскостью. Направление волн изменяется на границе двух сред, так как они имеют разные свойства. Отраженный свет всегда возвращается в ту среду, из которой пришел. Чаще всего при отражении наблюдается и явление преломления волн.
Так выглядит схематическое объяснение закона отражения света.Зеркальное отражение
В этом случае наблюдается четкая взаимосвязь между отраженными и падающими лучами, это является главной особенностью данной разновидности. Есть несколько основных моментов, характерных для зеркального отражения:
- Отраженный луч всегда находится в плоскости, которая проходит через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, которая восстановлена в точке падения.
- Угол падения равняется углу отражения луча света.
- Характеристики отраженного луча пропорциональны поляризации лучевого пучка и углу его падения. Также на показатель влияют характеристики двух сред.
Полное внутреннее отражение
Характерно для звуковых и электромагнитных волн. Возникает в месте, где встречаются две среды. При этом волны должны падать из среды, в которой скорость распространения ниже. Применительно к свету можно сказать, что показатели преломления в этом случае сильно возрастают.
Полное внутреннее отражение характерно для поверхности воды.Угол падения луча света влияет на угол преломления. С увеличением его значения интенсивность отраженных лучей увеличивается, а преломленных снижается. При достижении определенного критического значения показатели преломления уменьшаются до нулевой отметки, что приводит к полному отражению лучей.
Диффузное отражение света
Этот вариант характеризуется тем, что при попадании на неровную поверхность лучи отражаются в разных направлениях. Отраженный свет просто рассеивается и именно из-за этого нельзя увидеть свое отражение на неровной или матовой плоскости. Явление диффузии лучей наблюдается, когда неровности равны длине волны или превышают ее.
При этом одна и так же плоскость может быть диффузно отражающей для света или ультрафиолета, но при этом хорошо отражать инфракрасный спектр. Все зависит от особенностей волн и свойств поверхности.
Диффузное отражение хаотичное из-за неровностей на поверхности.Обратное отражение
Это явления наблюдается, когда лучи, волны или другие частицы отражаются обратно, то есть в сторону источника. Такое свойство может быть использовано в астрономии, естествознании, медицине, фотографии и других сферах. За счет системы выпуклых линз в телескопах есть возможность увидеть свет звезд, которые не видны невооруженным глазом.
Важно создать определенные условия, чтобы свет возвращался к источнику, это достигается чаще всего за счет оптики и пучкового направления лучей. Например, этот принцип применяется в УЗИ-исследованиях, благодаря отраженным ультразвуковым волнам на монитор выводится изображение исследуемого органа.
История открытия законов отражения
Это явление было известно давно. Впервые об отражении света упоминалось в труде «Катоптрика», который датируется 200 г. до н.э. и написан древнегреческим ученым Евклидом. Первые эксперименты были простыми, поэтому никакой теоретической базы в тот период не появилось, но данное явление открыл именно он. При этом использовался принцип Ферма для зеркальных поверхностей.
Читайте также
С какой скоростью свет распространяется в вакууме
Формулы Френеля
Огюст Френель был французским физиком, который вывел ряд формул, они широко используются по сей день. Их применяют при вычислении интенсивности и амплитуды отраженных и преломленных электромагнитных волн. При этом они должны проходить через четкую границу между двумя средами с различающимися значениями преломления.
Все явления, которые подходят под формулы французского физика называют френелевским отражением. Но нужно помнить о том, что все выведенные закономерности справедливы только тогда, когда среды изотропны, а граница между ними четкая. В этом случае угол падения всегда равняется углу отражения, а значение преломления определяется по закону Снеллиуса.
Важно, что при падении света на плоскую поверхность может быть два вида поляризации:
- p-поляризация характеризуется тем, что вектор напряженности электромагнитного поля лежит в плоскости падения.
- s-поляризация отличается от первого типа тем, что вектор напряженности электромагнитных волн располагается перпендикулярно по отношению к плоскости, в которой лежит и падающий, и отражённый луч.
Формулы для ситуаций с разной поляризацией различаются. Это связано с тем, что поляризация влияет на характеристики луча и он отражается по-разному. При падении света под определенным углом отраженный луч может быть полностью поляризованным. Этот угол называют углом Брюстера, он зависит от характеристик преломления сред на границе раздела.
Принцип Гюйгенса
Гюйгенс – голландский физик, которому удалось вывести принципы, позволяющие описать волны любой природы. Именно с его помощью чаще всего доказывают как закон отражения, так и закон преломления света.
Так выглядит простейшее схематическое изображение принципа Гюйгенса.В этом случае свет подразумевается как волна плоской формы, то есть все волновые поверхности плоские. При этом волновая поверхность – совокупность точек с колебанием в одной и той же фазе.
Формулировка звучит так: любая точка, к которой пришло возмущение впоследствии становится источником сферических волн.
Сдвиг Федорова
Его также называют эффектом Федорова-Эмбера. В этом случае наблюдается смещение луча света при полном внутреннем отражении. При этом сдвиг незначительный, он всегда меньше, чем длина волны. Из-за этого смещения отраженный луч не лежит в одной плоскости с падающим, что идет вразрез с законом отражения света.
Боковое смещение лучей было теоретически доказано советским ученым в 1955 году благодаря математическим вычислениям. Что касается экспериментального подтверждения этого эффекта, то немного позже это сделал французский физик Эмбер.
Использование закона на практике
Примеры отражения света встречаются повсеместно.Рассматриваемый закон встречается намного чаще, чем кажется. Этот принцип широко используется в самых разных сферах:
- Зеркало – самый простой пример. Это гладкая поверхность, хорошо отражающая свет и другие типы излучений. Используются как плоские варианты, так и элементы других форм, например, сферические поверхности позволяют отдалять предметы, что делает их незаменимыми в качестве зеркал заднего вида в машине.
- Различное оптическое оборудование также работает благодаря рассмотренным принципам. Сюда относится все – от очков, которые встречаются везде, до мощных телескопов с выпуклыми линзами или микроскопов, применяемых в медицине и биологии.
- Аппараты УЗИ также используют рассматриваемый принцип. Ультразвуковое оборудование позволяет проводить точные исследования. Рентгеновские излучение распространяется по тем же принципам.
- СВЧ-печи – еще один пример применения рассматриваемого закона на практике. Также сюда можно отнести все оборудование, работающее за счет инфракрасного излучения (например, приборы ночного видения).
- Вогнутые зеркала позволяют фонарикам и светильникам повысить характеристики. При этом мощность лампочки может быть намного меньше, чем без использования зеркального элемента.
Закон отражения света объясняет многие природные явления, а знание его особенностей позволило создать оборудование, которое широко используется в наше время.
1.2 Закон отражения — Университетская физика, том 3
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объяснение отражения света от полированных и шероховатых поверхностей
- Описать принцип и применение уголковых отражателей
Всякий раз, когда мы смотрим в зеркало или щуримся на солнечный свет, отражающийся от озера, мы видим отражение. Когда вы смотрите на лист белой бумаги, вы видите рассеянный от него свет. Большие телескопы используют отражение для формирования изображения звезд и других астрономических объектов.
Закон отражения гласит, что угол отражения равен углу падения, или
θr=θiθr=θi
1,3
Закон отражения проиллюстрирован на рис. 1.5, где также показано, как измеряются угол падения и угол отражения относительно перпендикуляра к поверхности в точке, куда падает световой луч.
Рисунок 1,5 Закон отражения гласит, что угол отражения равен углу падения — θr=θi.θr=θi. Углы измеряются относительно перпендикуляра к поверхности в точке падения луча на поверхность.
Мы ожидаем увидеть отражения от гладких поверхностей, но на рис. 1.6 показано, как шероховатая поверхность отражает свет. Поскольку свет падает на разные части поверхности под разными углами, он отражается в разных направлениях или рассеивается. Рассеянный свет — это то, что позволяет нам видеть лист бумаги под любым углом, как показано на рис. 1.7(а). Люди, одежда, листья и стены имеют шероховатую поверхность и видны со всех сторон. Зеркало, с другой стороны, имеет гладкую поверхность (по сравнению с длиной волны света) и отражает свет под определенными углами, как показано на рис. 1.7(b). Когда Луна отражается от озера, как показано на рис. 1.7(с), имеет место сочетание этих эффектов.
Рисунок 1,6 Свет рассеивается, когда отражается от шероховатой поверхности. Здесь падает много параллельных лучей, но они отражаются под разными углами, потому что поверхность шероховатая.
Рисунок 1,7 а) Когда лист бумаги освещается многими параллельными падающими лучами, его можно увидеть под разными углами, потому что его поверхность шероховатая и рассеивает свет. б) Зеркало, освещенное множеством параллельных лучей, отражает их только в одном направлении, потому что его поверхность очень гладкая. Только наблюдатель под определенным углом видит отраженный свет. (c) Лунный свет распространяется, когда он отражается от озера, потому что поверхность блестящая, но неровная. (кредит c: модификация работы Диего Торреса Сильвестра)
Когда вы видите себя в зеркале, кажется, что изображение на самом деле находится за зеркалом (рис. 1.8). Мы видим свет, исходящий из направления, определяемого законом отражения. Углы таковы, что изображение находится точно на том же расстоянии за зеркалом, на каком вы стоите перед зеркалом. Если зеркало висит на стене комнаты, все изображения в нем находятся за зеркалом, из-за чего комната может казаться больше. Хотя эти зеркальные отражения заставляют предметы казаться там, где их быть не может (например, за сплошной стеной), изображения не являются плодом вашего воображения. Зеркальные изображения можно фотографировать и снимать на видео с помощью инструментов, и они выглядят так же, как и наши глаза (которые сами по себе являются оптическими инструментами). Точный способ, которым изображения формируются зеркалами и линзами, обсуждается в следующей главе о геометрической оптике и формировании изображений.
Рисунок
1,8
а) Ваше отражение в зеркале находится за зеркалом. Два показанных луча падают на зеркало под правильным углом, чтобы отразиться в глазах человека. Кажется, что изображение находится за зеркалом на том же расстоянии, что и (b), если бы вы смотрели на своего близнеца прямо, без зеркала.
Угловые отражатели (ретроотражатели)
Луч света, падающий на предмет, состоящий из двух взаимно перпендикулярных отражающих поверхностей, отражается обратно точно параллельно тому направлению, откуда он пришел (рис. 1.9).). Это верно, когда отражающие поверхности перпендикулярны, и не зависит от угла падения. (Доказательство см. [ссылка] в конце этого раздела.) Такой объект называется угловым отражателем, поскольку свет отражается от его внутреннего угла. Угловые отражатели — это подкласс ретрорефлекторов, все из которых отражают лучи обратно в том направлении, откуда они пришли. Хотя геометрия доказательства намного сложнее, угловые отражатели также могут быть построены с тремя взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями и полезны в трехмерных приложениях.
Рисунок 1,9 Луч света, падающий на две взаимно перпендикулярные отражающие поверхности, отражается обратно точно параллельно тому направлению, откуда он пришел.
Многие недорогие отражатели на велосипедах, автомобилях и предупреждающих знаках имеют угловые отражатели, предназначенные для отражения света в том направлении, откуда он исходит. Вместо того, чтобы просто отражать свет под широким углом, световозвращение обеспечивает хорошую видимость, если наблюдатель и источник света расположены вместе, например, водитель автомобиля и фары. Астронавты Аполлона разместили на Луне настоящий уголковый отражатель (рис. 1.10). Лазерные сигналы с Земли могут отражаться от этого углового отражателя, чтобы измерять постепенно увеличивающееся расстояние до Луны на несколько сантиметров в год.
Рисунок 1.10 (а) Астронавты разместили на Луне уголковый отражатель, чтобы измерить ее постепенно увеличивающееся орбитальное расстояние. (b) Яркие пятна на этих велосипедных отражателях являются отражением вспышки камеры, которая сделала этот снимок темной ночью. (кредит a: модификация работы НАСА; кредит b: модификация работы «Julo»/Wikimedia Commons)
Работающие по тому же принципу, что и эти оптические отражатели, угловые отражатели обычно используются в качестве радиолокационных отражателей (рис. 1.11) для радиочастотных приложений. В большинстве случаев небольшие лодки из стекловолокна или дерева слабо отражают радиоволны, излучаемые радиолокационными системами. Чтобы сделать эти лодки видимыми для радаров (например, чтобы избежать столкновений), к лодкам прикрепляют радиолокационные отражатели, обычно на возвышенностях.
Рисунок 1.11 Радиолокационный отражатель, установленный на парусной лодке, относится к типу уголковых отражателей. (кредит: Тим Ширман-Чейз)
В качестве контрпримера, если вы заинтересованы в создании самолета-невидимки, отражения радара должны быть сведены к минимуму, чтобы избежать обнаружения. Таким образом, одним из соображений дизайна будет избегать создания углов 90 ° 90 ° в планере.
Учебник по физике: Закон отражения
Известно, что свет ведет себя очень предсказуемо. Если бы можно было наблюдать луч света, приближающийся к плоскому зеркалу и отражающийся от него, то поведение света при отражении следовало бы предсказуемому закон , известный как закон отражения . Диаграмма ниже иллюстрирует закон отражения.
На диаграмме луч света, приближающийся к зеркалу, известен как падающий луч (обозначен на диаграмме I ). Луч света, выходящий из зеркала, известен как отраженный луч (обозначен на схеме R ). В точке падения луча на зеркало можно провести линию, перпендикулярную поверхности зеркала. Эта линия известна как обычная линия (обозначена на схеме N ). Нормальная линия делит угол между падающим и отраженным лучами на два равных угла. Угол между падающим лучом и нормалью известен как угол падения . Угол между отраженным лучом и нормалью известен как угол отражения . (Эти два угла обозначаются греческой буквой «тета», сопровождаемой нижним индексом; читаются как «тета-i» для угла падения и «тета-r» для угла отражения.) Закон отражения гласит, что когда луч света отражается от поверхности, угол падения равен углу отражения.
Часто можно наблюдать действие этого закона в лаборатории физики, подобной описанной в предыдущей части Урока 1. Чтобы увидеть изображение карандаша в зеркале, вы должен смотреть вдоль линии в местоположении изображения. Когда вы смотрите на изображение, свет проходит к вашему глазу по пути, показанному на диаграмме ниже. На диаграмме видно, что свет отражается от зеркала таким образом, что угол падения равен углу отражения.
Так уж получилось, что свет, идущий по линии взгляда к вашему глазу, подчиняется закону отражения. (Причина этого будет обсуждаться позже в Уроке 2). Если бы вы смотрели вдоль линии в месте, отличном от местоположения изображения, было бы невозможно, чтобы луч света исходил от объекта, отражался от зеркала в соответствии с законом отражения и впоследствии попадал в ваш глаз. Только когда вы смотрите на изображение, свет от объекта отражается от зеркала в соответствии с законом отражения и попадает в ваш глаз. Эта истина изображена на диаграмме ниже.
Например, на диаграмме А выше глаз направлен вдоль линии в положение выше фактического местоположения изображения. Чтобы свет от объекта отражался от зеркала и попадал в глаз, свет должен отражаться таким образом, чтобы угол падения был меньше угла отражения. На приведенной выше диаграмме B глаз смотрит вдоль линии на позицию 90 053 ниже 90 054 фактического местоположения изображения. В этом случае, чтобы свет от объекта отразился от зеркала и попал в глаз, свет должен отражаться таким образом, чтобы угол падения был больше, чем угол отражения. Ни один из этих случаев не следует закону отражения. Фактически в каждом случае изображение не видно при визировании по указанной линии визирования. Именно из-за закона отражения глаз должен смотреть на место изображения, чтобы увидеть изображение объекта в зеркале.
1. Рассмотрите схему справа. Какой из углов (А, В, С или D) является углом падения? ______ Какой из углов является углом отражения? ______
2. Луч света падает на плоское зеркало под углом 30 градусов к поверхности зеркала. Каким будет угол отражения?
3. Возможно, вы наблюдали изображение солнца в окнах отдаленных зданий во время восхода или захода солнца. Однако в окнах дальнего здания в полдень не видно изображения солнца. Используйте диаграмму ниже, чтобы объяснить, нарисовав соответствующие световые лучи на диаграмме.
4. Луч света приближается к набору из трех зеркал, как показано на рисунке. Луч света подходит к первому зеркалу под углом 45 градусов к поверхности зеркала. Проследите путь луча света, когда он отражается от зеркала. Продолжайте отслеживать луч, пока он, наконец, не выйдет из зеркальной системы.
