Отражение света. A
Одно из основных положений геометрической оптики гласит, что световые лучи – есть полупрямые исходящие из точки своего распространения – так называемого источника света. Физическая природа света в этом определении не обсуждается, а дается лишь некая математическая картина. При этом оговаривается, что луч света не меняет своего направления, если характеристики среды, в которой свет распространяется, остаются низменными. Что же произойдет, если эти свойства изменятся? Например, изменятся скачкообразно, что случается на границе пересечения двух сред?
Непосредственные наблюдения показывают, что часть световых лучей меняет свое направление так, словно они отражаются от границы. Можно провести аналогию с бильярдным шаром: столкнувшись со стенкой бильярдного стола, шар от нее отражается. Потом шар снова движется по прямой линии, до очередного столкновения. То же происходит и с лучами света, что дало повод ученым средневековья рассуждать о корпускулярной природе света. Корпускулярной модели света придерживался, например, Ньютон. Данное явление получило название «отражение света». На рисунке ниже оно показано схематически:
С отражением света мы сталкиваемся повсеместно. Красивые картины на поверхности водяной глади образуются именно благодаря отражению лучей света от водной поверхности:
Но самое главное: не будь в природе этого явления – мы бы вообще ничего не увидели, а не только этих высокохудожественных планов. Ведь видим мы не предметы, а лучи света отраженные от этих предметов и направленные на сетчатку нашего глаза.
Закон отражения света
Физикам мало знать о существовании того или иного явления природы – его нужно описать точно, то есть на языке математики. Как конкретно отражается световой луч от поверхности? Поскольку и до, и после отражения свет распространяется по прямой линии, то для точного описания этого явления нам достаточно знать соотношение между углом падения и углом отражения. Такое соотношение существует: «Угол падения равен углу отражения».
Если свет падает на очень гладкую поверхность, наподобие поверхности воды или на поверхность зеркала, то все падающие под одним и тем же углом лучи, отражаются от поверхности в одном и том же направлении – под углом, равным углу падения. Поэтому зеркало так точно передает форму отражающихся в нем предметов. Если же поверхность шероховата, то (как на первом рисунке) то такой закономерности не наблюдается – тогда говорят о диффузном отражении.
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)
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
Основные оптические законы были установлены очень давно. Уже в первые периоды оптических исследований экспериментально были открыты четыре основных закона относящихся к оптическим явлениям:
- закон прямолинейного распространения света;
- закон независимости пучков света;
- закон отражения света от зеркальной поверхности;
- закон преломление света на границе двух прозрачных веществ.
Закон отражения упоминается в сочинениях Евклида.
Открытие закона отражения связывают с применением полированных металлических поверхностей (зеркал), которые были известны в древние времена.
Формулировка закона отражения света
Падающий луч света, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух прозрачных сред лежат в одной плоскости (рис.1). При этом угол падения () и угол отражения () равны:
Явление полного отражения света
В том случае, если световая волна распространяется из вещества с большим показателем преломления в среде с меньшим показателем преломления, то угол преломления () будет больше, чем угол падения.
При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления. Это происходит до тех пор, пока при некотором угле падения, который называют предельным (), угол преломления не станет равен 900. Если угол падения больше предельного угла (), то весь падающий свет отражается от границы раздела, явления преломления не происходит. Такое явление называют полным отражением. Угол падения, при котором происходит полное отражение, определено условием:
где — предельный угол полного отражения, — относительный показатель преломления вещества, в котором распространяется преломленный свет, относительно среды, в которой распространялась падающая волна света:
где — абсолютный показатель преломления второй среды, — абсолютный показатель преломления первого вещества; — фазовая скорость распространения света в первой среде; — фазовая скорость распространения света вовтором веществе.
Границы применения закона отражения
Если поверхность границы раздела веществ является не плоской, то ее можно разбить на маленькие площадки, которые в отдельности можно считать плоскими. Тогда ход лучей можно искать по законам преломления и отражения. Однако, кривизна поверхности не должна превышать некоторого предела, после которого наступает дифракция.
Шероховатые поверхности приводят к рассеянному (диффузному) отражению света. Абсолютно зеркальная поверхность становится невидимой. Видны только отраженные от нее лучи.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Два плоских зеркала составляют двугранный угол (рис.2). Падающий луч распространяется в плоскости, которая перпендикулярна ребру двугранного угла. Он отражается от первого, затем второго зеркал. Каким будет угол (),на который отклоняется луч в результате двух отражений?
|
| Решение | Рассмотрим треугольник ABD. Видим, что:
Из рассмотрения треугольника ABCследует то, что: Из полученных формул (1.1) и (1.2) имеем: |
| Ответ |
ПРИМЕР 2
| Задание | Каким должен быть угол падения, при котором отраженный луч составляет угол 900 относительно преломленного луча?Абсолютные показатели преломления веществ равны: и . |
| Решение | Сделаем рисунок. |
Некоторые законы физики трудно представить без использования наглядных пособий. Это не касается привычного всем света, попадающего на различные объекты. Так на границе, разделяющей две среды, происходит смена направления световых лучей в том случае, если эта граница намного превышает При света возникает, когда часть его энергии возвращается в первую среду. Если часть лучей проникает в другую среду, то происходит их преломление. В физике энергии, попадающий на границу двух различных сред, называется падающим, а тот, что от нее возвращается в первую среду, - отраженным. Именно взаимное расположение данных лучей определяет законы отражения и преломления света.
Термины
Угол между падающим лучом и перпендикулярной линией к границе раздела двух сред, восстановленной к точке падения потока световой энергии, называется Существует еще один важный показатель. Это угол отражения. Он возникает между отраженным лучом и перпендикулярной линией, восстановленной к точке его падения. Свет может распространяться прямолинейно исключительно в однородной среде. Разные среды по-разному поглощают и отражают излучение света. Коэффициентом отражения называют величину, характеризующую отражательную способность вещества. Он показывает, сколько принесенной световым излучением на поверхность среды энергии составит та, которая унесется от нее отраженным излучением. Данный коэффициент зависит от целого множества факторов, одними из самых важных являются угол падения и состав излучения. Полное отражение света происходит тогда, когда он падает на предметы или вещества с отражающей поверхностью. Так, например, это случается при попадании лучей на тонкую пленку серебра и жидкой ртути, нанесенных на стекло. Полное отражение света на практике встречается довольно часто.
Законы
Законы отражения и преломления света были сформулированы Евклидом еще в ІІІ в. до н. э. Все они были установлены экспериментально и легко подтверждаются чисто геометрическим принципом Гюйгенса. Согласно ему любая точка среды, до которой доходит возмущение, представляет собой источник вторичных волн.
Первый света: падающий и отражающий луч, а также перпендикулярная линия к границе раздела сред, восстановленная в точке падения светового луча, расположены в одной плоскости. На отражательную поверхность падает плоская волна, волновые поверхности которой являются полосками.
Другой закон гласит о том, что угол отражения света равен углу падения. Это происходит потому, что они имеют взаимно перпендикулярные стороны. Исходя из принципов равенства треугольников, следует, что угол падения равен углу отражения. Можно легко доказать, что они лежат в одной плоскости с перпендикулярной линией, восстановленной к границе раздела сред в точке падения луча. Эти важнейшие законы справедливы и для обратного хода света. Вследствие обратимости энергии луч, распространяющийся по пути отраженного, будет отражаться по пути падающего.
Свойства отражающих тел
Подавляющее большинство объектов только отражают падающее на них световое излучение. При этом они не являются источником света. Хорошо освещенные тела отлично видны с любых сторон, поскольку излучение от их поверхности отражается и рассеивается в разных направлениях. Это явление называются диффузным (рассеянным) отражением. Оно происходит при попадании света на любые шероховатые поверхности. Для определения пути отраженного от тела луча в точке его падения проводится плоскость, касающаяся поверхности. Затем по отношению к ней строят углы падения лучей и отражения.
Диффузное отражение
Только благодаря существованию рассеянного (диффузного) отражения световой энергии мы различаем предметы, не способные испускать свет. Любое тело будет абсолютно невидимым для нас, если рассеивание лучей будет равно нулю.
Диффузное отражение световой энергии не вызывает у человека неприятных ощущений в глазах. Это происходит от того, что не весь свет возвращается в первоначальную среду. Так от снега отражается около 85% излучения, от белой бумаги - 75%, ну а от велюра черного цвета - всего 0,5%. При отражении света от различных шероховатых поверхностей лучи направляются хаотично по отношению друг к другу. В зависимости от того, в какой степени поверхности отражают световые лучи, их называют матовыми или зеркальными. Но все-таки эти понятия являются относительными. Одни и те же поверхности могут быть зеркальными и матовыми при различной длине волны падающего света. Поверхность, которая равномерно рассеивает лучи в разные стороны, считается абсолютно матовой. Хотя в природе таких объектов практически нет, к ним очень близки неглазурованный фарфор, снег, чертежная бумага.
Зеркальное отражение
Зеркальное отражение лучей света отличается от других видов тем, что при падении пучков энергии на гладкую поверхность под определенным углом они отражаются в одном направлении. Это явление знакомо всем, кто когда-то пользовался зеркалом под лучами света. В этом случае оно является отражающей поверхностью. К этому разряду относятся и другие тела. К зеркальным (отражающим) поверхностям можно отнести все оптически гладкие объекты, если размеры неоднородностей и неровностей на них составляют меньше 1 мкм (не превышают величину длины волны света). Для всех таких поверхностей действительны законы отражения света.
Отражение света от разных зеркальных поверхностей
В технике нередко используются зеркала с изогнутой отражающей поверхностью (сферические зеркала). Такие объекты представляют собой тела, имеющие форму сферического сегмента. Параллельность лучей в случае отражения света от таких поверхностей сильно нарушается. При этом существует два вида таких зеркал:
Вогнутые - отражают свет от внутренней поверхности сегмента сферы, их называют собирающими, поскольку параллельные лучи света после отражения от них собираются в одной точке;
Выпуклые - отражают свет от наружной поверхности, при этом параллельные лучи рассеиваются в стороны, именно поэтому выпуклые зеркала называют рассеивающими.
Варианты отражения световых лучей
Луч, падающий практически параллельно поверхности, только немного касается ее, а далее отражается под сильно тупым углом. Затем он продолжает путь по очень низкой траектории, максимально расположенной к поверхности. Луч, падающий практически отвесно, отражается под острым углом. При этом направление уже отраженного луча будет близко к пути падающего луча, что полностью соответствует физическим законам.
Преломление света
Отражение тесно связано с иными явлениями геометрической оптики, такими как преломление и полное внутреннее отражение. Зачастую свет проходит через границу между двумя средами. Преломлением света называют изменение направления оптического излучения. Оно происходит при прохождении его из одной среды в другую. Преломление света имеет две закономерности:
Луч, прошедший через границу между средами, расположен в плоскости, которая проходит через перпендикуляр к поверхности и падающий луч;
Угол падения и преломления связаны.
Преломление всегда сопровождается отражением света. Сумма энергий отраженного и преломленного пучков лучей равна энергии падающего луча. Их относительная интенсивность зависит от в падающем пучке и угла падения. На законах преломления света основывается устройство многих оптических приборов.
