Отражение света
Термин “отражение” в физике охватывает все явления взаимодействия тел, частиц или волн с какой-либо поверхностью на границе раздела двух сред, имеющих разные параметры, при этом волны или частицы возвращаются (отражаются) обратно, в “свою” среду. Свет — это электромагнитные колебания определенного диапазона длин волн — видимое оптическое излучение (от фиолетового до красного), которые воспринимает человеческий глаз. Рассмотрим общие закономерности процессов отражения света.
Мы видим предметы за счет отражения света
С явлением отражения света мы сталкиваемся ежедневно. Наше утро начинается с умывания перед зеркалом, в котором мы видим свое отражение. Свет отражается в окнах домов, витринах магазинов, в автомобильных зеркалах и т.д.
Отражаясь от поверхностей предметов, свет попадает в глаз человека, формирует изображение на сетчатке глаза и, тем самым, позволяет нам видеть окружающий мир. В ночное время солнечный свет отсутствует, поэтому разглядеть предметы можно только, если они сами излучают свет (например, фонари, окна домов), либо, если мы сами воспользуемся внешней подсветкой (фонариком, прожектором).
В зависимости от качества границы раздела различают зеркальное и диффузное отражения. Зеркальным называется отражение от очень гладких поверхностей, которые еще называют оптически гладкими, когда величина неровностей поверхности меньше 1 мкм. Лучи света при этом отражаются в одном направлении.
Диффузное отражение света происходит от шероховатых (матовых) поверхностей. Отражение лучей света происходит в разных направлениях. Когда часть поверхности зеркальная, а часть матовая, то в таком случае говорят о смешанном отражении.
Первые попытки сформулировать закономерности отражения света найдены в трактате “Катоптрика” знаменитого древнегреческого математика Эвклида, написанного им примерно в 300 г. до н. э.
Что такое принцип Гюйгенса
Для построения волновой теории распространения световых волн голландский физик Христиан Гюйгенс в 1678 г. предложил взять за основу принцип, состоящий из двух постулатов (утверждений, принимаемых в качестве аксиом):
- Каждая точка среды, до которой дошло возмущение (световая волна), сама становится источником вторичных, сферических волн;
- Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени. Фронт волны — это огибающая фронта вторичных волн.
На представленном рисунке показан фронт световой волны, распространяющийся со скоростью v в два соседних момента времени — t и t+Δt. Точки фронта волны в момент времени t являются источниками вторичной волны в момент времени t+Δt.
Принцип Гюйгенса позволил получить два закона отражения света, которые подтвердились результатами многочисленных экспериментов:
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
Угол отражения β равен углу падения α.
Второй закон устанавливает только соотношение между углом падения и углом отражения. Но часть света может преодолеть границу раздела сред (преломиться) и пройти внутрь второй среды. Количество прошедшего света и величина угла преломления вычисляются с помощью других формул.
Коэффициент отражения
Полное, почти стопроцентное, отражение света возможно только от идеальных зеркальных поверхностей. Часть света преломляется и проходит через границу под углом γ. Например, мы видим предметы и рыб в море за счет того, что свет падает на поверхность воды, преломляется, проходит в толщу воды, отражается и выходит обратно, преломившись еще раз.
Способность тел или границ раздела тел (сред) отражать падающий на него свет характеризуется безразмерной величиной, которая называется коэффициентом отражения R :
$ R=Ф\over Ф_0 $
Ф0 — поток света, упавшего на поверхность раздела;
Ф — поток отраженного света.
Коэффициент отражения от различных поверхностей измеряют экспериментально и приводят потом в справочных таблицах.
В общем случае коэффициент отражения равен сумме коэффициентов зеркального и диффузного отражений. Величина коэффициента отражения зависит от физических свойств тела, угла падения и длины волны (цвета) света.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что отражение света от поверхностей тел бывает зеркальным, диффузным и смешанным. По принципу Гюйгенса при отражении света угол отражения β равен углу падения α. Коэффициент отражения R характеризует способность тела отражать падающий на него свет.
Отражение света. Закон отражения света
На этом уроке мы рассмотрим такое физическое явление, как отражение света. Это явление подчиняется четким закономерностям, о которых мы и поговорим.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Отражение света. Закон отражения света»
Все вы знаете, что свет имеет способность отражаться. Ну, например, «солнечный зайчик» или «лунная дорожка» — это примеры отражения света. Недавно мы говорили о том, что свет распространяется прямолинейно. Но что происходит, когда свет сталкивается с препятствием? Мы уже говорили, что позади этого препятствия образуется тень, потому что свет не может пройти сквозь это препятствие. Давайте рассмотрим, что происходит, если на пути света находится прозрачное препятствие (стекло, к примеру). Стекло — это, в первую очередь, другая среда. Что же происходит на границе двух сред?
Как мы знаем, при падении луча, часть луча пройдёт сквозь стекло, а часть — отразится. Луч, который попадет в стекло, называется преломлённым, а луч, который отразится, называется отраженным. Сегодня, как вы уже догадались, мы поговорим об отраженном луче, а о преломленном мы поговорим чуть позже. На рисунке мы видим луч, который отразился, то есть вернулся обратно в среду, из которой пришёл.
Итак, в чём заключается закон отражения света. Во-первых, падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости. Во-вторых, угол падения равен углу отражения. Итак, ещё раз: от точечного источника падает луч света в определённую точку другой среды и отражается от неё. В этой точке проводится перпендикуляр к плоскости среды. Оба луча и перпендикуляр лежат в одной плоскости. И если мы измерим угол между падающим лучом и перпендикуляром, то он будет равен углу между отражённым лучом и перпендикуляром.
Конечно, самый распространённый пример отражающей поверхности — это зеркало. На зеркало падает множество параллельных лучей, и все они тоже отражаются параллельно друг другу.
Ведь поверхность зеркала полностью гладкая. Если же поверхность шершавая, то свет рассеивается. Для каждого отдельного луча выполняется закон отражения света. Но шершавая поверхность, можно сказать, состоит из множества гладких поверхностей, каждая из которых находится под разным углом. В итоге, отражённые лучи рассеиваются.
Поэтому разделяют два вида отражений: зеркальное и диффузное. Зеркальное — это отражение от гладких поверхностей, а диффузное — это отражение от шершавых поверхностей.
То есть, когда свет не рассеивается и отражение — это точная копия реального объекта — это зеркальное отражение.
А когда свет рассеивается, и отражение искажает или вообще полностью рассеивает реальный объект — это диффузное отражение.
Например, в комнате смеха стоят кривые зеркала. Они действительно кривые, то есть имеют неровные поверхности. В итоге, мы видим искажённое отражение.
Законы отражения света очень важны для людей. Они часто используются в создании некоторых приборов. Например, такой прибор, как перископ сделан, основываясь на законах отражения света.
В объектив перископа попадает луч света. Внутри стоит зеркало под углом 45 о . Луч попадает в определённую точку зеркала. Проведём перпендикуляр к плоскости зеркала в этой точке. По закону отражения, луч отразится под тем же углом от перпендикуляра, то есть под углом 45 о . Значит, он будет под углом 90 о к падающему лучу. Внизу стоит ещё одно зеркало, тоже под углом 45 о , только оно развёрнуто в обратном направлении, чем первое. Теперь, луч, который мы в первом случае считали отражённым, является падающим. Он, опять же, отразится под углом 90 о . В итоге, человек в подводной лодке видит то, что находится над водой.
В завершении, давайте научимся, как строить отраженные лучи. Например, луч падает на гладкую горизонтальную поверхность под углом 30 о к горизонту, и нужно построить отражённый луч.
В первую очередь рисуем горизонтальную поверхность. Теперь нужно нарисовать луч под углом 30 о . Вы умеете пользоваться транспортиром, так что просто, построим угол 30 о . Кстати говоря, этот угол можно построить по клеточкам в соотношении 5 к 3. В начале урока мы говорили, что угол отсчитывается от перпендикуляра, восставленного в точку падения луча. Но если мы имеем дело с гладкой поверхностью, то можно также отсчитывать угол от самой поверхности. Он должен быть равен углу падения, то есть 30 о . Проверим: построим перпендикуляр к плоскости в точке падения. Тогда угол между перпендикуляром и падающим лучом будет 60 о . По закону отражения, тот же угол будет между перпендикуляром и отражённым лучом. Но ведь это и означает, что угол между отражённым лучом и горизонтальной поверхностью составляет 30 о .
Сегодня вас ждёт приятный сюрприз. Мы начинаем играть в сталкера, который будет выполнять всё более сложные задания по мере изучения темы. Сегодняшняя его задача относительно проста. Сталкер вооружен сверхновой установкой, выстрел которой — это лазерный луч, отражающийся от любой поверхности. Нам нужно попасть в злодея, который украл всю питьевую воду. Под каким углом надо выстрелить, чтобы заполучить воду обратно?
Итак, давайте разбираться. Разбираться нам нужно с конца, то есть от самого злодея.
Закон отражения света
С явлением отражения света мы сталкиваемся каждый день. В блестящих металлических поверхностях (зеркалах), воде и стеклах витрин отражаются люди, дома и предметы. Разберемся под какими углами происходит отражение световых волн, каким правилам подчиняется это явление.
Примеры отражения света
Самым массовым оптическим предметом, который используют люди, является обычное, плоское зеркало. Им пользуются в домашних условиях, в автомобильной оптике (зеркала, фары), в парикмахерских и на других производствах. Зеркала с криволинейными поверхностями применяются в телескопах, лазерах и других оптических прибора.
Различают два вида отражений: зеркальное и диффузное. Если поверхность, на которую падает свет, гладкая — не имеет дефектов и шероховатостей, то отражение будет зеркальным. В противном случае отражение будет называться диффузным или рассеянным. Отражение света происходит от всех предметов с любым качеством поверхности. Благодаря этому мы видим все освещенные тела.
Первые упоминания об изготовлении зеркал относятся к 1240 году, когда в Европе появились первые стеклодувы. В 1279 году итальянец Джон Пекам научился покрывать стеклянные предметы тонким слоем расплавленного металла, который после остывания образовывал зеркальную поверхность.
Далее мы будем говорить только о закономерностях зеркального отражения.
Принцип Гюйгенса
Для объяснения механизма распространения световых волн, нидерландский ученый Христиан Гюйгенс в 1678 г. сформулировал принцип (постулат, т.е. утверждение принимаемое за истинное без доказательств), названный его именем. Принцип состоит из двух основных положений:
- Каждая точка среды, до которой дошла световая волна, сама становится источником вторичных волн;
- Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени. Фронт волны – это огибающая фронта вторичных волн.
На представленном рисунке изображен фронт световой волны, распространяющийся со скоростью v в два момента времени — t и t+ Δt. Точки волны в момент времени t являются источниками вторичной волны в момент времени $t+ Δt$.
Законы отражения
Из принципа Гюйгенса может быть получены закон отражения света, который подтверждается результатами многочисленных наблюдений. Условно закон состоит из двух взаимно дополняющих утверждений :
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
Угол отражения β равен углу падения α.
Основная формула закона отражения света выглядит так:
Закон отражения света устанавливает только соотношения между углом падения и углом отражения. Часть света может преодолеть границу раздела сред (преломиться) и пройти внутрь второй среды. Угол преломления и количество прошедшего света определяется с помощью других законов и формул.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что благодаря отражению света от поверхностей тел, мы, собственно, и видим различные предметы. При зеркальном отражении угол падения света равен углу отражения. Закон отражения выполняется не только для полностью отражающих поверхностей, но и для поверхностей, которые частично отражают, а частично пропускают (преломляют) свет. Например, когда свет падает из воздуха на поверхность воды.
Принцип Гюйгенса. Закон отражения света
В этом видеоуроке мы сформулируем закон прямолинейного распространения света. Познакомимся с принципом Гюйгенса. Сформулируем законы отражения света. А также вспомним основные этапы построения изображений в плоском зеркале.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Принцип Гюйгенса. Закон отражения света»
На прошлом уроке мы с вами начали изучение оптики — раздела физики, в котором изучают свойства света, закономерности его излучения, распространения и взаимодействия с веществом.
Мы выяснили, что свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. Это означает, что в одних случаях свет ведёт себя как электромагнитная волна, а в других — как поток частиц.
Также мы с вами говорили о том, что электромагнитная теория света позволила объяснить многие наблюдаемые явления в оптике. Однако есть круг задач, на решение которых волновая природа света почти не сказывается. Это, например, вопросы, связанные с распространением света, а также построением изображений в оптических приборах. Они рассматриваются в разделе «Геометрическая оптика», основными понятиями которой являются световой луч и световой пучок.
Световой пучок — это область пространства, в пределах которой распространяется свет. А световой луч — это линия, указывающая направление распространения света. Но вот вопрос, как же распространяется свет? Обратимся к небольшим опытам. Для начала поставим на столе три экрана с отверстиями.
Включив электрическую лампочку, попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них. Теперь возьмём тонкий стержень и попытаемся вставить его в отверстия. Как видим, нам это легко удалось. Следовательно, все три отверстия располагаются на одной прямой.
Изменим среду. Нальём в стеклянный сосуд воду и добавим в неё немного флуоресцентной жидкости. Небольшой фонарик, дающий параллельный пучок света, поднесём к стенке сосуда. В воде мы видим прямую светящуюся линию, которая образована светом, отражённым от частичек растворённой жидкости.
И воздух, и вода имеют по всему своему объёму одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами. Следовательно, в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это есть один из основных законов геометрической оптики — закон прямолинейного распространения света.
Интересно, что открыт закон был в глубокой древности. О нём ещё за триста лет до нашей эры писал отец геометрии Евклид. А, например, древние египтяне использовали этот закон для установления колонн вдоль прямой линии. Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например, образование тени и полутени.
Тенью называют ту часть пространства за непроницаемым предметом, куда не проникает свет.
А полутень — это та область пространства, в которую попадает свет от части источника света.
Образованием тени и полутени можно объяснить солнечные и лунные затмения.
Теперь давайте посмотрим, что происходит на границе раздела двух однородных сред. Итак, пусть световой пучок распространяется в воздухе и падает на поверхность воды. Многочисленные опыты показывают, что на границе раздела этих сред свет изменит своё направление. При этом часть светового пучка пройдёт в воду, а другая часть пучка отразится от границы раздела воздух—вода и будет распространяться в воздухе.
Отражение света подобно отражению мяча от стенки. Если бросить мяч перпендикулярно стенке, то он отразится и полетит обратно по той же прямой. А если мяч бросить под некоторым углом к стенке, то он отскочит тоже под некоторым углом.
Теперь проведём такой опыт. В центре оптического диска укрепим зеркало. Если направить из осветителя на зеркало пучок света, то, очевидно, он практически полностью отразиться.
Опустим перпендикуляр к поверхности зеркала в точку падения луча.
Угол, образованный падающим лучом и перпендикуляром, восставленным к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения.
Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения.
Из опыта видно, что углы отражения и падения равны. Увеличим угол падения — увеличивается и угол отражения света, но по-прежнему эти углы равны. А то, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и отражённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска. На основании таких вот простых опытов мы можем сформулировать закон отражения света, открытый Евклидом в III веке до нашей эры. Итак, падающий луч, отражённый луч и нормаль к отражающей поверхности в точке падения луча лежат в одной плоскости. При этом угол отражения света равен углу падения.
А теперь по направлению отражённого луча пустим луч света от осветителя. Он отразится от зеркала и пойдёт по направлению, по которому в предыдущем опыте шёл падающий луч. Лучи и углы как бы поменялись местами. Это свойство отражённого и падающего лучей называют обратимостью (или взаимностью) световых лучей.
Закон отражения света можно вывести и из одного общего принципа, описывающего поведение волн. Этот принцип впервые был сформулирован Христианом Гюйгенсом «Трактате да ла Люмьер» в 1690 году. Итак, согласно принципу Гюйгенса каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн. Огибающая поверхность к фронтам волн от вторичных источников определяет положение нового фронта волны.
Покажем справедливость закона отражения света с помощью принципа Гюйгенса. Для этого предположим, что на плоскую отражающую поверхность падает параллельный пучок света.
Выделим в нём два луча, например, А1А и В1В. Проведём фронт волны для момента времени, когда луч А1А дошёл до отражающей поверхности. Тогда в точке В колебания начнут возбуждаться с запаздыванием по времени на величину СВ к υ, где υ — это скорость волны в данной среде.
В момент времени, когда волна достигнет точки B и в этой точке начнётся возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке A уже будет представлять собой полусферу радиусом υΔt. Радиусы вторичных волн от источников, расположенных между точками A и B, меняются так, как показано на экране.
Огибающей вторичных волн является плоскость BD (касательная к сферическим поверхностям). Она представляет собой волновую поверхность отражённой волны. При этом отражённые лучи АА2 и BB2 перпендикулярны этой поверхности.
Теперь рассмотрим два треугольника ABD и АВС. По построению это два прямоугольных треугольника, у которых стороны AD = CB, а сторона АВ у них общая. Следовательно, эти два треугольника равны (по четвёртому признаку равенства прямоугольных треугольников). Тогда и углы ∠DBA = ∠CAB равны между собой.
С другой стороны угол ∠CAB равен углу падения, как углы с перпендикулярными сторонами. Аналогично угол ∠DBA равен углу отражения. Отсюда следует вторая часть закона отражения света, что угол отражения равен углу падения.
В физике принято различать два вида отражений света: зеркальное и диффузное (или рассеянное).
Зеркальным называется отражение, при котором падающий на плоскую зеркальную поверхность параллельный пучок лучей после отражения остаётся параллельным.
А диффузное отражение дают шероховатые поверхности, которые отражают падающий на них параллельный пучок света по всевозможным направлениям.
Примером зеркальной поверхности служит плоское зеркало. Каждый день по нескольку раз мы смотримся в зеркало и видим там своё отражение. Попробуем ответить на вопросы: где и на каком расстоянии от зеркала оно находится? Каковы его размеры и как оно образуется?
Для этого проведём простой опыт. Поставим на столе вертикальную стеклянную пластинку, выполняющую роль плоского зеркала, и горящую свечу. Как видим, в стекле хорошо видно изображение свечи, хотя за пластинкой, конечно же, никакой свечи нет.
Теперь возьмём такую же по размерам, но незажжённую свечу и будем перемещать с другой стороны пластинки вдоль линейки до тех пор, пока она не совместится с изображением, то есть не будет казаться зажжённой. Используя линейку не трудно показать, что расстояния от пластинки до свечи и до её изображения равны между собой. А так как незажжённая свеча совместилась с изображением по высоте, то можно сделать вывод, что размеры изображения равны размерам предмета.
Таким образом в плоском зеркале глаз видит изображение таких же размеров, что и предмет, и на таком же расстоянии за зеркалом.
Теперь давайте посмотрим, как строятся изображения различных предметов в плоском зеркале. Итак, пусть перед зеркалом находится точечный источник света. Из множества лучей, посылаемых им, выделим два, падающих на зеркало и, пользуясь законом отражения света, построим отражённые лучи.
Не трудно заметить, что пучок света, ограниченный отражёнными лучами, будет расходящимся. Он то и попадает в глаз наблюдателя. А вот продолжения отражённых лучей пересекаются в точке, находящейся за зеркалом. Глаз воспринимает отражённые лучи так, как будто они исходят из этой точки, которая является изображением нашего источника. Такое изображение называют мнимым. Следовательно, плоское зеркало даёт мнимое изображение.
Теперь построим изображение протяжённого предмета, например стре́лки. Для этого нам необходимо построить изображение двух её крайних точек. Итак, пустим первый луч из точки «А» на зеркало перпендикулярно его плоскости. Значит, угол падения равен нулю. Следовательно, отражённый луч пойдёт вдоль падающего, но в обратном направлении, так как, согласно закону отражения света, угол падения и угол отражения равны́.
Второй луч направим к зеркалу под некоторым углом. От зеркала он отразиться под таким же углом. Как видим, отражённые лучи не пересекаются. Но пересекаются их продолжения за зеркалом. Следовательно, эта точка и есть мнимое изображение точки «А».
Аналогично можно построить изображение любой точки предмета, в том числе и второй крайней точки
Здесь важно запомнить, что предмет и его изображение в плоском зеркале представляют собой не тождественные, а симметричные фигуры.