Закон отражения света был открыт путем наблюдений и опытов. Конечно, его можно вывести и теоретически, но все принципы, которые используются сейчас, были определены и обоснованы практическим путем. Знание основных особенностей этого явления помогает при планировании освещения и выборе оборудования. Этот принцип работает и в других сферах – радиоволны, рентгеновское излучение и т.д. ведут себя точно так же при отражении.
Что такое отражение света и его разновидности, механизм
Закон формулируется так: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, имеющей перпендикуляр относительно отражающей поверхности, который выходит из точки падения. Угол падения равен углу отражения.
По сути, отражение это физический процесс, при котором луч, частицы или излучение взаимодействуют с плоскостью. Направление волн изменяется на границе двух сред, так как они имеют разные свойства. Отраженный свет всегда возвращается в ту среду, из которой пришел. Чаще всего при отражении наблюдается и явление преломления волн.
Зеркальное отражение
В этом случае наблюдается четкая взаимосвязь между отраженными и падающими лучами, это является главной особенностью данной разновидности. Есть несколько основных моментов, характерных для зеркального отражения:
- Отраженный луч всегда находится в плоскости, которая проходит через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, которая восстановлена в точке падения.
- Угол падения равняется углу отражения луча света.
- Характеристики отраженного луча пропорциональны поляризации лучевого пучка и углу его падения. Также на показатель влияют характеристики двух сред.
При этом показатели преломления зависят от свойств плоскости и особенностей света. Это отражение можно встретить везде, где есть гладкие поверхности. Но для разных сред условия и принципы могут меняться.
Полное внутреннее отражение
Характерно для звуковых и электромагнитных волн. Возникает в месте, где встречаются две среды. При этом волны должны падать из среды, в которой скорость распространения ниже. Применительно к свету можно сказать, что показатели преломления в этом случае сильно возрастают.
Угол падения луча света влияет на угол преломления. С увеличением его значения интенсивность отраженных лучей увеличивается, а преломленных снижается. При достижении определенного критического значения показатели преломления уменьшаются до нулевой отметки, что приводит к полному отражению лучей.
Критический угол вычисляется индивидуально для разных сред.
Диффузное отражение света
Этот вариант характеризуется тем, что при попадании на неровную поверхность лучи отражаются в разных направлениях. Отраженный свет просто рассеивается и именно из-за этого нельзя увидеть свое отражение на неровной или матовой плоскости. Явление диффузии лучей наблюдается, когда неровности равны длине волны или превышают ее.
При этом одна и так же плоскость может быть диффузно отражающей для света или ультрафиолета, но при этом хорошо отражать инфракрасный спектр. Все зависит от особенностей волн и свойств поверхности.
Обратное отражение
Это явления наблюдается, когда лучи, волны или другие частицы отражаются обратно, то есть в сторону источника. Такое свойство может быть использовано в астрономии, естествознании, медицине, фотографии и других сферах. За счет системы выпуклых линз в телескопах есть возможность увидеть свет звезд, которые не видны невооруженным глазом.
Важно создать определенные условия, чтобы свет возвращался к источнику, это достигается чаще всего за счет оптики и пучкового направления лучей. Например, этот принцип применяется в УЗИ-исследованиях, благодаря отраженным ультразвуковым волнам на монитор выводится изображение исследуемого органа.
История открытия законов отражения
Это явление было известно давно. Впервые об отражении света упоминалось в труде «Катоптрика», который датируется 200 г. до н.э. и написан древнегреческим ученым Евклидом. Первые эксперименты были простыми, поэтому никакой теоретической базы в тот период не появилось, но данное явление открыл именно он. При этом использовался принцип Ферма для зеркальных поверхностей.
Формулы Френеля
Огюст Френель был французским физиком, который вывел ряд формул, они широко используются по сей день. Их применяют при вычислении интенсивности и амплитуды отраженных и преломленных электромагнитных волн. При этом они должны проходить через четкую границу между двумя средами с различающимися значениями преломления.
Все явления, которые подходят под формулы французского физика называют френелевским отражением. Но нужно помнить о том, что все выведенные закономерности справедливы только тогда, когда среды изотропны, а граница между ними четкая. В этом случае угол падения всегда равняется углу отражения, а значение преломления определяется по закону Снеллиуса.
Важно, что при падении света на плоскую поверхность может быть два вида поляризации:
- p-поляризация характеризуется тем, что вектор напряженности электромагнитного поля лежит в плоскости падения.
- s-поляризация отличается от первого типа тем, что вектор напряженности электромагнитных волн располагается перпендикулярно по отношению к плоскости, в которой лежит и падающий, и отражённый луч.
Формулы для ситуаций с разной поляризацией различаются. Это связано с тем, что поляризация влияет на характеристики луча и он отражается по-разному. При падении света под определенным углом отраженный луч может быть полностью поляризованным. Этот угол называют углом Брюстера, он зависит от характеристик преломления сред на границе раздела.
Кстати! Отраженный луч всегда поляризован, даже если падающий свет был неполяризованным.
Принцип Гюйгенса
Гюйгенс – голландский физик, которому удалось вывести принципы, позволяющие описать волны любой природы. Именно с его помощью чаще всего доказывают как закон отражения, так и закон преломления света.
В этом случае свет подразумевается как волна плоской формы, то есть все волновые поверхности плоские. При этом волновая поверхность – совокупность точек с колебанием в одной и той же фазе.
Формулировка звучит так: любая точка, к которой пришло возмущение впоследствии становится источником сферических волн.
В видео очень простыми словами с помощью графики и анимации объясняется закон из физики 8 класса.
Сдвиг Федорова
Его также называют эффектом Федорова-Эмбера. В этом случае наблюдается смещение луча света при полном внутреннем отражении. При этом сдвиг незначительный, он всегда меньше, чем длина волны. Из-за этого смещения отраженный луч не лежит в одной плоскости с падающим, что идет вразрез с законом отражения света.
Диплом на научное открытие был вручен Ф.И. Федорову в 1980 году.
Боковое смещение лучей было теоретически доказано советским ученым в 1955 году благодаря математическим вычислениям. Что касается экспериментального подтверждения этого эффекта, то немного позже это сделал французский физик Эмбер.
Использование закона на практике
Рассматриваемый закон встречается намного чаще, чем кажется. Этот принцип широко используется в самых разных сферах:
- Зеркало – самый простой пример. Это гладкая поверхность, хорошо отражающая свет и другие типы излучений. Используются как плоские варианты, так и элементы других форм, например, сферические поверхности позволяют отдалять предметы, что делает их незаменимыми в качестве зеркал заднего вида в машине.
- Различное оптическое оборудование также работает благодаря рассмотренным принципам. Сюда относится все – от очков, которые встречаются везде, до мощных телескопов с выпуклыми линзами или микроскопов, применяемых в медицине и биологии.
- Аппараты УЗИ также используют рассматриваемый принцип. Ультразвуковое оборудование позволяет проводить точные исследования. Рентгеновские излучение распространяется по тем же принципам.
- СВЧ-печи – еще один пример применения рассматриваемого закона на практике. Также сюда можно отнести все оборудование, работающее за счет инфракрасного излучения (например, приборы ночного видения).
- Вогнутые зеркала позволяют фонарикам и светильникам повысить характеристики. При этом мощность лампочки может быть намного меньше, чем без использования зеркального элемента.
Кстати! Благодаря отражению света мы видим луну и звезды.
Закон отражения света объясняет многие природные явления, а знание его особенностей позволило создать оборудование, которое широко используется в наше время.
