§ 4. Отражение и пропускание света, виды отражения и пропускания
Пространственное распределение отраженного света определяется структурой поверхности. Отражение света металлами зависит от их электропроводности. Больший коэффициент отражения характерен для металлов с большей электропроводностью. При отражении от диэлектриков определяющим является соотношение показателей преломления диэлектрика и среды, из которой на диэлектрик падает световой поток, а также угол падения света. Для непрозрачных поверхностей большая часть света возвращается в сторону источника. При этом возвращенный свет является суммой излучений, претерпевших самые различные степени избирательного поглощения, с изменением спектрального состава света, а значит и его цвета. Зеркальное отражение от полированных металлов сохраняет спектральный состав света и при этом отсутствует поляризация света.
Особенностью пропускания является частичное отражение светового потока в месте его падения. В зависимости от материала пропускающего тела световой поток может проходить во всем спектре длин волн светового диапазона или избирательно — по цветовым зонам спектра или монохроматично.
Отражение белого света увеличивается за счет покрытия поверхностей специальными светоотражающими составами (серно-кислым барием или магнием). Для уменьшения отражения и увеличения пропускания света объективами на поверхность линз наносят просветляющие покрытия. Уменьшение отражения черных тел для придания им большей черноты достигается покрытием их поверхностей слоем вещества, близким по показателю преломления (например, лаком или водой). В результате, из-за гладкости покрытия, поверхностно отраженный свет становится меньшим и поверхность кажется более черной. При этом выявляется зеркальное отражение — свет отбрасывается в сторону или выступает в виде блика.
Направленное (зеркальное) отражение (рис. 5, а) характерно для гладких и полированных поверхностей, неровности которых малы относительно длины волны падающего света. Зеркальное отражение определяется концентрацией светового потока в некотором телесном угле, направление оси которого определяется законами зеркального отражения. Телесный угол падающего и отраженного потоков сохраняется по величине и форме. Яркость зеркально отраженного потока прямо пропорциональна яркости источника.Коэффициент отражения определяется из выражения::
= F / F=I / I= LS / LS = L / L=L / L,
где: L— яркость источника света.
Для зеркального отражения справедливы три закона: первый — лучи падающий и отраженный находится в одной плоскости с нормалью в точке падения; второй — углы падения и отражения относительно нормали равны; третий — для зеркально отраженного света применяется закон квадратов расстояний, начиная от его изображения в зеркале поверхности.
Рис. 5. Виды отражения: а — направленное; б — диффузное; в — направленно-рассеянное; г — смешанное
Диффузное (рассеянное, равнояркое) отражение (рис. 5, б) характерно для матовых и шероховатых поверхностей с беспорядочными микронеровностями, по величине превышающими или соизмеримыми с длиной волны падающего света. Диффузное отражение является условием видимости окружающих тел, так как каждая точка освещенной поверхности испускает отраженные лучи во все стороны. При отсутствии диффузного отражения тела не видны (воздух, стекло на просвет).
Диффузное отражение характеризуется равномерным отражением света в пределах телесного угла 2 ср, расположенного над отражающей поверхностью в полусфере, независимо от направления , падающего светового потока, и описывается законом Ламберта, по которому яркость L постоянна для любого угла рассматривания диффузной поверхности, а сила света в зависимости от угла изменяется по закону косинуса, что весьма подробно рассматривалось выше. На рис. 5, б cечение полусферы равнояркости отражения L изображено полуокружностью.
Направленно рассеянное отражение характеризуется тем, что отраженный поток концентрируется в телесном угле, отличном по величине от телесного угла, в котором распространяется падающий поток, причем направление оси телесного угла отраженного потока соответствует закону зеркального отражения (рис. 5, в). При отражении от диэлектриков определяющим является соотношение показателей преломления диэлектрика и среды, из которой на диэлектрик падает световой поток, а также угол падения света. Направленно рассеянно отражающая поверхность имеет яркость, различную в различных направлениях. Для направленно рассеянно отражающих поверхностей, таких, как, например, окрашенные алюминиевой краской, коэффициент яркости в направлении максимального отражения колеблется от 2—3 до 6—8; у структурных альзакированных поверхностей отражателей осветительных приборов коэффициент яркости составляет 4—8; у экрана фронтпроекции он доходит до 500—800 (у бисерных экранов направленно рассеянный световой поток отражается в сторону падающего светового потока, изменив направление на обратное, а не на зеркальное). Направленно-рассеянным отражением обладает глянцевая бумага, матированный металл, крашеные поверхности и др. При отражении от таких поверхностей источник света виден расплывчатым пятном.
Смешанное отражение характеризуется наличием направленно рассеянного и диффузного отражения одновременно (рис. 5, г). Коэффициент яркости для таких поверхностей в сторону направленного отражения может быть больше единицы. Смешанное отражение создают такие материалы как фарфоровая эмаль, слабо матированные поверхности. В месте увеличения яркости наблюдается т.н. горячее пятно.
Направленное пропускание (рис.6, а) характерно прямым прохождением света через прозрачные тела в одном и том же телесном угле при совпадении направления падающего и пропущенного потоков (прозрачные пластмассы, стекло). Рассеяние света в прозрачной среде пренебрежимо мало. Ось пропущенного светового потока смещается из-за преломления света средой.
Рис. 6. Виды пропускания: а – направленное; б – диффузное; в – направленно-рассеянное; г– смешанное
Диффузное пропускание (рис. 6, б) характерно равномерным распределением пропущенного светового потока во всех направлениях внутри телесного угла 2л стерадиан, расположенного за пропускающим телом. Источник света из-за полного рассеяния не виден. Подобные тела кажутся самосветящимися (молочные, опаловые стекла и аналогичные пластмассы).
Направленно-рассеянное пропускание (рис. 6, в) характерно большим телесным углом пропущенного рассеянного потока, сохраняющего направление падающего потока. Источник излучения в проходящем свете виден расплывчатым (пластмасса, матированное стекло). Направленно рассеивающие пропускающие материалы, такие, как матированные стекла, могут иметь коэффициенты яркости от 3—4 до 8—12 при грубом матировании и до 80—100 при тонком матировании; материалы для экранов рирпроекции имеют коэффициенты яркости в пределах от 2—3 до 5—6.
Смешанное пропускание (рис. 6, г) характерно совокупностью диффузного пропускания светового потока с рассеянно направленным, ось которого совпадает с осью падающего потока (проявленный фотослой, слабо матированное стекло, ткани, пропитанные лаком).
Отражение света поверхностью
Лучи, падающие на поверхность, могут отражаться от нее, проходить насквозь или поглощаться. В зависимости от этого различают поверхности блестящие и матовые, прозрачные и непрозрачные, черные и белые. Поверхность, которая поглощает значительно большее количество световых лучей, чем отражает и «пропускает», воспринимается как черная, а та, которая большую часть падающего на нее света отражает, видится нам белой. Если же большинство световых лучей беспрепятственно проходят через слой вещества, то оно будет прозрачным.
Отражение световых лучей от поверхности подчиняется хорошо известному закону, открытому И. Ньютоном,— угол падения луча равен углу отражения независимо от природы материала и длины световой волны. Если световой поток, состоящий из параллельных лучей, падает на гладкую поверхность, то отраженный поток будет также состоять из параллельных лучей и казаться как бы выходящим из этой поверхности. Поверхность, отражающая таким образом свет, называется блестящей. Если поток такого света попадает в глаз наблюдателя, то поверхность, которая его отражает, оказывается невидимой. В таких случаях говорят: «она блестит». С этим явлением мы постоянно сталкиваемся в музеях и на выставках, когда застекленная картина со многих точек зрения блестит или отсвечивает, и бывает трудно найти точку зрения, с которой она становится хорошо видимой.
Тела, имеющие шероховатую поверхность, отражают свет согласно тому же закону, что и блестящие. Однако по той причине, что поверхность таких тел состоит из расположенных под разными углами микроскопических поверхностей, свет отражается от нее в разных направлениях, происходит диффузное отражение или рассеивание света. Такие поверхности с разных точек зрения кажутся одинаковыми по светлоте, не имеют бликов и называются матовыми. Но нужно иметь в виду, что различные материалы отражают свет по-разному. Например, стекло, пластмассы, вода обладают так называемым зеркальным отражением, а металлы дают более мягкое отражение, даже будучи отполированными.
Некоторые поверхности не отражают и не пропускают света, а излучают его — как, например, поверхность раскаленного металла. Такие поверхности всегда будут превосходить по яркости поверхности, отражающие свет. Индивидуальные особенности сочетания рассеивания и прямого отражения света данной поверхностью определяют ее характер, «фактуру», позволяют отличать гипс от мрамора, белила масляные от гуашевых. Мы даже различаем предметы одним только зрением по характеру их поверхности, по сочетанию бликов и теней, образующих матовую, полуматовую или глянцевую поверхность. Мы различаем блеск на поверхности предмета и говорим о блеске металлическом, алмазном, стеклянном, фарфоровом; мы производим это различение по каким-то едва уловимым признакам, словесно не определяемым. В живописи передача качеств поверхности предмета наряду с их цветом, освещением, формой и положением в пространстве является одной из важнейших задач.
Ахроматические цвета
Белый свет с точки зрения физики представляет собой световой поток, состоящий из волн различной длины. Различные поверхности встречают падающие на них лучи света с неодинаковым «гостеприимством»: одни
поверхности, например, поглощают коротковолновые и отражают длинноволновые лучи, другие — наоборот. При таком избирательном поглощении световых лучей поверхность, как мы говорим, получает определенную окраску, цвет. Но есть поверхности, которые более или менее равномерно поглощают и отражают лучи всех длин волн. Такое неизбирательное поглощение создает так называемые серые поверхности. Чем больше будет поверхность неизбирательной, то есть безразлично к длине волн, отражать световых лучей, тем она будет белее, и, наоборот, чем меньше, тем чернее. Поверхности, равномерно отражающие лучи всех длин волны, называются ахроматическими. Ахроматические цвета обладают только одной характеристикой — светлотой, которая в основном определяется количеством отраженного от поверхности света.
В зависимости от освещения и способности поверхности отражать свет в том или ином количестве можно составить постепенный ряд ахроматических тонов, начиная от белого и кончая черным. Парадоксальность самого названия «ахроматический цвет», то есть «бесцветный цвет», еще раз указывает на неразделимую связь между светом и цветом. И действительно, с одной стороны, черное, белое, серое можно рассматривать как нечто противоположное цвету, всему цветному, а с другой — мы располагаем черную и белую краски в ряду других красок и, следовательно, нет оснований не считать их также цветом, как и другие. Для живописца белый, серый, черный есть такие же цвета, как и желтый, синий и т. д., ибо они используются в группе других цветов как равноправные элементы цветовой гармонии и колорита. При всем том разделение цветов на хроматические и ахроматические практически необходимо. Расположенные в порядке убывающей светлоты, ахроматические цвета образуют ряд, в котором можно выделить пять основных относительно определенных ступеней,— это черные, темно-серые, серые, светло-серые и белые. Для научных целей ахроматический ряд принимается значительно более дифференцированным. В атласе цветов Оствальда он состоит, например, из 16 градаций, у Менселла — из 29, у Теплова — из 24. Степень светлоты ахроматического тона трудно выразить абсолютно. Мы довольно легко можем из двух предметов выбрать более светлый или более темный, но отметить, насколько он темнее, мы не можем. Поэтому светлоту измеряют посредством единиц, отмечающих равенство или неравенство двух яркостей.
Диапазон светлот от белого до черного в натуре в тысячи раз превышает диапазон светлот между черной и белой красками в условиях освещения мастерской. Это с полной очевидностью показывает, что отношения яркостей в натуре не могут быть перенесены на холст в их абсолютных величинах, а требуют своего рода перевода, что давно замечено художниками. В ряде классических произведений мировой живописи мы видим удивительные эффекты освещения, поражающие своей правдивостью. Пути этого перевода многообразны и пока не укладываются ни в какие формулы даже в творчестве тех художников, лозунгом которых была наибольшая близость к натуре.
Отражение света поверхностью
Лучи, падающие на поверхность, могут отражаться от нее, проходить насквозь или поглощаться. В зависимости от этого различают поверхности блестящие и матовые, прозрачные и непрозрачные, черные и белые. Поверхность, которая поглощает значительно большее количество световых лучей, чем отражает и «пропускает», воспринимается как черная, а та, которая большую часть падающего на нее света отражает, видится нам белой. Если же большинство световых лучей беспрепятственно проходят через слой вещества, то оно будет прозрачным.
Отражение световых лучей от поверхности подчиняется хорошо известному закону, открытому И. Ньютоном, — угол падения луча равен углу отражения независимо от природы материала и длины световой волны. Если световой поток, состоящий из параллельных лучей, падает на гладкую поверхность, то отраженный поток будет также состоять из параллельных лучей и казаться как бы выходящим из этой поверхности. Поверхность, отражающая таким образом свет, называется блестящей. Если поток такого света попадает в глаз наблюдателя, то поверхность, которая его отражает, оказывается невидимой. В таких случаях говорят: «она блестит». С этим явлением мы постоянно сталкиваемся в музеях и на выставках, когда застекленная картина со многих точек зрения блестит или отсвечивает, и бывает трудно найти точку зрения, с которой она становится хорошо видимой.
Тела, имеющие шероховатую поверхность, отражают свет согласно тому же закону, что и блестящие. Однако по той причине, что поверхность таких тел состоит из расположенных под разными углами микроскопических поверхностей, свет отражается от нее в разных направлениях, происходит диффузное отражение или рассеивание света. Такие поверхности с разных точек зрения кажутся одинаковыми по светлоте, не имеют бликов и называются матовыми. Но нужно иметь в виду, что различные материалы отражают свет по-разному. Например, стекло, пластмассы, вода обладают так называемым зеркальным отражением, а металлы дают более мягкое отражение, даже будучи отполированными.
Некоторые поверхности не отражают и не пропускают света, а излучают его — как, например, поверхность раскаленного металла. Такие поверхности всегда будут превосходить по яркости поверхности, отражающие свет. Индивидуальные особенности сочетания рассеивания и прямого отражения света данной поверхностью определяют ее характер, «фактуру», позволяют отличать гипс от мрамора, белила масляные от гуашевых. Мы даже различаем предметы одним только зрением по характеру их поверхности, по сочетанию бликов и теней, образующих матовую, полуматовую или глянцевую поверхность. Мы различаем блеск на поверхности предмета и говорим о блеске металлическом, алмазном, стеклянном, фарфоровом; мы производим это различение по каким-то едва уловимым признакам, словесно не определяемым. В живописи передача качеств поверхности предмета наряду с их цветом, освещением, формой и положением в пространстве является одной из важнейших задач.
Ахроматические цвета
Белый свет с точки зрения физики представляет собой световой поток, состоящий из волн различной длины. Различные поверхности встречают падающие на них лучи света с неодинаковым «гостеприимством»: одни
поверхности, например, поглощают коротковолновые и отражают длинноволновые лучи, другие — наоборот. При таком избирательном поглощении световых лучей поверхность, как мы говорим, получает определенную окраску, цвет. Но есть поверхности, которые более или менее равномерно поглощают и отражают лучи всех длин волн. Такое неизбирательное поглощение создает так называемые серые поверхности. Чем больше будет поверхность неизбирательной, то есть безразлично к длине волн, отражать световых лучей, тем она будет белее, и, наоборот, чем меньше, тем чернее. Поверхности, равномерно отражающие лучи всех длин волны, называются ахроматическими. Ахроматические цвета обладают только одной характеристикой — светлотой, которая в основном определяется количеством отраженного от поверхности света.
В зависимости от освещения и способности поверхности отражать свет в том или ином количестве можно составить постепенный ряд ахроматических тонов, начиная от белого и кончая черным. Парадоксальность самого названия «ахроматический цвет», то есть «бесцветный цвет», еще раз указывает на неразделимую связь между светом и цветом. И действительно, с одной стороны, черное, белое, серое можно рассматривать как нечто противоположное цвету, всему цветному, а с другой — мы располагаем черную и белую краски в ряду других красок и, следовательно, нет оснований не считать их также цветом, как и другие. Для живописца белый, серый, черный есть такие же цвета, как и желтый, синий и т. д., ибо они используются в группе других цветов как равноправные элементы цветовой гармонии и колорита. При всем том разделение цветов на хроматические и ахроматические практически необходимо. Расположенные в порядке убывающей светлоты, ахроматические цвета образуют ряд, в котором можно выделить пять основных относительно определенных ступеней, — это черные, темно-серые, серые, светло-серые и белые. Для научных целей ахроматический ряд принимается значительно более дифференцированным. В атласе цветов Оствальда он состоит, например, из 16 градаций, у Менселла — из 29, у Теплова — из 24. Степень светлоты ахроматического тона трудно выразить абсолютно. Мы довольно легко можем из двух предметов выбрать более светлый или более темный, но отметить, насколько он темнее, мы не можем. Поэтому светлоту измеряют посредством единиц, отмечающих равенство или неравенство двух яркостей.
Диапазон светлот от белого до черного в натуре в тысячи раз превышает диапазон светлот между черной и белой красками в условиях освещения мастерской. Это с полной очевидностью показывает, что отношения яркостей в натуре не могут быть перенесены на холст в их абсолютных величинах, а требуют своего рода перевода, что давно замечено художниками. В ряде классических произведений мировой живописи мы видим удивительные эффекты освещения, поражающие своей правдивостью. Пути этого перевода многообразны и пока не укладываются ни в какие формулы даже в творчестве тех художников, лозунгом которых была наибольшая близость к натуре.
Как происходит отражение света?
Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, происходит отражение света: луч изменяет направление своего хода и возвращается в исходную среду. , образованный отражённым лучом и перпендикуляром к поверхности.
Какие отражения света бывают?
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.
Как звучит закон отражения света?
Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.
Что называется отражением света?
Закон отражения Во время падения луча света на границу раздела двух сред луч меняет свое направление, оставаясь в данной среде, — это явление называется отражением света. Угол падения — угол между лучом, падает, и перпендикуляром к отражающей поверхности, проведенным в точке падения луча.
Как свет отражается от разных поверхностей?
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.
Сколько существует законов отражения света?
При падении света на плоскую границу раздела двух сред часть света отражается, часть проходит дальше (преломляется), при этом выполняются два закона отражения и два закона преломления света. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
В чем заключается второй закон отражения света?
1). Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. 2) Угол отражения равен углу падения.
Что такое отражение света 3 класс естествознание?
Отражение света – это явление, при котором световая волна изменяет направление, но продолжает распространяться в той же среде.
Где применяется закон отражения света?
Применение закона отражения света
Благодаря работе со светом, его усилению и отражению были получены такие полезные изобретения как бинокль, незаменимый в астрономии телескоп, и не менее незаменимый в биологии микроскоп и многие другие оптические приборы, в том числе такие привычные для многих современных людей очки.
Какие высказывания относятся к определению закона отражения света?
Полностью закон отражения света звучит так: 1. Лучи — падающий и отражённый, а также перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. . Угол отражения равен углу падения.
Как называется отражение в отражении?
На гладкой поверхности, свет отражается, не искажая входящего изображения. Это называется зеркальным отражением.
Что называется явлением полного внутреннего отражения света?
Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. . Его называют предельным или критическим углом.
Что называется предельным углом полного отражения света?
Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т. е. угол преломления равен 900), называется предельным углом полного отражения. Полное внутреннее отражение наблюдается при переходе света из среды оптически более плотной в оптически менее плотную среду.
Как гладкие поверхности отражают свет?
Если свет падает на поверхность под прямым углом, под таким же углом он и отражается от неё. Попадая на гладкую поверхность, луч света отражается от неё и полностью уходит в одном направлении. Когда же свет попадает на шершавую, неровную поверхность, он отражается и рассеивается в самых разных направлениях.
Как свет отражается от шероховатой поверхности?
Шероховатая поверхность отражает свет в разных направлениях , она свет рассеивает.
Какие предметы хорошо отражают свет?
Когда свет встречает препятствие, хотя бы часть света отражается, попадает к нам в глаза, и мы видим предметы, которые сами не излучают света. Особенно хорошо отражает лучи гладкая поверхность, например водная гладь или изготовленное людьми зеркало. Когда свет падает на поверхность воды, он не только отражается.