Согласно закону отражения света угол падения. Отражение света

Введем несколько определений. Углом падения луча назовем угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча (угол a). Углом отражения луча назовем угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча (угол b).

При отражении света всегда выполняются две закономерности: Первая. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности в точке излома луча всегда лежат в одной плоскости. Вторая. Угол падения равен углу отражения. Эти два утверждения выражают суть закона отражения света.

На левом рисунке лучи и перпендикуляр к зеркалу не лежат в одной плоскости. На правом рисунке угол отражения не равен углу падения. Поэтому такое отражение лучей нельзя получить на опыте.

Закон отражения является справедливым как для случая зеркального, так и для случая рассеянного отражения света. Обратимся еще раз к чертежам на предыдущей странице. Несмотря на кажущуюся беспорядочность в отражении лучей на правом чертеже, все они расположены так, что углы отражения равны углам падения. Взгляните, шероховатую поверхность правого чертежа мы «разрезали» на отдельные элементы и провели перпендикуляры в точках излома лучей.

Следует отметить, что изображение, которое мы видим по ту сторону зеркала, создано не самими лучами, а их мысленным продолжением. Такое изображение называется мнимым. Его глазом видно, но на экране его невозможно получить, так как оно создано не лучами, а их мысленным продолжением.

При отражении также соблюдается принцип наименьшего времени распространения света. Для того, чтобы попасть после отражения в глаз наблюдателя, свет должен прийти именно тот путь, который указывает ему закон отражения. Именно распространяясь по такому пути, свет на свой путь потратит наименьшее время из всех возможных вариантов.

Закон преломления света

Как нам уже известно, свет может распространяться не только в вакууме, но и в других прозрачных средах. В этом случае свет будет испытать преломление. При переходе из менее плотной среды в более плотную, луч света при преломлении прижимается к перпендикуляру, проведённому к точке падения, а при переходе из более плотной среды в менее плотную, он наоборот: отклоняется от перпендикуляра.

При этом имеются два закона преломления:

Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый к точке падения, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синусов углов падения и преломления равно обратному отношению показателей преломления:

sin a = n2

sin g n1

Представляет интерес прохождения луча света через трёхгранную призму. При этом, в любом случае наблюдается отклонение луча после прохождения через призму от первоначального направления:

У различных прозрачных тел показатель преломления различен. У газов он очень мало отличается от единицы. С повышением давления он возрастает, следовательно, показатель преломления газов зависит и от температуры. Вспомним, что если смотреть на отдалённые предметы сквозь горячий воздух, поднимающийся от костра, то видим, что всё, что вдали выглядит как колышащееся марево. У жидкостей показатель преломления зависит не только от самой жидкости, но и от концентрации растворённых в ней веществ. Ниже приводится небольшая таблица показателей преломления некоторых веществ.

Полное внутреннее отражение света.

Волоконная оптика

Следует отметить, что световой луч, распространяясь в пространстве, обладает свойством обратимости. Это значит, что по какому пути луч распространяется от источника в пространстве, по такому же пути он пойдёт обратно, если источник и точку наблюдения поменять местами.

Представим себе, что луч света распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Тогда, по закону преломления, он при преломлении должен выйти, отклонившись от перпендикуляра. Рассмотрим лучи, исходящие от точечного источника света, находящегося в оптически более плотной среде, например, в воде.

Из данного рисунка видно, что первый луч падает на поверхность раздела перпендикулярно. При этом луч от первоначального направления не отклоняется. Часто его энергии отражается от границы раздела и возвращается на источник. Остальная часть его энергии выходит наружу. Остальные лучи частично отражаются, частично выходят наружу. При увеличении угла падения растёт соответственно и угол преломления, что соответствует закону преломления. Но когда угол падения принимает такое значение, что, согласно закону преломления, угол выхода луча должен составить 90 градусов, то луч на поверхность вообще не выйдет: все 100% энергии луча отразятся от границы раздела. Все остальные лучи, падающие на поверхность раздела под углом, большим, чем этот, будут полностью отражены от поверхности раздела. Этот угол называется предельным углом , а явление называется полным внутренним отражением. То есть, поверхность раздела в данном случае выступает как идеальное зеркало. Значение предельного угла для границы с вакуумом или воздухом можно подсчитать по формуле:

Sin aпр = 1/n Здесь n – показатель преломления более плотной среды.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в различных оптических приборах. В частности, используется в приборе для определения концентрации растворённых веществ в воде (рефрактометр). Там измеряется предельный угол полного внутреннего отражения, по которому определяется показатель преломления и потом по таблице определяют концентрацию растворённых веществ.

Особенно ярко проявляется явление полного внутреннего отражения в волоконной оптике. Ниже на рисунке изображено одно стекловолокно в разрезе:

Возьмём тонкое стеклянное волокно и в один из торцов запустим луч света. Поскольку волокно очень тонкое, то любой луч, вошедший в торец волокна, будет падать на его боковую поверхность под углом, значительно превышающий предельный угол и будет полностью отражён. Таким образом, вошедший луч будет многократно отражаться от боковой поверхности и выйдет из противоположного конца практически без потерь. Внешне это будет выглядеть так, как будто противоположный торец волокна ярко светится. К тому же совсем необязательно, чтобы стекловолокно было прямолинейным. Оно может изгибаться как угодно, причём, никакие изгибы не повлияют распространению света по волокну.

В связи с этим, учёным пришла идея: а что, если взять не одно волокно, а целый их пучок. Но при этом надо, чтобы все волокна в жгуте находились в строгом взаимном порядке и на обеих сторонах жгута торцы всех волокон находились в одной плоскости. И если при этом на один торец жгута с помощью линзы подать изображение, то каждое волокно в отдельности передаст на противоположный торец жгута одну маленькую частичку изображения. Все вместе волокна на противоположном торце жгута воспроизведут то же самое изображение, что было создано линзой. Причём, изображение будет в естественном свете. Таким образом, был создан прибор, названный позже фиброгастроскопом . Этим прибором можно осмотреть внутреннюю поверхность желудка, не производя оперативного вмешательства. Фиброгастроскоп вводят через пищевод в желудок и осматривают внутреннюю поверхность желудка. В принципе, данным прибором можно осмотреть не только желудок, но и другие органы изнутри. Данный прибор используется не только в медицине, но и в различных областях техники для осмотра недоступных областей. И при этом сам жгут может иметь всевозможные изгибы, которые при этом никак не влияют на качество изображения. Единственный недостаток данного прибора – это растровая структура изображения: то есть изображение состоит из отдельных точек. Для того, чтобы изображение было более чётким, нужно иметь ещё большее количество стекловолокон, причём они должны быть ещё более тонкими. А это значительно увеличивает стоимость прибора. Но с дальнейшим развитием технических возможностей данная проблема вскоре будет решена.

Линза

Для начала рассмотрим линзу. Линза – это прозрачное тело, ограниченное либо двумя сферическими поверхностями, либо сферической поверхностью и плоскостью.

Рассмотрим линзы в поперечном разрезе. Линза искривляет прошедший через неё световой пучок. Если пучок, после полхождения через линзу будет собираться в точку, то такая линза называется собирающей. Если же падающий параллельный световой пучок после прохождении через линзу будет расходиться, то такая линза называется рассеивающей.

Ниже изображены собирающие и рассеивающие линзы и их условные обозначения:

Из данного рисунка видно, что все параллельно падающие на линзу лучи сходятся в одной точке. Эта точка называется фокусом (F ) линзы. Расстояние от фокуса до самой линзы называется фокусным расстоянием линзы. Оно в системе СИ измеряется в метрах. Но существует ещё одна единица, характеризующая линзу. Эта величина называется оптической силой и является величиной, обратной фокусному расстоянию и называетсядиоптрией . (Дп ). Обозначается буквой D. D = 1/F. У собирающей линзы значение оптической силы имеет знак плюс. Если на линзу пустить свет, отражённый от какого-либо протяжённого объекта, то каждый элемент объекта отобразится в плоскости, проходящей через фокус в виде изображения. При этом изображение будет перевёрнутым. Поскольку это изображение будет создано самими лучами, то оно будет называться действительным.

Это явление используют в современных фотоаппаратах. Действительное изображение создаётся на фотоплёнке.

Рассеивающая линза действует противоположно собирающей линзе. Если на неё по нормали падает параллельный пучок света, то после прохождении через линзу, пучок света будет расходиться так, как будто все лучи выходят из некоторой мнимой точки, расположенной по другую сторону линзы. Эта точка называется мнимым фокусом и фокусное расстояние будет со знаком минус. Следовательно, оптическая сила такой линзы будет выражаться также в диоптрия, но её значение будет со знаком минус. При рассматривании окружающих предметов через рассеивающую линзу, все предметы, видимые через линзу, будут казаться уменьшенными в размерах

Свет распространяется прямолинейно только в однородной среде. Если свет подходит к границе раздела двух сред, он изменяет направление распространения.

Кроме того, часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света . Луч света, идущий к границе раздела сред в первой среде (рис. 16.5), называется падающим (а) . Луч. остающийся в первой среде после взаимодействия на границе раздела сред, называется отраженным (b) .

Угол \(\alpha\) между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения .

Угол \(\gamma\) между отраженным лучом и тем же перпендикуляром называется углом отражения .

Еще в III в. до н.э. древнегреческим ученым Евклидом опытным путем были открыты законы отражения. В современных условиях проверку этого закона можно провести с помощью оптической шайбы (рис. 16.6), состоящей из диска, по окружности которого нанесены деления, и из источника света, который можно перемещать по краю диска. В центре диска закрепляют отражающую поверхность (плоское зеркало). Направляя свет на отражающую поверхность, измеряют углы падения и углы отражения.

Законы отражения:

1.Лучи падающий, отраженный и перпендикуляр, восставленный к границе двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2.Угол отражения равен углу падения:

\(~\alpha=\gamma\)

Законы отражения можно вывести теоретически, пользуясь принципом Ферма.

Пусть на зеркальную поверхность падает свет из точки А. В точке А 1 собираются лучи, отраженные от зеркала (рис. 16.7). Предположим, что свет может распространяться двумя путями, отражаясь от точек О и О". Время, которое потребуется свету, чтобы пройти путь АОА 1 , можно найти по формуле \(t=\frac{AO}{\upsilon}+\frac{AO_1}{\upsilon}\), где \(~\upsilon\) - скорость распространения света.

Кратчайшее расстояние от точки А до зеркальной поверхности обозначим через l, а от точки А 1 - через i 1 .

Из рисунка 16.7 найдем

\(AO=\sqrt{l^2+x^2}\); \(OA_1=\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}\).

\(t=\frac{\sqrt{l^2+x^2}+\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}{\upsilon}\)

Найдем производную

\(t"_x=\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{2x}{2\sqrt{l^2+x^2}}+\frac{2(L-x)(-1)}{2\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}\Bigl)=\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{x}{\sqrt{l^2+x^2}}-\frac{L-x}{\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}\Bigl) =\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{x}{AO}-\frac{L-x}{OA_1}\Bigl) \).

Из рисунка видим, что \(\frac{x}{AO}=\sin \alpha\); \(\frac{L-x}{OA_1}=\sin \gamma\).

Следовательно, \(t"_x=\frac{1}{\upsilon}(\sin \alpha-\sin \gamma)\).

Для того чтобы время t было минимально, производная должна быть равна нулю. Таким образом, \(\frac{1}{\upsilon}(\sin \alpha-\sin \gamma)=0\). Отсюда \(~\sin \alpha = \sin \gamma\), а так как углы \(~\alpha\) и \(~\gamma\) - острые, то отсюда следует равенство углов\[~\gamma=\alpha\].

Мы получили соотношение, выражающее второй закон отражения. Из принципа Ферма вытекает и первый закон отражения: отраженный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, так как если бы эти лучи лежали в разных плоскостях, то путь AOA 1 не был бы минимальным.

Падающий и отраженный лучи обратимы, т.е. если падающий луч направить по пути отраженного луча, то отраженный луч пойдет по пути падающего - закон обратимости световых лучей.

В зависимости от свойств границы раздела сред отражение света может быть зеркальным и диффузным (рассеянным).

Зеркальным называется отражение, при котором падающий на плоскую поверхность (рис. 16.8) параллельный пучок лучей после отражения остается параллельным.

Шероховатая поверхность отражает параллельный падающий на нее пучок света по всевозможным направлениям (рис. 16.9). Такое отражение света называют диффузным .

Соответственно различают зеркальные и матовые поверхности.

Следует отметить, что это относительные понятия. Поверхностей, отражающих только зеркально, не существует. В большинстве случаев имеется лишь максимум отражения в направлении угла зеркального отражения. Этим объясняется то, что мы видим зеркало и другие зеркально отражающие поверхности со всех сторон, а не только в одном направлении, в котором они отражают свет.

Одна и та же поверхность может быть зеркальной и матовой в зависимости от длины волны падающего света.

Если граница имеет вид поверхности, размеры d неровностей которой меньше длины волны света \(\lambda\), то отражение будет зеркальным (поверхность капли ртути, отполированная металлическая поверхность и т.д.), если \(d \gg \lambda\), отражение будет диффузным. Чем лучше обработана поверхность, тем большая доля падающего света отражается в направлении угла зеркального отражения, а меньшая - рассеивается.

Рассеянный свет возникает вследствие мелких дефектов полировки, царапин, мельчайших пылинок, имеющих величину порядка нескольких микронов.

Поверхность, которая равномерно рассеивает падающий свет во все стороны, называют абсолютно матовой . Абсолютно матовых поверхностей также не существует. К абсолютно матовым поверхностям близки поверхности неглазурованного фарфора, чертежной бумаги, снега.

Даже для одного и того же излучения матовая поверхность может стать зеркальной, если увеличить угол падения. Диффузно отражающие поверхности могут отличаться и по величине коэффициента отражения \(\rho=\frac{W_{OTP}}{W} \), показывающего, какую часть энергии W падающего на поверхность светового пучка составляет энергия W отр отраженного светового пучка.

Белая бумага для рисования имеет коэффициент отражения, равный 0,7-0,8. Очень высокий коэффициент отражения для поверхностей, покрытых окисью магния, - 0,95 и очень малый для черного бархата - 0,01-0,002.

Заметим, что зависимость отражения и поглощения от частоты колебаний чаще всего имеет избирательный характер.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 457-460.

О́птика (от др.-греч. ὀ πτική появление или взгляд ) - раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплин, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

Важнейшие понятия оптики: преломление и отражение света (ход лучей света на примере призмы).

Закон отражения:

1) Угол падения равен углу отражения.

2) Луч падающий, отраженный и перпендикуляр, вставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.
Закон преломления:

1) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

2) Падающий луч, переломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.

Природа света

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

Характеристики света

Длина световой волны λ зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением:

На практике принято считать, что показатель преломления среды является функцией длины волны: n = n (λ). Зависимость показателя преломления от длины волны (точнее -от частоты) проявляется в виде явления дисперсии света.

Характеристиками света являются:

спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
интенсивность, пропорциональная квадрату амплитуды электрического вектора электромагнитной волны.
поляризация, определяемая изменением пространственной ориентации электрического вектора по мере распространения волны в пространстве.
направление распространения луча света, совпадающее с направлением нормали к волновому фронту (при отсутствии явления двойного лучепреломления)

Скорость света

Универсальным и постоянным понятием является скорость света c= 3∙ . При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: υ = c / n , где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n = n (ν)

Шкала электромагнитных излучений

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика или оптика луча , описывает распространение света термином луч. Работы Гюйгенса, Ньютона, Гука.

«Луч» в геометрической оптике - абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему.

Если узкие пучки света, падающие на поверхность параллельно друг другу, идут после отражения также параллельно,

Зеркальное отражение

Отражение является зеркальным, если лучи падают на поверхность параллельно, отражаясь от поверхности, остаются параллельными.

Пример. Отражение в зеркале.

Рассеянное отражение.

Отражение является рассеянным если лучи падают на поверхность параллельно, но отражаются по все возможным направлениям.

Волновая оптика.

Физическая оптика или Волновая оптика основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Этот раздел оптики объясняет дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, аберрацию и природу других сложных эффектов.

Волна́ - изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Интерференция

Интерференция – явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства. Это общее свойство волн любой природы.

Основные формулы интерференции.

Оптическая разность хода:

Δ=L 1 - L 2 .

Связь разности фаз Δφ колебаний с оптической разностью хода волн

Δφ=2πΔ/ λ ..

Условие максимумов интенсивности света при интерференции

Δ=± kλ (k =0, l ,2, 3, …).

Условие минимумов интенсивности света при интерференции

Δ=± (2k+1) (λ /2).
Дифра́кция во́лн (лат. diffractus - буквально разломанный, переломанный) - явление огибания волной препятствия.

Д
ифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны.

Дифракционная решётка - оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решётки птичьи перья.

Основные формулы дифракции:

Условие главных максимумов при дифракции света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей

d sinφ=±k λ, k =0,1,2,3,…,

где d - период (постоянная) решетки; k - номер главного максимума; φ -угол между нормалью к поверхности решетки и направлением дифрагирующих волн.

Разрешающая сила дифракционной решетки

где Δλ - наименьшая разность длин волн двух соседних спектральных линий (λ и λ+Δλ), при которой эти линии могут быть видны раздельно в спектре, полученном посредством данной решетки; N - число штрихов решетки; k - порядковый номер дифракционного максимума.

Когере́нтность (от лат. cohaerens - «находящийся в связи») - скоррелированность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Когерентность волны означает, что разность фаз между двумя точками не зависит от времени.

Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция.

Поляриза́ция волн - явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поляризация – выделение одного направления колебаний характеристики волны. Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды , всегда перпендикулярным к волновому вектору.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
анизотропность среды распространения волн;
преломление и отражение на границе двух сред.

Дисперсия света

Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона).

Диспе́рсия све́та (разложение света ) - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты ) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года , хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии , применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число , применяется не только к электромагнитной волне , но к любому волновому процессу.

Призма - оптический элемент из прозрачного материала (например, оптического стекла) в форме геометрического тела - призмы, имеющий плоские полированные грани, через которые входит и выходит свет. Свет в призме преломляется .

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Список литературы.

Открытая физика [Электронный ресурс]
Мякишев, Г. Я.. Физика. 11 класс. [Текст]
Картинки с сайтов:

http :// narod.ru/pic/
http :// fizika.ayp.ru/6/6_1.html
http://festival.1september.ru/articles/310913/pril2.doc
http:// ftl.kherson.ua/EDU/OC/Astronomy/content/chapter2/section1/paragraph1/theory.html
http://optika8.narod.ru/7.Ploskoe_zerkalo.htm