Отражение в зеркале физика. Законы отражения света

Общеизвестные современные зеркала, как правило, не более, чем лист стекла с нанесенным на изнанку тонким металлическим слоем. Кажется, будто зеркала были вокруг всегда, в той или иной форме, но в нынешнем виде, они появились относительно недавно. Еще тысячу лет назад зеркалами были полированные диски из меди или бронзы, которые стоили больше, чем большинство людей той эпохи могли себе позволить. Крестьянин, который хотел видеть свое отражение, шел смотреться в пруд. Зеркала в полный рост, являются еще более недавним изобретением. Им всего лишь около 400 лет.

Зеркала представляют нам истину и иллюзию в одно и то же время. Возможно, этот парадокс делает зеркала центром притяжения для магии и науки.

Зеркала в истории

Когда люди начали делать простые зеркала около 600 года до н.э., они использовали полированный обсидиан в качестве отражающей поверхности. В конце концов, они начали производить более сложные зеркала, сделанные из меди, бронзы, серебра, золота и даже свинца.

Однако, учитывая вес материала, эти зеркала были крошечные по нашим меркам. Они редко достигали 20 см в диаметре и, в основном, использовались в качестве украшения. Особым шиком было носить зеркало, прикрепленное у поясу цепочкой.

Одним из исключений стал Фаросский маяк, одно из семи чудес света, чье большое бронзовое зеркало ночью отражало огонь огромного костра.

Современные зеркала появились только в конце Средневековья , но в те времена их производство было сложным и дорогим. Одной из проблем было то, что в песке для стекла содержалось слишком много примесей, мешающих созданию настоящей прозрачности. Кроме того, тепловой удар, вызываемый добавлением расплавленного металла для создания отражающей поверхности, почти всегда раскалывал стекло.

В эпоху Ренессанса , когда флорентийцы изобрели способ изготовления низкотемпературной свинцовой изнанки, дебютировали современные зеркала. Эти зеркала были окончательно чистыми, что позволило использовать их в искусстве. Например, архитектором Филиппо Брунеллески была создана линейная перспектива с зеркалами, чтобы создать иллюзию глубины пространства. Кроме того, зеркала основали новую форму искусства — автопортрет. Венецианские мастера зеркального дела добились вершин в стекольной технике. Их секреты были столь драгоценными, а торговля зеркалами настолько прибыльной, что мастеров-предателей, которые пытались продать свои знания за рубеж, часто убивали.

В это время зеркала были по-прежнему доступны только для богатых, но ученые начали искать альтернативные способы их применения. В начале 1660-х годов, математики отметили, что зеркала потенциально могут быть использованы в телескопах вместо линз. Джеймс Брэдли использовал эти знания, чтобы построить первый зеркальный телескоп в 1721 году.

Современное зеркало делается путем серебрения — распыления тонкого слоя серебра или алюминия на изнаночную часть листа стекла. Юстус Фон Лайбиг изобрел этот процесс в 1835 году. Большинство зеркал, произведенных сегодня, делается более прогрессивным способом нагревания алюминия в вакууме, который затем прилипает к более прохладному стеклу. Для бытовых зеркал может по-прежнему применяться серебро, но у серебра есть существенный недостаток – оно быстро окисляется и поглощает атмосферную серу, создавая темные участки. Алюминий в меньшей мере подвержен потемнению, поскольку тонкий слой оксида алюминия остается прозрачным. Зеркала теперь используются для всех целей — от жидкокристаллического проецирования, до автомобильных фар и лазеров.

Физика зеркала

Чтобы понять, физику зеркала, сначала мы должны понять физику света. В законе отражения говорится, что когда луч света попадает на поверхность, он отскакивает определенным образом, подобно мячу, брошенному в стену. Входящий угол, называемый углом падения , всегда равен углу, под которым луч покидает поверхность, или углу отражения .

Свет сам по себе невидим, пока он не отразится от чего-то и не попадает в наши глаза. Луч света, распространяющийся через пространство, не видно со стороны, пока он не попадает в среду, которая рассеивает его, например, облако водорода. Это рассеивание известно как рассеянное отражение и является тем, как наши глаза интерпретируют то, что происходит, когда свет попадает на неровную поверхность. Закон отражения по-прежнему применяется, но вместо того, чтобы ударяться об одну гладкую поверхность, свет ударяется о множество микроскопических поверхностей.

Зеркала, обладая гладкой поверхностью, отражают свет не нарушая входящих изображений. Это называется зеркальным отражением . Изображение в зеркале является мнимым, так как оно образуется не пересечением самих отраженных световых лучей, а их «продолжений в зазеркалье» У многих возникает любопытный вопрос — почему зеркала всегда показывают изображения, повернутые «слева направо», а не «правильные»? Дело в том, что зеркальное отображение выглядит как «световой штамп», а не вид на предмет с точки зрения зеркала. При этом и расстояние до предмета, и размер предмета в плоском зеракале — остаются такими же, как и у оригинала.

Типы зеркал

Простой способ изменить работу зеркала – искривить его. Кривые зеркала существуют в двух основных вариантах: выпуклые и вогнутые.

Отражение параллельного пучка лучей от выпуклого зеркала. F – мнимый фокус зеркала, O – оптический центр; OP – главная оптическая ось

Выпуклое зеркало, в котором центр выгнут наружу, отражает широкий угол возле его краев, создавая слегка искаженное изображение, которое меньше фактического размера. Выпуклые зеркала имеют много применений. Чем меньше размер изображения, тем больше в таком зеркале вы сможете увидеть. Выпуклые зеркала используют в автомобильных зеркалах заднего вида . Некоторые универмаги устанавливают выпуклые по вертикали зеркала в гардеробной потому, что в них клиенты выглядят выше и тоньше, чем на самом деле.

Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого сферического зеркала. Точки O – оптический центр, P – полюс, F – главный фокус зеркала; OP – главная оптическая ось, R – радиус кривизны зеркала

Вогнутые или сферические зеркала с кривизной внутрь похожи на фрагмент шара. У этих зеркал свет отражается в определенной зоне перед ними. Эта область называется фокусная точка . Издалека объекты в таком зеркале будут казаться перевернутыми вверх дном, но, если подойти к зеркалу ближе фокусной точки — изображение переворачивается. Вогнутые зеркала используются повсеместно, например, для зажжения Олимпийского Огня.

Фокусным расстояниям сферических зеркал приписывается определенный знак:

для вогнутого зеркала для выпуклого где R – радиус кривизны зеркала.

Теперь, когда вы знаете основные типы зеркал, можно вспомнить о других, более необычных их типах. Вот краткий список:

1. Нереверсивное зеркало: Патент на нереверсивное зеркало получен в 1887 году, когда Джон Дерби, создал его путем размещения двух зеркал, перпендикулярных друг к другу.

2. Акустические зеркала: Акустические зеркала в виде огромных бетонных блюд построены, чтобы отражать и распространять звук, а не свет. Английские военные использовали их до изобретения радара в качестве системы раннего предупреждения в отношении воздушных атак.

3. Двустронние зеркала: Эти зеркала изготавливаются путем покрытия одной стороны листа стекла очень тонким слоем светоотражающего материала, через который может проходить яркий свет. Такие зеркала устанавливаются в комнатах для допросов. С одной стороны такого зеркала расположена темная комната для наблюдающих полицейских, с другой – ярко освещенная комната для допроса. Наблюдатели из темной комнаты видят допрашиваемого человека в светлой комнате, а он видит в таком зеркале только свое зеркальное отражение. Обычное оконное стекло — тоже слабый светоотражающий материал. По этой причине трудно разглядеть что-то на улице в темное время суток, когда в комнате включен свет.

Зеркала в литературе и суевериях

Волшебных зеркал в литературе предостаточно, от древней истории о красавце Нарциссе, влюбленного и тосковавшего по его собственному отражению в луже воды, до путешествия Алисы в Зазеркалье. В китайской мифологии есть история о Зеркальном Королевстве, где существа связаны магией сна, но в один прекрасный день воскреснут для битвы с нашим миром.

Зеркала также имеют тесные связи и с концепцией души. Это порождает множество диких суеверий . Например, разбив зеркало, вы, якобы, заработаете целых семь лет невезения. Объяснение заключается в том, что ваша душа, обновляемая каждые семь лет, разрушается вместе с разбитым зеркалом. Из этой же теории следует, что вампиры, которые не имеют души, становятся невидимыми в зеркале. Смотреться в зеркало также опасно для младенцев, чьи души неразвиты или же они начнут заикаться.

Духи часто связаны с зеркалами. Зеркала покрываются тканью из уважения к памяти умерших во время еврейского траура, но во многих странах это также принято делать. Согласно суеверию, зеркало может заманить в ловушку душу умирающего человека. Женщина, которая рожает и смотрит в зеркало, вскоре будет видеть призрачные лица, выглядывающие из-за ее отражения. Более того, если вы смотрите в зеркало в канун Рождества со свечой в руке и называете имя умершего громким голосом, то сила зеркала покажет вам лицо этого человека. Так же распространены девичьи гадания на «суженого», в которых по замыслу гадающих, зеркало должно показать лицо будущего жениха.

Оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света. Отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации . Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами . В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.

История

Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида , датируемой примерно 200 лет до н. э.

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики . Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света , он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

Сдвиг Фёдорова

Виды отражения

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.

Зеркальное отражение

Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения; 2) угол отражения равен углу падения. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n 2 и n 1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды - диэлектрика) выражают формулы Френеля . Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен

В важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %.

Полное внутреннее отражение

С увеличением угла падения , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного - падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°:

Диффузное отражение света

При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта). По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения , но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Отражение (физика)" в других словарях:

Отражение: Отражение (физика) физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью. Отражение (геометрия) движение евклидова пространства, множество неподвижных точек которого является гиперплоскостью. Отражение… … Википедия

ФИЗИКА - ФИЗИКА, наука, изучающая совместно с химией общие законы превращения энергии и материи. В основе обеих наук лежат два основных закона естествознания закон сохранения массы (закон Ломоносова, Лавуазье) и закон сохранения энергии (Р. Майер, Джауль… … Большая медицинская энциклопедия

Физика и реальность - «ФИЗИКА И РЕАЛЬНОСТЬ» сборник статей А. Эйнштейна, написанных в разные периоды его творческой жизни. Рус. издание М., 1965. В книге нашли отражение основные эпистемологические и методологические воззрения великого физика. Среди них… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Отражение. Оптическое отражение в реке прибрежных деревьев … Википедия

Совокупность исследований строения в ва с помощью нейтронов, а также исследования св в и структуры самих нейтронов (времени жизни, магн. момента и др.). Отсутствие у нейтрона электрич. заряда приводит к тому, что они в осн. взаимодействуют… … Физическая энциклопедия

Скорее всего, сегодня уже нет ни одного дома, где бы не было зеркала. Оно так прочно вошло в нашу жизнь, что без него человеку трудно обойтись. Что же собой представляет этот предмет, каким образом отражает изображение? А если поставить два зеркала друг напротив друга? Этот удивительный предмет стал центральным во многих сказках. Про него существует достаточное количество примет. А что говорит о зеркале наука?

Немного истории

Современные зеркала в большинстве своём - это стекло с напылением. В качестве покрытия тонкий металлический слой наносят на обратную сторону стекла. Буквально тысячу лет назад зеркала представляли собой тщательно отполированные медные или бронзовые диски. Но позволить себе зеркало мог не каждый. Оно стоило больших денег. Поэтому бедные люди вынуждены были рассматривать свое А зеркала, которые показывают человека в полный рост - это вообще относительно молодое изобретение. Ему приблизительно 400 лет.

Зеркало людей удивляло тем более, когда они могли увидеть отражение зеркала в зеркале - это вообще казалось им чем-то магическим. Ведь изображение - это не истина, а некое её отражение, своего рода иллюзия. Получается, мы одновременно можем видеть истину и иллюзию. Неудивительно, что люди приписывали этому предмету много магических свойств и даже побаивались его.

Самые первые зеркала делали из платины (удивительно, но когда-то этот металл совсем не ценили), золота или олова. Учёные обнаружили зеркала, сделанные ещё в бронзовую эпоху. Но то зеркало, которое мы сегодня можем видеть, начало свою историю после того, как в Европе смогли освоить технологию выдувания стекла.

Научный взгляд

С точки зрения науки физики, отражение зеркала в зеркале - это умноженный эффект того же самого отражения. Чем больше таких зеркал, установленных друг напротив друга, тем большая иллюзия наполненности одним и тем же изображением возникает. Такой эффект часто используют в аттракционах для развлечения. К примеру, в парке диснеевском есть, так называемый бесконечный зал. Там два зеркала установили друг напротив друга, и повторили ещё такой эффект множество раз.

Полученное отражение зеркала в зеркале, помноженное на относительно бесконечное число раз, стало одним из самых популярных среди аттракционов. Такие аттракционы давно вошли в развлекательную индустрию. Ещё в начале XX века в Париже на международной выставке появился аттракцион под названием «Дворец иллюзий». Он пользовался огромной популярностью. Принцип его создания - отражение зеркал в зеркалах, установленных в ряд, величиной в полный человеческий рост, в огромном павильоне. У людей складывалось впечатление, будто они находятся в огромной толпе.

Закон отражения

Принцип действия любого зеркала основан на законе распространения и отражения в пространстве Этот закон - главный в оптике: будет таким же (равным) углу отражения. Это - как падающий мячик. Если его бросить вертикально вниз по направлению к полу, он отскочит также вертикально вверх. Если его бросить под углом - он отскочит под углом, равным углу падения. Лучи света от поверхности отражаются аналогично. При этом, чем ровнее и глаже эта поверхность, тем идеальней работает этот закон. По такому закону работает отражение в плоском зеркале, и чем поверхность его идеальней, тем и отражение качественней.

А вот если мы имеем дело с матовыми поверхностями или с шероховатыми, то лучи рассеиваются хаотично.

Зеркала могут отражать свет. То, что мы видим, все отражённые объекты, - это благодаря лучам, которые аналогичны солнечным. Если нет света, то в зеркале ничего не видно. При падении на предмет или на любое живое существо световых лучей, они отражаются и переносят с собой информацию об объекте. Таким образом, отражение человека в зеркале - это сформированное на сетчатке его глаза и переданное в мозг представление об объекте со всеми его характеристиками 9цвет, размер, удаленность и др.).

Виды зеркальных поверхностей

Зеркала бывают плоские и сферические, которые, в свою очередь, могут быть вогнутыми и выпуклыми. Сегодня есть уже умные зеркала: своеобразный медианоситель, предназначенный для демонстрации целевой аудитории. Принцип его работы следующий: при приближении человека зеркало как будто оживает и начинает показывать видео. Причём это видео выбрано неслучайно. В зеркало вмонтирована система, распознающая и обрабатывающая полученное изображение человека. Она быстро определяет его пол, возраст, эмоциональное настроение. Таким образом, система в зеркале подбирает демонстрационный ролик, потенциально способный заинтересовать человека. Это работает в 85 случаях из 100! Но учёные не останавливаются на этом и хотят достичь точности в 98%.

Сферические зеркальные поверхности

На чём основана работа сферического зеркала, или, как ещё называют, кривого, - зеркала с выпуклыми и вогнутыми поверхностями? От обычных такие зеркала отличаются тем, что искривляют изображение. Выпуклые зеркальные поверхности дают возможность видеть большее количество объектов, чем плоские. Но при этом все эти объекты кажутся меньшими по размерам. Такие зеркала устанавливают в автомобилях. Тогда водитель имеет возможность видеть изображение и слева, и справа.

Вогнутое кривое зеркало фокусирует полученное изображение. В таком случае можно разглядеть отражаемый объект максимально подробно. Простой пример: эти зеркала часто используют при бритье и в медицине. Изображение предмета в таких зеркалах собирается из изображений множества разных и отдельных точек этого объекта. Для построения изображения какого-либо объекта в вогнутом зеркале достаточно будет построить изображение его крайних двух точек. Изображения остальных точек будут располагаться между ними.

Полупрозрачность

Есть ещё один вид зеркал, у которых полупрозрачные поверхности. Они так устроены, что одна сторона - как обыкновенное зеркало, а другая наполовину прозрачна. С этой, прозрачной стороны, можно наблюдать вид за зеркалом, а с обычной ничего не видно, кроме отражения. Такие зеркала часто можно увидеть в криминальных фильмах, когда полицейские ведут следствие и допрашивают подозреваемого, а с другой стороны за ним наблюдают или приводят свидетелей для опознания, но так, чтобы их не было видно.

Миф о бесконечности

Существует поверье, что, создав зеркальный коридор, можно достичь бесконечности светового луча в зеркалах. Суеверные люди, верящие в гадания, часто используют этот ритуал. Но наука давно доказала, что это невозможно. Интересно, что от зеркала никогда не бывает полным, на 100 %. Для этого необходима идеальная, гладкая на все 100% поверхность. А она может быть таковой приблизительно на 98-99%. Всегда имеют место какие-то погрешности. Поэтому девушки, гадающие в таких зеркальных коридорах при свечах, рискуют, самое большее, просто войти в некое психологическое состояние, которое может отрицательно отразиться на них.

Если поставить два зеркала напротив друг друга, а между ними зажечь свечу, то будут видны множество огоньков, выстроенных в один ряд. Вопрос: сколько огоньков можно насчитать? На первый взгляд это бесконечное количество. Ведь, кажется, нет и конца этому ряду. Но если провести определённые математические расчеты, то мы увидим, что даже при зеркалах, имеющих 99% отражения, приблизительно через 70 циклов свет станет в два раза слабее. После 140 отражений он ослабнет ещё в два раза. С каждым разом лучи света тускнеют и меняют цвет. Таким образом, настанет момент, когда свет вовсе погаснет.

Так всё-таки бесконечность возможна?

Бесконечное отражение луча от зеркала возможно лишь при абсолютно идеальных зеркалах, поставленных строго параллельно. Но можно ли достичь такой абсолютности, когда ничто в материальном мире не бывает абсолютным и идеальным? Если это и возможно, то только с точки зрения религиозного сознания, где абсолютное совершенство - это Бог, Творец всего вездесущего.

По причине отсутствия идеальной поверхности зеркал и идеальной параллельности их друг другу ряд отражений подвергнется изгибу, и изображение исчезнет, как будто за углом. Если учесть ещё и то, что человек, смотрящий на когда зеркал два, а он между ними - еще и свеча, тоже не будет стоять строго параллельно, то видимый ряд свечей исчезнет за рамкой зеркала довольно-таки быстро.

Многократное отражение

В школе ученики учатся строить изображения объекта, используя По закону отражения света в зеркале, предмет и его зеркальное изображение симметричны. Изучая построение изображений с использованием системы двух и более зеркал, школьники получают в результате эффект многократного отражения.

Если к одиночному плоскому зеркалу добавить второе расположенное под прямым углом к первому, то появятся не два отражения в зеркале, а три (обозначают их обычно S1, S2 и S3). Срабатывает правило: изображение, которое возникает в одном зеркале, отражается во втором, затем это первое отражается в другом, и снова. Новое, S2, отразится в первом, создав третье изображение. Все отражения будут совпадать.

Симметрия

Возникает вопрос: почему в зеркале отражения симметричны? Ответ даёт геометрическая наука, причём в тесной связи с психологией. То, что для нас является низом и верхом, для зеркала меняется местами. Зеркало как бы выворачивает наизнанку то, что находится перед ним. Но удивительно, что в итоге пол, стены, потолок и всё остальное в отражении выглядят так же, как и в реальности.

Как воспринимает отражение в зеркале человек?

Человек видит благодаря свету. Его кванты (фотоны) имеют свойства волны и частицы. Исходя из теории о первичных и вторичных источниках света, фотоны луча света, падая на непрозрачный объект, поглощаются атомами на его поверхности. Возбужденные атомы сразу возвращают энергию, которую поглотили. Вторичные фотоны излучаются равномерно во все стороны. Шероховатая и матовая поверхности дают диффузное отражение.

Если это поверхность зеркала (или ему подобная), то излучающие свет частицы упорядочены, свет проявляет волновые характеристики. Вторичные волны компенсируются во всех направлениях, помимо того что они подчинёны закону, согласно которому угол падения равен углу отражения.

Фотоны как бы упруго отпрыгивают от зеркала. Их траектории начинаются от предметов, как будто расположенных позади него. Именно их и видит человеческий глаз, смотря в зеркало. Мир за зеркалом отличен от реального. Чтобы прочитать там текст, нужно начинать справа налево, а стрелки часов идут в обратную сторону. Двойник в зеркале поднимает левую руку, когда человек, стоящий перед зеркалом, - правую.

Отражения в зеркале будут разными для людей, одновременно смотрящих в него, но находящихся на разных расстояниях и в разных положениях.

Самыми лучшими зеркалами в древности считались те, что сделаны из отполированного тщательно серебра. Сегодня слой металла наносится с обратной стороны стекла. Его защищают от повреждения несколькими слоями из краски. Вместо серебра для экономии, часто наносят слой алюминия (коэффициент отражения - приблизительно 90%). Глаза человека разницы между серебряным покрытием и алюминиевым практически не замечает.

На этом уроке вы узнаете об отражении света и мы сформулируем основные законы отражения света. Ознакомимся с этими понятиями не только с точки зрения геометрической оптики, но и с точки зрения волновой природы света.

Как мы видим подавляющее большинство предметов вокруг нас, ведь они не являются источниками света? Ответ вам хорошо знаком, вы его получили еще в курсе физики 8 класса. Мы видим окружающий нас мир за счет отражения света.

Для начала вспомним определение.

Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, он испытывает отражение, то есть возвращается в исходную среду.

Обратите внимание на следующее: отражение света - это далеко не единственный возможный исход дальнейшего поведения падающего луча, частично он проникает в другую среду, то есть поглощается.

Поглощение света (абсорбция) - явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.

Построим падающий луч , отраженный луч и перпендикуляр в точку падения (рис. 1.).

Рис. 1. Падающий луч

Углом падения называется угол между падающим лучом и перпендикуляром (),

Угол скольжения.

Эти законы впервые были сформулированы Евклидом в его труде «Катоптрика». И с ними мы уже ознакомились в рамках программы физики 8 класса.

Законы отражения света

1. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр в точку падения лежат в одной плоскости.

2. Угол падения равен углу отражения.

Из закона отражения света следует обратимость световых лучей. То есть если мы поменяем местами падающий луч и отраженный, то ничего не изменится с точки зрения траектории распространения светового потока.

Спектр применения закона отражения света весьма широк. Это и тот факт, с которого мы начали урок, что большинство предметов вокруг нас мы видим именно в отраженном свете (луну, дерево, стол). Еще одним хорошим примером использования отражения света являются зеркала и светоотражатели (катафоты).

Катафоты

Разберемся в принципе работы простого световозвращателя.

Катафот (от древнегреческого kata - приставка со значением усилия, fos - «свет»), световозвращатель, фликер (от англ. flick - «мигать») - устройство, предназначенное для отражения луча света в сторону источника с минимальным рассеиванием.

Каждый велосипедист знает, что передвижение в темное время суток без наличия катафотов может быть опасным.

Также фликеры используются в униформах дорожных рабочих, сотрудников ГИБДД.

Как ни удивительно, свойство катафота основано на простейших геометрических фактах, в частности на законе отражения.

Отражение луча от зеркальной поверхности происходит по закону: угол падения равен углу отражения. Рассмотрим плоский случай: два зеркала, образующих угол в 90 градусов. Луч, идущий в плоскости и попадающий на одно из зеркал, после отражения от второго зеркала уйдет ровно в том направлении, в котором пришел (см. рис. 2).

Рис. 2. Принцип действия углового катафота

Для получения такого эффекта в обычном трехмерном пространстве необходимо расположить три зеркала во взаимно перпендикулярных плоскостях. Возьмем уголок куба с краем в виде правильного треугольника. Луч, попавший на такую систему зеркал, после отражения от трех плоскостей уйдет параллельно пришедшему лучу в обратном направлении (см. рис. 3.).

Рис. 3. Уголковый отражатель

Произойдет световозвращение. Именно это простое устройство с его свойствами и называют уголковым отражателем.

Рассмотрим отражение плоской волны (волна называется плоской, если поверхности равной фазы представляют собой плоскости) (рис. 1.)

Рис. 4. Отражение плоской волны

На рисунке - поверхность, и - два луча падающей плоской волны, они параллельны друг другу, а плоскость - волновая поверхность. Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела сред.

Различные участки волновой поверхности достигают отражающей границы не одновременно. Возбуждение колебаний в точке начнется раньше, чем в точке на промежуток времени . В момент когда волна достигнет точки и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке (отраженный луч ) уже будет представлять собой полусферу радиусом . Исходя из того, что мы только что записали, этот радиус так же будет равен отрезку .

Теперь мы видим: , треугольники и - прямоугольные, а значит, . А в свою очередь, и есть угол падения . А - угол отражения . Следовательно, мы получаем, что угол падения равен углу отражения .

Итак, при помощи принципа Гюйгенса ми доказали закон отражения света. Получить это же доказательство можно, пользуясь принципом Ферма.

В качестве примера (рис. 5.) изображено отражение от волнообразной, шероховатой поверхности.

Рис. 5. Отражение от шероховатой, волнообразной поверхности

На рисунке видно, что отраженные лучи идут в самых различных направлениях, Ведь направление перпендикуляра к точке падения для разного луча будет разным, соответственно, и угол падения, и угол отражения тоже будут разными.

Поверхность считается неровной, если размеры ее неровностей не меньше длины световых волн.

Поверхность, которая будет отражать лучи во все стороны равномерно, называется матовой. Таким образом, матовая поверхность гарантирует нам рассеянное или диффузное отражение, которое возникает вследствие неровностей, шероховатостей, царапин.

Поверхность, которая равномерно рассевает свет во все стороны, называется абсолютно матовой. В природе абсолютно матовую поверхность вы не встретите, тем не менее к ним очень близки поверхность снега, бумаги и фарфора.

Если же размер неровностей поверхности меньше длинны световой волны, то такая поверхность будет называться зеркальной.

При отражении от зеркальной поверхности параллельность пучка сохраняется (рис. 6.).

Рис. 6. Отражение от зеркальной поверхности

Приблизительно зеркальной является гладкая поверхность воды, стекла и полированного металла. Даже матовая поверхность может оказаться зеркальной, если изменить угол падения лучей.

В начале урока мы говорили о том, что часть падающего луча отражается, а часть поглощается. В физике есть величина, которая характеризует, какая доля энергии падающего луча отразилась, а какая поглотилась.

Альбедо

Альбедо - коэффициент, который показывает, какая доля энергии падающего луча отражается от поверхности, (от латинского albedo - «белизна») - характеристика диффузной отражательной способности поверхности.

Или иначе - это доля, выраженная в процентах отраженной радиации энергии от поступающей на поверхность.

Чем ближе альбедо к ста, тем больше энергия отражается от поверхности. Несложно догадаться, что коэффициент альбедо зависит от цвета поверхности, в частности, от белой поверхности энергия будет значительно лучше отражаться, чем от черной.

Самое большое альбедо для веществ у снега. Оно составляет порядка 70-90 %, в зависимости от его новизны и сорта. Именно поэтому снег медленно тает, пока он свежий, а точнее белый. Значения альбедо для других веществ, поверхностей указаны на рисунке 7.

Рис. 7. Значение альбедо для некоторых поверхностей

Очень важным примером применения закона отражения света являются плоские зеркала - плоская поверхность, которая зеркально отражает свет. Такие зеркала есть у вас в доме.

Разберемся, как строить изображение предметов в плоском зеркале (рис. 8.).

Рис. 8. Построение изображения предмета в плоском зеркале

Точечный источник света, испускающий лучи в разные направления, возьмем два близких луча, падающих на плоское зеркало. Отраженные лучи пойдут так, будто они исходят из точки , которая симметрична точке относительно плоскости зеркала. Самое интересное начнется, когда отраженные лучи попадут нам в глаз: наш мозг сам достраивает расходящийся пучок, продолжая его за зеркало до точки

Нам кажется, что отраженные лучи исходят из точки .

Эта точка и служит изображением источника света . Конечно же, в реальности за зеркалом ничего не светится, это всего лишь иллюзия, поэтому эту точку называют мнимым изображением.

От расположения источника и размеров зеркала зависит область видения - область пространства, из которой видно изображение источника. Область видения задается краями зеркала и .

Например, в зеркало в ванной можно смотреться под определенным углом, если отойти от него вбок, то вы себя или предмет, который хотите рассмотреть, не увидите.

Для того чтобы построить изображение произвольного предмета в плоском зеркале, необходимо построить изображение каждой его точки. Но если мы знаем, что изображение точки симметрично относительно плоскости зеркала, то и изображение предмета будет симметричным относительно плоскости зеркала (рис. 9.)

Выпуск 2

Во второй серии передачи «Академия занимательных наук. Физика» профессор Кварк расскажет ребятам о физике зеркала. Оказывается, зеркало обладает многими интересными особенностями, а при помощи физики можно разгадать, почему так происходит. Почему зеркало отражает всё наоборот? Почему предметы в зеркале кажется дальше, чем они есть? Как сделать так, чтобы зеркало отражало предметы правильно? Ответы на эти и многие другие вопросы вы узнаете, посмотрев видеоурок, посвящённый физике зеркала.

Физика зеркала

Зеркало — гладкая поверхность, предназначенная для отражения света. Изобретение настоящего стеклянного зеркала следует отнести к 1279 году, когда францисканец Джон Пекам описал способ покрывать стекло тонким слоем свинца. Физика зеркала не так уж сложна. Ход лучей, отражённых от зеркала прост, если применять законы геометрической оптики. Луч света падает на зеркальную поверхность под углом альфа к нормали (перпендикуляру), проведённой к точке падения луча на зеркало. Угол луча отражённого будет равен тому же значению-альфа. Луч, падающий на зеркало под прямым углом к плоскости зеркала, отразится сам в себя. Для простейшего — плоского — зеркала изображение будет расположено за зеркалом симметрично предмету относительно плоскости зеркала, оно будет мнимым, прямым и такого же размера, как сам предмет. Это нетрудно установить, пользуясь законом отражения света. Отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения). Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол отражения равен углу падения» не указывает точное направление отражения луча. Физика зеркала позволяет проделывать разные интересные фокусы, основанные на оптических иллюзиях. Некоторые из этих фокусов Даниил Эдисонович Кварк продемонстрирует телезрителям в своей лаборатории.