Большинство окружающих вас объектов: дома, деревья, ваши одноклассники и т. д. — не являются источниками света. Но вы их видите. Ответ на вопрос «Почему так?» вы найдете в этом параграфе.

Рис. 11.1. При отсутствии источника света невозможно ничего увидеть. Если есть источник света, мы видим не только сам источник, но и предметы, которые отражают свет, идущий от источника

Выясняем, почему мы видим тела, не являющиеся источниками света

Вы уже знаете, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

А что происходит, если на пути пучка света находится какое-то тело? Часть света может пройти сквозь тело, если оно прозрачное, часть поглотится, а часть обязательно отразится от тела. Некоторые отраженные лучи попадут нам в глаза, и мы увидим это тело (рис. 11.1).

Устанавливаем законы отражения света

Чтобы установить законы отражения света, воспользуемся специальным прибором — оптической шайбой*. В центре шайбы закрепим зеркало и направим на него узкий пучок света так, чтобы он давал на поверхности шайбы светлую полосу. Видим, что пучок света, отраженный от зеркала, тоже дает светлую полосу на поверхности шайбы (см. рис. 11.2).

Направление падающего пучка света зададим лучом СО (рис. 11.2). Этот луч называют падающим лучом. Направление отраженного пучка света зададим лучом OK. Этот луч называют отраженным, лучом.

Из точки O падения луча проведем перпендикуляр OB к поверхности зеркала. Обратим внимание на то, что падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости, — в плоскости поверхности шайбы.

Угол α между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным из точки падения, называют углом падения; угол β между отраженным лучом и данным перпендикуляром называют углом отражения.

Измерив углы α и β, можно убедиться, что они равны.

Если перемещать источник света по краю диска, угол падения светового пучка будет изменяться и соответственно будет изменяться угол отражения, причем каждый раз угол падения и угол отражения света будут равны (рис. 11.3). Итак, мы установили законы отражения света:

Рис. 11.3. С изменением угла падения света изменяется и угол отражения. Угол отражения всегда равен углу падения

Рис. 11.5. Демонстрация обратимости световых лучей: отраженный луч идет по пути падающего луча

рис. 11.6. Подходя к зеркалу, мы видим в нем своего «двойника». Конечно, никакого «двойника» там нет — мы видим в зеркале свое отражение

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения, проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения равен углу падения: β = α.

Законы отражения света установил древнегреческий ученый Евклид еще в III в. до н. э.

В каком направлении следует повернуть зеркало профессору, чтобы «солнечный зайчик» попал на мальчика (рис. 11.4)?

С помощью зеркала на оптической шайбе можно продемонстрировать также обратимость световых лучей: если падающий луч направить по пути отраженного, то отраженный луч пойдет по пути падающего (рис. 11.5).

Изучаем изображение в плоском зеркале

Рассмотрим, как создается изображение в плоском зеркале (рис. 11.6).

Пусть из точечного источника света S на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из этого пучка выделим лучи SA, SB и SC. Используя законы отражения света, построим отраженные лучи ЛЛ Ъ BB 1 и CC 1 (рис. 11.7, а). Эти лучи пойдут расходящимся пучком. Если продлить их в противоположном направлении (за зеркало), все они пересекутся в одной точке — S 1 , расположенной за зеркалом.

Если часть отраженных от зеркала лучей попадет в ваш глаз, вам будет казаться, что отраженные лучи выходят из точки S 1 , хотя в действительности никакого источника света в точке S 1 нет. Поэтому точку S 1 называют мнимым изображением точки S. Плоское зеркало всегда дает мнимое изображение.

Выясним, как расположены предмет и его изображение относительно зеркала. Для этого обратимся к геометрии. Рассмотрим, например, луч SC, который падает на зеркало и отражается от него (рис. 11.7, б).

Из рисунка видим, что Δ SOC = Δ S 1 OC — прямоугольные треугольники, имеющие общую сторону CO и равные острые углы (так как по закону отражения света α = β). Из равенства треугольников имеем, что SO = S 1 O, то есть точка S и ее изображение S 1 симметричны относительно поверхности плоского зеркала.

То же можно сказать и об изображении протяженного предмета: предмет и его изображение симметричны относительно поверхности плоского зеркала.

Итак, нами установлены общие характеристики изображений в плоских зеркалах.

1. Плоское зеркало дает мнимое изображение предмета.

2. Изображение предмета в плоском зеркале и собственно предмет симметричны относительно поверхности зеркала, и это означает:

1) изображение предмета равно по размеру самому предмету;

2) изображение предмета расположено на том же расстоянии от поверхности зеркала, что и сам предмет;

3) отрезок, соединяющий точку на предмете и соответствующую ей точку на изображении, перпендикулярен поверхности зеркала.

Различаем зеркальное и рассеянное отражение света

Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое изображение в оконном стекле. Но изображение исчезает, если задернуть шторы: на ткани мы своего изображения не увидим. А почему? Ответ на этот вопрос связан по меньшей мере с двумя физическими явлениями.

Первое такое физическое явление — отражение света. Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от поверхности зеркально: после зеркального отражения света, идущего от точечного источника S, продолжения отраженных лучей пересекутся в одной точке S 1 , которая и будет изображением точки S (рис. 11.8, а). Такое отражение возможно только от очень гладких поверхностей. Их так и называют — зеркальные поверхности. Кроме обычного зеркала примерами зеркальных поверхностей являются стекло, полированная мебель, спокойная гладь воды и т. п. (рис. 11.8, б, в).

Если свет отражается от шероховатой поверхности, такое отражение называют рассеянным (диффузным) (рис. 11.9). В этом случае отраженные лучи распространяются в разных направлениях (именно поэтому мы видим освещенный предмет с любой стороны). Понятно, что поверхностей, рассеивающих свет, намного больше, чем зеркальных.

Посмотрите вокруг и назовите не менее десяти поверхностей, отражающих свет рассеянно.

Рис. 11.8. Зеркальное отражение света — это отражение света от гладкой поверхности

Рис. 11.9. Рассеянное (диффузное) отражение света — это отражение света от шероховатой поверхности

Второе физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение, — это поглощение света. Ведь свет не только отражается от физических тел, но и поглощается ими. Лучшие отражатели света — зеркала: они могут отражать до 95 % падающего света. Хорошими отражателями света являются тела белого цвета, а вот черная поверхность поглощает практически весь свет, падающий на нее.

Когда осенью выпадает снег, ночи становятся намного светлее. Почему? Учимся решать задачи

Задача. На рис. 1 схематически изображены предмет ВС и зеркало NM. Найдите графически участок, из которого изображение предмета ВС видно полностью.

Анализ физической проблемы. Чтобы видеть изображение некоторой точки предмета в зеркале, необходимо, чтобы в глаз наблюдателя отразилась хотя бы часть лучей, падающих из этой точки на зеркало. Понятно, что если в глаз отразятся лучи, исходящие из крайних точек предмета, то в глаз отразятся и лучи, исходящие из всех точек предмета.

Решение, анализ результатов

1. Построим точку B 1 — изображение точки В в плоском зеркале (рис. 2, а). Область, ограниченная поверхностью зеркала и лучами, отраженными от крайних точек зеркала, и будет той областью, из которой видно изображение B 1 точки В в зеркале.

2. Аналогично построив изображение С 1 точки С, определим область ее видения в зеркале (рис. 2, б).

3. Видеть изображение всего предмета наблюдатель может только в том случае, если в его глаз попадают лучи, которые дают оба изображения — B 1 и С 1 (рис. 2, в). Значит, участок, выделенный на рис. 2, в оранжевым, и есть тот участок, из которого изображение предмета видно полностью.

Проанализируйте полученный результат, еще раз рассмотрите рис. 2 к задаче и предложите более простой способ найти область видения предмета в плоском зеркале. Проверьте свои предположения, построив область видения нескольких предметов двумя способами.

Подводим итоги

Все видимые тела отражают свет. При отражении света выполняются два закона отражения света: 1) луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения, проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости; 2) угол отражения равен углу падения.

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, равное по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и сам предмет.

Различают зеркальное и рассеянное отражения света. В случае зеркального отражения мы можем видеть мнимое изображение предмета в отражающей поверхности; в случае рассеянного отражения изображение не возникает.

Контрольные вопросы

1. Почему мы видим окружающие тела? 2. Какой угол называют углом падения? углом отражения? 3. Сформулируйте законы отражения света. 4. С помощью какого прибора можно удостовериться в справедливости законов отражения света? 5. В чем состоит свойство обратимости световых лучей? 6. В каком случае изображение называют мнимым? 7. Охарактеризуйте изображение предмета в плоском зеркале. 8. Чем рассеянное отражение света отличается от зеркального?

Упражнение № 11

1. Девочка стоит на расстоянии 1,5 м от плоского зеркала. На каком расстоянии от девочки находится ее отражение? Охарактеризуйте его.

2. Водитель автомобиля, глянув в зеркало заднего вида, увидел пассажира, сидящего на заднем сиденье. Может ли пассажир в этот момент, глядя в то же зеркало, увидеть водителя?

3. Перенесите рис. 1 в тетрадь, для каждого случая постройте падающий (или отраженный) луч. Обозначьте углы падения и отражения.

4. Угол между падающим и отраженным лучами равен 80°. Чему равен угол падения луча?

5. Предмет находился на расстоянии 30 см от плоского зеркала. Затем предмет переместили на 10 см от зеркала в направлении, перпендикулярном поверхности зеркала, и на 15 см — параллельно ей. Каким было расстояние между предметом и его отражением? Каким оно стало?

6. Вы движетесь к зеркальной витрине со скоростью 4 км/ч. С какой скоростью приближается к вам ваше отражение? На сколько сократится расстояние между вами и вашим отражением, когда вы пройдете 2 м?

7. Солнечный луч отражается от поверхности озера. Угол между падающим лучом и горизонтом в два раза больше, чем угол между падающим и отраженным лучами. Чему равен угол падения луча?

8. Девочка смотрит в зеркало, висящее на стене под небольшим углом (рис. 2).

1) Постройте отражение девочки в зеркале.

2) Найдите графически, какую часть своего тела видит девочка; область, из которой девочка видит себя полностью.

3) Какие изменения будут наблюдаться, если зеркало постепенно закрывать непрозрачным экраном?

9. Ночью в свете фар автомобиля лужа на асфальте кажется водителю темным пятном на более светлом фоне дороги. Почему?

10. На рис. 3 показан ход лучей в перископе — устройстве, действие которого основано на прямолинейном распространении света. Объясните, как работает это устройство. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, где его применяют.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Тема. Исследование отражения света с помощью плоского зеркала.

Цель: экспериментально проверить законы отражения света.

оборудование: источник света (свеча или электрическая лампа на подставке), плоское зеркало, экран со щелью, несколько чистых белых листов бумаги, линейка, транспортир, карандаш.

указания к работе

подготовка к эксперименту

1. Перед выполнением работы вспомните: 1) требования безопасности при работе со стеклянными предметами; 2) законы отражения света.

2. Соберите экспериментальную установку (рис. 1). Для этого:

1) установите экран со щелью на белом листе бумаги;

2) перемещая источник света, получите на бумаге полоску света;

3) установите плоское зеркало под некоторым углом к полоске света и перпендикулярно листу бумаги так, чтобы отраженный пучок света тоже давал на бумаге хорошо заметную полоску.

Эксперимент

Строго соблюдайте инструкцию по безопасности (см. форзац учебника).

1. Хорошо заточенным карандашом начертите на бумаге линию вдоль зеркала.

2. Поставьте на листе бумаги три точки: первую — посреди падающего пучка света, вторую — посреди отраженного пучка света, третью — в месте падения светового пучка на зеркало (рис. 2).

3. Повторите описанные действия еще несколько раз (на разных листах бумаги), устанавливая зеркало под разными углами к падающему пучку света.

4. Изменив угол между зеркалом и листом бумаги, убедитесь, что в этом случае вы не увидите отраженного пучка света.

Обработка результатов эксперимента

Для каждого опыта:

1) постройте луч, падающий на зеркало, и отраженный луч;

2) через точку падения луча проведите перпендикуляр к линии, проведенной вдоль зеркала;

3) обозначьте и измерьте угол падения (α) и угол отражения (β) света. Результаты измерений занесите в таблицу.

Анализ эксперимента и его результатов

Проанализируйте эксперимент и его результаты. Сделайте вывод, в котором укажите: 1) какое соотношение между углом падения светового луча и углом его отражения вы установили; 2) оказались ли результаты опытов абсолютно точными, а если нет, то в чем причины погрешности.

творческое задание

Используя рис. 3, продумайте и запишите план проведения эксперимента по определению высоты комнаты с помощью плоского зеркала; укажите необходимое оборудование.

По возможности проведите эксперимент.

Задание «со звездочкой»

На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается , а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется . Луч АО носит название падающий луч , а луч OD – отраженный луч (см. рис. 1.3). Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света .

Рис. 1.3. Отражение и преломление света.

Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения .

Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения .

Каждая среда в определённой степени (то есть по своему) отражает и поглощает световое излучение. Величина, которая характеризует отражательную способность поверхности вещества, называется коэффициент отражения . Коэффициент отражения показывает, какую часть принесённой излучением на поверхность тела энергии составляет энергия, унесённая от этой поверхности отражённым излучением. Этот коэффициент зависит от многих причин, например, от состава излучения и от угла падения. Свет полностью отражается от тонкой плёнки серебра или жидкой ртути, нанесённой на лист стекла.

Законы отражения света

Законы отражения света были найдены экспериментально ещё в 3 веке до нашей эры древнегреческим учёным Евклидом. Также эти законы могут быть получены как следствие принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Волновая поверхность (фронт волны) в следующий момент представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным волнам. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим.

На гладкую отражательную поверхность КМ (рис. 1.4) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.

Рис. 1.4. Построение Гюйгенса.

А 1 А и В 1 В – лучи падающей волны, АС – волновая поверхность этой волны (или фронт волны).

Пока фронт волны из точки С переместится за время t в точку В, из точки А распространится вторичная волна по полусфере на расстояние AD = CB, так как AD = vt и CB = vt, где v – скорость распространения волны.

Волновая поверхность отражённой волны – это прямая BD, касательная к полусферам. Дальше волновая поверхность будет двигаться параллельно самой себе по направлению отражённых лучей АА 2 и ВВ 2 .

Прямоугольные треугольники ΔАСВ и ΔADB имеют общую гипотенузу АВ и равные катеты AD = CB. Следовательно, они равны.

Углы САВ = = α и DBA = = γ равны, потому что это углы со взаимно перпендикулярными сторонами. А из равенства треугольников следует, что α = γ .

Из построения Гюйгенса также следует, что падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности, восстановленным в точке падения луча.

Законы отражения справедливы при обратном направлении хода световых лучей. В следствие обратимости хода световых лучей имеем, что луч, распространяющийся по пути отражённого, отражается по пути падающего.

Большинство тел лишь отражают падающее на них излучение, не являясь при этом источником света. Освещённые предметы видны со всех сторон, так как от их поверхности свет отражается в разных направлениях, рассеиваясь. Это явление называется диффузное отражение или рассеянное отражение . Диффузное отражение света (рис. 1.5) происходит от всех шероховатых поверхностей. Для определения хода отражённого луча такой поверхности в точке падения луча проводится плоскость, касательная к поверхности, и по отношению к этой плоскости строятся углы падения и отражения.

Рис. 1.5. Диффузное отражение света.

Например, 85% белого света отражается от поверхности снега, 75% — от белой бумаги, 0,5% — от чёрного бархата. Диффузное отражение света не вызывает неприятных ощущений в глазу человека, в отличие от зеркального.

– это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 1.6). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркало (или зеркальная поверхность ). Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм). Для таких поверхностей выполняется закон отражения света.

Рис. 1.6. Зеркальное отражение света.

Плоское зеркало – это зеркало, отражающая поверхность которого представляет собой плоскость. Плоское зеркало даёт возможность видеть предметы, находящиеся перед ним, причём эти предметы кажутся расположенными за зеркальной плоскостью. В геометрической оптике каждая точка источника света S считается центром расходящегося пучка лучей (рис. 1.7). Такой пучок лучей называется гомоцентрическим . Изображением точки S в оптическом устройстве называется центр S’ гомоцентрического отражённого и преломлённого пучка лучей в различных средах. Если свет, рассеянный поверхностями различных тел, попадает на плоское зеркало, а затем, отражаясь от него, падает в глаз наблюдателя, то в зеркале видны изображения этих тел.

Рис. 1.7. Изображение, возникающее с помощью плоского зеркала.

Изображение S’ называется действительным, если в точке S’ пересекаются сами отражённые (преломлённые) лучи пучка. Изображение S’ называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые (преломлённые) лучи, а их продолжения. Световая энергия в эту точку не поступает. На рис. 1.7 представлено изображение светящейся точки S, возникающее с помощью плоского зеркала.

Луч SO падает на зеркало КМ под углом 0°, следовательно, угол отражения равен 0°, и данный луч после отражения идёт по пути OS. Из всего множества попадающих из точки S лучей на плоское зеркало выделим луч SO 1 .

Луч SO 1 падает на зеркало под углом α и отражается под углом γ (α = γ ). Если продолжить отражённые лучи за зеркало, то они сойдутся в точке S 1 , которая является мнимым изображением точки S в плоском зеркале. Таким образом, человеку кажется, что лучи выходят из точки S 1 , хотя на самом деле лучей, выходящих их этой точки и попадающих в глаз, не существует. Изображение точки S 1 расположено симметрично самой светящейся точке S относительно зеркала КМ. Докажем это.

Луч SB, падающий на зеркало под углом 2 (рис. 1.8), согласно закону отражения света отражается под углом 1 = 2.

Рис. 1.8. Отражение от плоского зеркала.

Из рис. 1.8 видно, что углы 1 и 5 равны – как вертикальные. Суммы углов 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Следовательно, углы 3 = 4 и 2 = 5.

Прямоугольные треугольники ΔSOB и ΔS 1 OB имеют общий катет ОВ и равные острые углы 3 и 4, следовательно, эти треугольники равны по стороне и двум прилежащим к катету углам. Это означает, что SO = OS 1 , то есть точка S 1 расположена симметрично точке S относительно зеркала.

Для того чтобы найти изображение предмета АВ в плоском зеркале, достаточно опустить перпендикуляры из крайних точек предмета на зеркало и, продолжив их за пределы зеркала, отложить за ним расстояние, равное расстоянию от зеркала до крайней точки предмета (рис. 1.9). Это изображение будет мнимым и в натуральную величину. Размеры и взаимное расположение предметов сохраняются, но при этом в зеркале левая и правая стороны у изображения меняются местами по сравнению с самим предметом. Параллельность падающих на плоское зеркало световых лучей после отражения также не нарушается.

Рис. 1.9. Изображение предмета в плоском зеркале.

В технике часто применяют зеркала со сложной кривой отражающей поверхностью, например, сферические зеркала. Сферическое зеркало – это поверхность тела, имеющая форму сферического сегмента и зеркально отражающая свет. Параллельность лучей при отражении от таких поверхностей нарушается. Зеркало называют вогнутым , если лучи отражаются от внутренней поверхности сферического сегмента. Параллельные световые лучи после отражения от такой поверхности собираются в одну точку, поэтому вогнутое зеркало называют собирающим . Если лучи отражаются от наружной поверхности зеркала, то оно будет выпуклым . Параллельные световые лучи рассеиваются в разные стороны, поэтому выпуклое зеркало называют рассеивающим .

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 является важной составляющей нашей жизни. Без него невозможна жизнь на нашей планете. При этом многие явления, которые связаны со светом, сегодня активно используются в разнообразных сферах человеческой деятельности, начиная от производства электротехнических приборов до космических аппаратов. Одним из основополагающих явлений в физике является отражение света.

Отражение света

Закон отражения света изучается еще в школе. Что следует знать о нем, а также много еще полезной информации сможет рассказать вам наша статья.

Основы знаний о свете

Как правило, физические аксиомы являются одними из наиболее понятных, поскольку они имеют наглядное проявление, которые можно легко пронаблюдать в домашних условиях. Закон отражения света подразумевает ситуацию, когда у световых лучей происходит смена направления при столкновении с различными поверхностями.

Обратите внимание! Граница преломления значительно увеличивает такой параметр, как длина волны.

В ходе преломления лучей часть их энергии возвратятся обратно в первичную среду. При проникновении части лучей в иную среду наблюдается их преломление.
Чтобы разбираться во всех этих физических явлениях, необходимо знать соответствующую терминологию:

• поток световой энергии в физике определяется как падающий при попадании на границу раздела двух веществ;
• часть энергии света, которая в данной ситуации возвращается в первичную среду, называется отраженной;

Обратите внимание! Существует несколько формулировок правила отражения. Как вы его не сформулируйте, но он все равно будет описывать взаимное расположение отраженных и падающих лучей.

• угол падения. Здесь подразумевается угол, который формируется между перпендикулярной линией границы сред и падающим на нее светом. Он определяется в точке падения луча;

Углы луча

• угол отражения. Он формируется между отраженным лучом и перпендикулярной линией, которая была восстановлена в точке его падения.

Кроме этого необходимо знать, что свет может распространяться в однородной среде исключительно прямолинейно.

Обратите внимание! Различные среды могут по-разному отражать и поглощать излучение света.

Отсюда выходит коэффициент отражения. Это величина, которая характеризует отражательную способность предметов и веществ. Он означает, сколько излучения принесенного световым потоком на поверхность среды составит та энергия, которая будет отражена от нее. Данный коэффициент зависит от целого ряда факторов, среди которых наибольшее значение имеют состав излучения и угол падения.
Полное отражение светового потока наблюдается тогда, когда луч падает на вещества и предметы, обладающие отражающей поверхностью. К примеру, отражение луча можно наблюдать при попадании его на стекло, жидкую ртуть или серебро.

Небольшой исторический экскурс

Законы преломления и отражения света были сформированы и систематизированы еще в ІІІ в. до н. э. Их разработал Евклид.

Все законы (преломления и отражения), которые касаются данного физического явления, были установлены экспериментальным путем и легко могут подтвердиться геометрическим принципом Гюйгенса. По этому принципу любая точка среды, до которой может дойти возмущение, выступает в роли источника вторичных волн.
Рассмотрим существующие на сегодняшний день законы более детально.

Законы – основа всего

Закон отражения светового потока определяется как физическое явление, в ходе которого свет, направляющийся из одной среды в другую, на их разделе будет частично возвращен обратно.

Отражение света на границе раздела

Зрительный анализатор человека наблюдает свет в момент, когда луч, идущий от своего источника, попадает в глазное яблоко. В ситуации, когда тело не выступает в роли источника, зрительный анализатор может воспринимать лучи от иного источника, которые отражаются от тела. При этом световое излучение, падающее на поверхность объекта, может изменить направление своего дальнейшего распространения. В результате этого тело, которое отражает свет, будет выступать в роли его источника. При отражении часть потока будет возвращаться в первую среду, из которой он первоначально направлялся. Здесь тело, которое отразит его, станет источником уже отраженного потока.
Существует несколько законов для данного физического явления:

• первый закон гласит: отражающий и падающий луч, вместе с перпендикулярной линией, возникающей на границе раздела сред, а также в восстановленной точке падения светового потока, должны располагаться в одной плоскости;

Обратите внимание! Здесь подразумевается, что на отражательную поверхность предмета или вещества падает плоская волна. Ее волновые поверхности являются полосками.

Первый и второй закон

• второй закон. Его формулировка имеет следующий вид: угол отражения светового потока будет равен углу падения. Это связано с тем, что они обладают взаимно перпендикулярными сторонами. Беря во внимание принципы равенства треугольников, становится понятным, откуда берется это равенство. Используя данные принципы можно легко доказать то, что эти углы находятся в одной плоскости с проведенной перпендикулярной линией, которая была восстановлена на границе разделения двух веществ в точке падения светового луча.

Эти два закона в оптической физике являются основными. При этом они справедливы и для луча, имеющего обратный ход. В результате обратимости энергии луча, поток, распространяющийся по пути ранее отраженного, будет отражаться аналогично пути падающего.

Закон отражения на практике

Проверить исполнение данного закона можно на практике. Для этого необходимо направить тонкий луч на любую отражающую поверхность. В этих целях отлично подойдет лазерная указка и обычное зеркало.

Действие закона на практике

Направляем лазерную указку на зеркало. В результате этого лазерный луч отразится от зеркала и распространится дальше в заданном направлении. При этом углы падающего и отраженного луча будут равны даже при обычном взгляде на них.

Обратите внимание! Свет от таких поверхностей будет отражаться под тупым углом и дальше распространяться по низкой траектории, которая расположена достаточно близко к поверхности. А вот луч, который будет падать практически отвесно, отразится под острым углом. При этом его дальнейший путь будет практически аналогичным падающему.

Как видим, ключевым моментом данного правила является тот факт, что углы необходимо отчитывать от перпендикуляра к поверхности в месте падения светового потока.

Обратите внимание! Этому закону подчиняется не только свет, но и любые виды электромагнитных волн (СВЧ, радио-, рентгеновские волны и т.п).

Особенности диффузного отражения

Многие предметы могут только отражать падающее на их поверхность световое излучение. Отлично освещенные объекты хорошо видны с разных сторон, так как их поверхность отражает и рассеивает свет в разных направлениях.

Диффузное отражение

Такое явление называется рассеянным (диффузным) отражением. Это явление образуется при попадании излучения на различные шероховатые поверхности. Благодаря ему мы имеем возможность различать объекты, которые не имеют способности испускать свет. Если рассеивание светового излучения будет равно нулю, то мы не сможем увидеть эти предметы.

Обратите внимание! Диффузное отражение не вызывает у человека дискомфорта.

Отсутствие дискомфорта объясняется тем, что не весь свет, согласно вышеописанному правилу, возвращается в первичную среду. Причем этот параметр у разных поверхностей будет различным:

• у снега – отражается примерно 85% излучения;
• у белой бумаги — 75%;
• у черного цвета и велюра - 0,5%.

Если же отражение идет от шероховатых поверхностей, то свет будет направляться по отношению друг к другу хаотично.

Особенности зеркального отображения

Зеркальное отражение светового излучения отличается от ранее описанных ситуаций. Это связано с тем, что в результате падения потока на гладкую поверхность при определенном угле они будут отражаться в одном направлении.

Зеркальное отражение

Это явление можно легко воспроизвести, используя обычное зеркало. При направлении зеркала на солнечные лучи, оно будет выступать в роли отличной отражающей поверхности.

Обратите внимание! К зеркальным поверхностям можно отнести целый ряд тел. К примеру, в эту группу всходят все гладкие оптические объекты. Но такой параметр, как размеры неровностей и неоднородностей у этих объектов будут составлять менее 1 мкм. Величина длины волны света составляет примерно 1 мкм.

Все такие зеркальные отражающие поверхности подчиняются ранее описанным законам.

Использование закона в технике

На сегодняшний день в технике достаточно часто применяются зеркала или зеркальные объекты, имеющие изогнутую отражающую поверхность. Это так называемые сферические зеркала.
Подобные объекты представляют собой тела, которые имеют форму сферического сегмента. Для таких поверхностей характерно нарушение параллельности лучей.
На данный момент существуют два типа сферических зеркал:

• вогнутые. Они способны отражать световое излучение от внутренней поверхности своего сегмента сферы. При отражении лучи собираются здесь в одной точке. Поэтому их часто еще называют «собирающими»;

Вогнутое зеркало

• выпуклые. Для таких зеркал характерно отражение излучения от наружной поверхности. В ходе этого происходит рассеивание в стороны. По этой причине такие объекты получили название «рассеивающие».

Выпуклое зеркало

При этом существует несколько вариантов поведения лучей:

• паление почти параллельно поверхности. В данной ситуации он лишь немного касается поверхности, а отражается под очень тупым углом. Далее он идет по достаточно низкой траектории;
• при ответном падении, лучи отбиваются под острым углом. При этом, как мы говорили выше, отраженный луч будет следовать по пути очень близкому падающему.

Как видим, закон исполняется во всех случаях.

Заключение

Законы отражения светового излучения очень важны для нас, поскольку они являются основополагающими физическими явлениями. Они нашли обширное применение в различных сферах человеческой деятельности. Изучение основ оптики происходит еще в средней школе, что лишний раз доказывает важность таких базовых знаний.

Как самому сделать ангельские глазки для ваза?

поверхность световой луч (рис. 3.1) (`vecS_1` - вектор, направленный вдоль падающего луча). В точке `O`, где луч упирается в плоскость, построим к плоскости внешнюю нормаль `vecN` (т. е. перпендикуляр) и, наконец, через луч `vecS_1` и нормаль `vecN` проведём плоскость `P`. Эта плоскость называется плоскостью падения . Из какого бы вещества ни состояла выбранная нами поверхность, некоторая часть падающего излучения отразится. В каком направлении пойдёт отражённый луч `vecS_2`?

Было бы странно, если бы он отклонился от плоскости падения, например, вправо или влево: ведь свойства пространства с обеих сторон от этой плоскости одинаковы. К счастью, такого и не происходит.

Острый угол, лежащий между лучом `vecS_1` и внешней нормалью `vecN`, называется углом падения. Обозначим этот угол символом `varphi_1`. Острый угол, образованный отражённым лучом `vecS_2` и нормалью (обозначим его `varphi_2`), называется углом отражения. Многочисленные наблюдения и измерения позволяют нам сформулировать следующий постулат геометрической оптики:

Постулат 3

Падающий луч `vecS_1`, нормаль `vecN` и отражённый луч `vecS_2` всегда лежат в одной плоскости, называемой плоскостью падения. Угол отражения равен углу падения, т. е.

`varphi_2=varphi_1`. (3.1)

Введём ещё одно определение. Угол `delta`, образованный продолжением луча, падающего на плоское зеркало, и лучом, отразившимся от зеркала, будем называть углом отклонения. Угол отклонения всегда меньше или равен `180^@`. Понятие угла отклонения можно трактовать и гораздо шире. В дальнейшем мы так будем называть угол, образованный продолжением луча, входящего в произвольную оптическую систему, и лучом, вышедшим из этой системы.

Определите угол отклонения луча, падающего на плоское зеркало. Угол падения `varphi_1=30^@`.

Угол `alpha`, образованный падающим и отражённым лучами, равен сумме углов падения и отражения, т. е. `alpha=60^@`. Углы `alpha` и `delta` - смежные. Следовательно,

`delta=180^@-60^@=120^@`.

Гладкая поверхность, которая отражает почти всё падающее на неё излучение, называется зеркальной. Напрашивается вопрос: почему «почти всё», а не «всё»? Ответ прост: идеальных зеркал в природе не бывает. Например, зеркала, с которыми вы встречаетесь в быту, отражают до `90%` падающего света, а оставшиеся `10%` частично пропускают, а частично поглощают.

В современных лазерах применяются зеркала, отражающие до `99%` излучения и даже больше (правда, в довольно узкой области спектра, но об этом мы поговорим тогда, когда вы будете учиться в 11 классе). Для изготовления таких зеркал была разработана целая научная теория и организовано специальное производство.

Чистая прозрачная вода тоже отражает часть падающего на её поверхность излучения. При падении света вдоль нормали к поверхности отражается чуть меньше `2%` энергии падающего излучения. С увеличением угла падения доля отражённого излучения возрастает. При угле падения, близком к `90^@` (скользящее падение ), отражается почти все `100%` падающей энергии.

Коснёмся кратко ещё одного вопроса. Не бывает и идеально гладких поверхностей. При достаточно большом увеличении поверхности зеркала на ней можно увидеть микротрещины, сколы, неровности, плоскость которых наклонена относительно плоскости зеркала. Чем больше неровностей, тем более тусклым кажется отражение предметов в зеркале. Поверхность белой писчей бумаги так сильно испещрена микроскопическими неровностями, что практически не даёт никакого зеркального отражения. Говорят, что такая поверхность отражает диффузно , т. е. разные крошечные участки поверхности бумаги отражают свет в разные стороны. Но зато такая поверхность хорошо видна из разных мест. Вообще, большинство объектов отражают свет диффузно. Диффузно отражающие поверхности используют в качестве экранов.

Тем не менее, от бумаги можно получить зеркальное отражение ярких предметов. Для этого нужно смотреть на поверхность бумаги почти вдоль её поверхности. Лучше всего наблюдать отражение светящейся лампочки или Солнца. Проделайте такой эксперимент!

При построении изображения некоторой точки `S` в плоском зеркале необходимо использовать, по крайней мере, два произвольных луча . Методика построения понятна из рис. 3.2. С практической точки зрения один из лучей (на рисунке это луч 1) целесообразно пустить вдоль нормали к плоскости зеркала.

Принято называть изображение предмета, полученное в результате пересечения отражённых лучей, действительным , а изображение, полученное при мысленном пересечении продолжений этих лучей в обратном направлении, - мнимым . Таким образом, `S_1` - мнимое изображение источника `S` в плоском зеркале (рис. 3.2).

Пример 3.1

Лампочка настольной лампы находится на расстоянии `l_1=0,6` м от поверхности стола и `L_2=1,8` м от потолка. Нить накала лампочки можно считать точечным источником света. На столе лежит осколок плоского зеркала в форме треугольника со сторонами `5` см, `6` см и `7` см (рис. 3.3).

1) На каком расстоянииот потолка находится изображение нити накала лампочки, даваемое зеркалом?

2) Найти форму и размеры «зайчика», полученного от осколка зеркала на потолке (МФТИ, 1996).

Выполним рисунок, поясняющий смысл задачи (рис. 3.3). Обратите внимание на два обстоятельства:

а) зеркало находится на столе на некотором произвольном расстоянии от лампы;

б) изображение можно построить с помощью любых лучей, «отражённых» от плоскости, совпадающей с плоскостью зеркала (например, лучей `3^"` и `4^"`). Легко показать, что `SC=CS_1`, т. е. `L_3=L_1`. Следовательно, расстояние

`x=2L_1+L_2=>x=2*0,6+1,8=3` м.

Для определения формы и размера «зайчика» удобно рассмотреть лучи, «исходящие» от изображения `S_1`. Т. к. плоскость зеркала и потолка параллельны, форма «зайчика» будет подобна зеркалу. Найдём коэффициент подобия. Если длина стороны зеркала `h`, а соответствующая ей длина стороны «зайчика» равна `H`, то можно записать пропорцию:

`h/H=L_3/x=(0,6 "м")/(3 "м")=1/5=>H=5h`.

Таким образом, длины сторон «зайчика» равны `25` см, `30` см и `35` см соответственно.

Пример 3.2

В первой комнате на столе стоит цветок `(F)`, а на стене у двери `(D)` висит зеркало `(M)`. В соседней комнате находится Мальвина `(G)` (рис. 3.4). Выберите правильное утверждение.

А. Со своего места Мальвина не может видеть в зеркале мнимое изображение цветка `(F)`.

Б. Со своего места Мальвина может видеть в зеркале своё изображение.

В. Со своего места Мальвина не может видеть в зеркале действительное изображение цветка `(F)`.

Выполним поясняющий рисунок (рис. 3.5). Для этого построим изображение `F^"` цветка. Оно будет мнимым.

Прямая `F^"G` не перекрывается препятствиями, следовательно, Мальвина может видеть мнимое изображение цветка `(F^")`. Таким образом, ответ А не подходит. Свое изображение она видеть не может. Значит, и ответ Б не годится. Так как изображение цветка мнимое, Мальвина не может видеть действительное изображение цветка.

Правильный ответ - В.