Prawa odbicia światła i historia ich odkrycia

Prawo odbicia światła zostało odkryte dzięki obserwacjom i eksperymentom. Oczywiście można to wyprowadzić teoretycznie, ale wszystkie zasady, które są obecnie stosowane, zostały zdefiniowane i uzasadnione w praktyce. Znajomość głównych cech tego zjawiska pomaga w planowaniu oświetlenia i doborze sprzętu. Ta zasada działa również w innych obszarach - fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie itp. zachowują się dokładnie tak samo w odbiciu.

Czym jest odbicie światła i jego odmiany, mechanizm

Prawo jest sformułowane w następujący sposób: padające i odbite promienie leżą w tej samej płaszczyźnie, prostopadłej do powierzchni odbijającej, która wyłania się z punktu padania. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

W istocie odbicie jest procesem fizycznym, w którym wiązka, cząstki lub promieniowanie oddziałują z płaszczyzną. Kierunek fal zmienia się na granicy dwóch mediów, ponieważ mają one różne właściwości.Odbite światło zawsze wraca do ośrodka, z którego przyszło. Najczęściej podczas odbicia obserwuje się również zjawisko załamywania się fal.

To schematyczne wyjaśnienie prawa odbicia światła.

Lustrzane odbicie

W tym przypadku istnieje wyraźna zależność między promieniami odbitymi i padającymi, jest to główna cecha tej odmiany. Istnieje kilka głównych punktów dotyczących dublowania:

1. Promień odbity jest zawsze w płaszczyźnie, która przechodzi przez promień padający i normalną do powierzchni odbijającej, która jest rekonstruowana w punkcie padania.
2. Kąt padania jest równy kątowi odbicia wiązki światła.
3. Charakterystyki wiązki odbitej są proporcjonalne do polaryzacji wiązki i kąta jej padania. Na wskaźnik mają również wpływ cechy obu środowisk.

W odbiciu zwierciadlanym kąty padania i odbicia są zawsze takie same.

W tym przypadku współczynniki załamania zależą od właściwości płaszczyzny i charakterystyki światła. To odbicie można znaleźć wszędzie tam, gdzie są gładkie powierzchnie. Ale dla różnych środowisk warunki i zasady mogą się zmienić.

Całkowite odbicie wewnętrzne

Typowe dla fal dźwiękowych i elektromagnetycznych. Występuje w miejscu, w którym spotykają się dwa środowiska. W takim przypadku fale muszą spaść z ośrodka, w którym prędkość propagacji jest mniejsza. W odniesieniu do światła można powiedzieć, że współczynniki załamania w tym przypadku znacznie wzrastają.

Całkowite odbicie wewnętrzne jest charakterystyczne dla powierzchni wody.

Kąt padania wiązki światła wpływa na kąt załamania. Wraz ze wzrostem jego wartości intensywność promieni odbitych wzrasta, a promienie załamane maleją.Po osiągnięciu pewnej wartości krytycznej współczynniki załamania spadają do zera, co prowadzi do całkowitego odbicia promieni.

Kąt krytyczny obliczany jest indywidualnie dla różnych mediów.

Rozproszone odbicie światła

Ta opcja charakteryzuje się tym, że gdy uderza w nierówną powierzchnię, promienie odbijają się w różnych kierunkach. Odbite światło po prostu się rozprasza i dlatego nie możesz zobaczyć swojego odbicia na nierównej lub matowej powierzchni. Zjawisko dyfuzji promieni obserwuje się, gdy nierówności są równe lub większe niż długość fali.

W takim przypadku jedna i ta sama płaszczyzna może odbijać rozproszone światło lub ultrafiolet, ale jednocześnie dobrze odbijać widmo podczerwieni. Wszystko zależy od charakterystyki fal i właściwości powierzchni.

Odbicie rozproszone jest chaotyczne z powodu nierówności na powierzchni.

Odwrotne odbicie

Zjawisko to obserwuje się, gdy promienie, fale lub inne cząstki odbijają się z powrotem, to znaczy w kierunku źródła. Ta właściwość może być wykorzystana w astronomii, naukach przyrodniczych, medycynie, fotografii i innych dziedzinach. Dzięki systemowi soczewek wypukłych w teleskopach możliwe jest dostrzeżenie światła gwiazd niewidocznych gołym okiem.

Odbicie wsteczne może być kontrolowane przez kulisty kształt powierzchni odbijającej.

Ważne jest, aby stworzyć pewne warunki powrotu światła do źródła, najczęściej osiąga się to poprzez optykę i kierunek wiązki promieni. Na przykład ta zasada jest stosowana w badaniach ultrasonograficznych, dzięki odbitym falom ultradźwiękowym na monitorze wyświetlany jest obraz badanego narządu.

Historia odkrycia praw refleksji

Zjawisko to znane jest od dawna.Po raz pierwszy o odbiciu światła wspomniano w dziele „Katoptrik”, którego początki sięgają 200 roku p.n.e. i napisany przez starożytnego greckiego uczonego Euklidesa. Pierwsze eksperymenty były proste, więc nie pojawiły się wówczas żadne podstawy teoretyczne, ale to on odkrył to zjawisko. W tym przypadku zastosowano zasadę Fermata dla powierzchni lustrzanych.

Przeczytaj także

Jak szybko światło przemieszcza się w próżni

 

Formuły Fresnela

Auguste Fresnel był francuskim fizykiem, który opracował szereg formuł, które są szeroko stosowane do dziś. Służą do obliczania natężenia i amplitudy odbitych i załamanych fal elektromagnetycznych. Jednocześnie muszą przejść przez wyraźną granicę między dwoma mediami o różnych wartościach załamania światła.

Wszystkie zjawiska, które pasują do wzorów francuskiego fizyka, nazywamy odbiciem Fresnela. Należy jednak pamiętać, że wszystkie wyprowadzone prawa są ważne tylko wtedy, gdy media są izotropowe, a granica między nimi jest wyraźna. W tym przypadku kąt padania jest zawsze równy kątowi odbicia, a wartość załamania określa prawo Snella.

Ważne jest, że gdy światło pada na płaską powierzchnię, mogą wystąpić dwa rodzaje polaryzacji:

1. Polaryzacja p charakteryzuje się tym, że wektor pola elektromagnetycznego leży w płaszczyźnie padania.
2. Polaryzacja s różni się od pierwszego typu tym, że wektor natężenia fali elektromagnetycznej znajduje się prostopadle do płaszczyzny, w której leży zarówno wiązka padająca, jak i odbita.

Fresnel wydedukował całą gamę formuł, które pozwalają wykonać wszystkie niezbędne obliczenia.

Wzory dla sytuacji o różnych polaryzacjach różnią się.Wynika to z faktu, że polaryzacja wpływa na charakterystykę wiązki i odbija się na różne sposoby. Gdy światło pada pod pewnym kątem, odbita wiązka może być całkowicie spolaryzowana. Ten kąt nazywa się kątem Brewstera i zależy od charakterystyki załamania mediów na interfejsie.

Tak poza tym! Odbita wiązka jest zawsze spolaryzowana, nawet jeśli padające światło było niespolaryzowane.

Zasada Huygensa

Huygens to holenderski fizyk, któremu udało się wyprowadzić zasady umożliwiające opisanie fal o dowolnej naturze. To za jego pomocą najczęściej udowadniają zarówno prawo refleksji, jak i prawo załamania światła.

Jest to najprostsze schematyczne przedstawienie zasady Huygensa.

W tym przypadku światło rozumiane jest jako fala o płaskim kształcie, czyli wszystkie powierzchnie fal są płaskie. W tym przypadku powierzchnia fali to zbiór punktów z oscylacjami w tej samej fazie.

Sformułowanie brzmi tak: każdy punkt, do którego doszło do perturbacji, staje się następnie źródłem fal kulistych.

Na filmie prawo z fizyki klasy 8 jest wyjaśnione bardzo prostymi słowami za pomocą grafiki i animacji.

Zmiana Fiodorowa

Jest również nazywany efektem Fiodorowa-Embera. W tym przypadku następuje przemieszczenie wiązki światła z całkowitym odbiciem wewnętrznym. W tym przypadku przesunięcie jest nieznaczne, zawsze jest mniejsze niż długość fali. Z powodu tego przemieszczenia odbita wiązka nie leży w tej samej płaszczyźnie co wiązka padająca, co jest sprzeczne z prawem odbicia światła.

Dyplom za odkrycie naukowe otrzymał F.I. Fiodorow w 1980 roku.

Przemieszczenie poprzeczne promieni zostało teoretycznie udowodnione przez sowieckiego naukowca w 1955 roku dzięki obliczeniom matematycznym. Jeśli chodzi o eksperymentalne potwierdzenie tego efektu, francuski fizyk Amber zrobił to nieco później.

Stosowanie prawa w praktyce

Przykłady odbicia światła są wszechobecne.

Omawiane prawo jest znacznie bardziej powszechne, niż się wydaje. Ta zasada jest szeroko stosowana w różnych dziedzinach:

1. Lustro to najprostszy przykład. Jest to gładka powierzchnia, która dobrze odbija światło i inne rodzaje promieniowania. Stosowane są zarówno wersje płaskie, jak i elementy o innych kształtach, np. kuliste powierzchnie pozwalają na odsuwanie przedmiotów, co czyni je niezastąpionymi jako lusterka wsteczne w samochodzie.
2. Różne urządzenia optyczne działa również zgodnie z rozważanymi zasadami. Obejmuje to wszystko, od okularów, które można znaleźć wszędzie, po potężne teleskopy z wypukłymi soczewkami lub mikroskopy używane w medycynie i biologii.
3. Urządzenia ultradźwiękowe również stosować tę samą zasadę. Sprzęt ultradźwiękowy pozwala na dokładne badania. Promienie rentgenowskie rozchodzą się na tych samych zasadach.
4. kuchenka mikrofalowa - Kolejny przykład zastosowania omawianego prawa w praktyce. Obejmuje również wszystkie urządzenia działające pod wpływem promieniowania podczerwonego (na przykład noktowizory).
5. wklęsłe lustra Pozwól latarkom i lampom zwiększyć wydajność. W takim przypadku moc żarówki może być znacznie mniejsza niż bez użycia elementu lustrzanego.

Tak poza tym! Poprzez odbicie światła widzimy księżyc i gwiazdy.

Prawo odbicia światła wyjaśnia wiele zjawisk przyrodniczych, a znajomość jego cech umożliwiła stworzenie sprzętu, który jest szeroko stosowany w naszych czasach.