Законите за отразяване на светлината и историята на тяхното откриване

Законът за отражението на светлината е открит чрез наблюдения и експерименти. Разбира се, тя може да бъде изведена и теоретично, но всички принципи, които се използват сега, са определени и обосновани с практически средства. Познаването на основните характеристики на това явление помага при планирането на осветлението и избора на оборудване. Този принцип работи и в други области - радиовълните, рентгеновите лъчи и т.н. се държат по абсолютно същия начин, когато се отразят.

Какво представлява отразяването на светлината и неговите разновидности, механизъм

Законът се формулира по следния начин: Падащите и отразените лъчи лежат в една и съща равнина с перпендикуляр към отразяващата повърхност, която излиза от точката на падане. Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение.

По същество отразяването е физически процес, при който лъч, частица или радиация взаимодейства с равнина. Посоката на вълните се променя на границата между двете среди, тъй като те имат различни свойства. Отразената светлина винаги се връща в средата, от която е дошла. Най-често отражението включва и явлението пречупване на вълните.

Това е схематично обяснение на закона за отражението на светлината.

Огледално отражение

В този случай има ясна връзка между отразените и падащите лъчи, което е основната характеристика на тази разновидност. Има няколко основни момента, характерни за огледалното отражение:

1. Отразеният лъч винаги е в равнина, която минава през падащия лъч и нормалата към отразяващата повърхност, която се възстановява в точката на падане.
2. Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение на светлинния лъч.
3. Характеристиките на отразения лъч са пропорционални на поляризацията на лъча и на ъгъла на падане. Също така характеристиките на двете медии оказват влияние върху индекса.

При огледалното отражение ъглите на падане и отразяване са винаги еднакви.

Показателят на пречупване зависи от свойствата на плоскостта и от характеристиките на светлината. Това отражение може да се открие навсякъде, където има гладки повърхности. Но условията и принципите могат да бъдат различни за различните среди.

Общо вътрешно отражение

Характеристика на звуковите и електромагнитните вълни. Възниква, когато се срещат две медии. В този случай вълните трябва да попаднат в среда, в която скоростта на разпространение е по-ниска. В случая със светлината можем да кажем, че показателите на пречупване в този случай се увеличават значително.

Пълното вътрешно отражение е характерно за повърхността на водата.

Ъгълът на падане на светлинния лъч влияе върху показателя на пречупване. С увеличаване на ъгъла на падане интензитетът на отразената светлина се увеличава, а интензитетът на пречупената светлина намалява. Когато се достигне определена критична стойност, показателите на пречупване намаляват до нула, което води до пълно отразяване на лъчите.

Критичният ъгъл се изчислява индивидуално за различните среди.

Дифузно отражение на светлината

Този вариант се характеризира с това, че когато лъчите попаднат върху неравна повърхност, те се отразяват в различни посоки. Отразената светлина просто се разпръсква и именно поради това не може да се види отражението върху неравна или матова повърхност. Феноменът на дифузните лъчи се наблюдава, когато неравномерностите са равни или по-големи от дължината на вълната.

Една и съща плоскост може да бъде дифузно отразяваща светлината или ултравиолетовите лъчи, но да отразява добре инфрачервения спектър. Всичко зависи от характеристиките на вълните и свойствата на повърхността.

Дифузното отражение е хаотично поради неравностите на повърхността.

Обратно отражение

Това явление се наблюдава, когато лъчи, вълни или други частици се отразяват обратно, т.е. към източника. Това свойство може да се използва в астрономията, естествените науки, медицината, фотографията и други области. Благодарение на системата от изпъкнали лещи в телескопите е възможно да се види светлината на звезди, които не са видими с просто око.

Обратното отражение може да се контролира чрез сферичната форма на отразяващата повърхност.

Важно е да се създадат определени условия, така че светлината да се върне към източника, като това най-често се постига чрез оптика и насочване на лъча. Този принцип се използва например при ултразвуковите изследвания; отразените ултразвукови вълни предизвикват изображението на изследвания орган, което се показва на монитора.

История на откриването на законите на отражението

Този феномен е известен отдавна. Отражението на светлината е споменато за първи път в труда "Катоптрика", написан от древногръцкия учен Евклид през 200 г. пр.н.е. Първите експерименти са прости, така че по онова време няма теоретична основа, но именно той открива явлението. Използван е принципът на Ферма за огледални повърхности.

Прочетете също

С каква скорост се разпространява светлината във вакуум

 

Формули на Френел

Огюст Френел е френски физик, който извежда редица формули, които се използват широко и днес. Те се използват при изчисляване на интензитета и амплитудата на отразените и пречупените електромагнитни вълни. При това те трябва да преминат през ясна граница между две среди с различна сила на пречупване.

Всички явления, които съответстват на формулите на френския физик, се наричат Френелово отражение. Но трябва да се има предвид, че всички изведени закони са верни само когато средите са изотропни и границата между тях е ясна. В този случай ъгълът на падане винаги е равен на ъгъла на отражение, а стойността на пречупването се определя от закона на Снелиус.

Важно е, че когато светлината пада върху плоска повърхност, може да има два вида поляризация:

1. Р-поляризацията се характеризира с това, че векторът на напрегнатостта на електромагнитното поле лежи в равнината на падане.
2. s-поляризацията се различава от първия тип по това, че векторът на интензитета на електромагнитните вълни е перпендикулярен на равнината, в която лежат както падащите, така и отразените лъчи.

Френел извежда цял набор от формули, които позволяват да се направят всички необходими изчисления.

Формулите се различават за ситуации с различна поляризация. Това е така, защото поляризацията влияе на характеристиките на лъча и той се отразява по различен начин. Когато светлината пада под определен ъгъл, отразеният лъч може да бъде напълно поляризиран. Този ъгъл се нарича ъгъл на Брюстър и зависи от характеристиките на пречупване на средата на границата.

Между другото! Отразеният лъч винаги е поляризиран, дори ако падащата светлина е била неполяризирана.

Принципът на Хюйгенс

Хюйгенс е холандски физик, който успява да изведе принципи за описание на вълни от всякакъв характер. Той е този, който най-често се използва за доказване на закона за отражението и ...закона за пречупване на светлината....

Така изглежда най-простото схематично представяне на принципа на Хюйгенс.

В този случай светлината се разбира като вълна с плоска форма, т.е. всички вълнови повърхности са плоски. В този случай повърхността на вълната е съвкупност от точки с трептения в една и съща фаза.

Формулировката е следната: всяка точка, до която достигне смущение, впоследствие се превръща в източник на сферични вълни.

Видеото обяснява закона от физиката в 8. клас с прости думи, като използва графики и анимация.

Смяна на Федоров

Нарича се още ефект на Федоров-Ембер. В този случай се наблюдава изместване на светлинния лъч с пълно вътрешно отражение. Изместването не е значително и винаги е по-малко от дължината на вълната. Поради това изместване отразеният лъч не лежи в една и съща равнина с падащия лъч, което противоречи на закона за отразяване на светлината.

Дипломата за научно откритие е връчена на Ф.И. Федоров през 1980 г.

Страничното изместване на лъчите е теоретично доказано от съветски учен през 1955 г. благодарение на математически изчисления. Експерименталното потвърждение на този ефект е направено малко по-късно от френския физик Ембер.

Използване на закона на практика

Примери за отразяване на светлината могат да бъдат открити навсякъде.

Въпросният закон е много по-разпространен, отколкото изглежда. Принципът се използва широко в много различни области:

1. Огледало - е най-простият пример. Това е гладка повърхност, която отразява добре светлината и други видове радиация. Използват се плоски версии, както и елементи с други форми, например сферични повърхности, които позволяват разсейване на обекти, което ги прави незаменими като огледала за обратно виждане в автомобилите.
2. Различно оптично оборудване също работи благодарение на принципите, разгледани по-горе. Това включва всичко - от очилата, които се срещат навсякъде, до мощните телескопи с изпъкнали лещи или микроскопите, използвани в медицината и биологията.
3. Ултразвукови апарати също използват въпросния принцип. Ултразвуковото оборудване позволява прецизни изследвания. Рентгеновите лъчи се разпространяват на същите принципи.
4. Микровълнови фурни - Още един пример за прилагането на закона на практика. Тук може да се включи и цялото оборудване, захранвано с инфрачервено лъчение (напр. оборудване за нощно виждане).
5. Вдлъбнати огледала позволяват на фенерите и осветителните тела да подобрят своите характеристики. В този случай мощността на електрическата крушка може да бъде много по-ниска, отколкото без огледалния елемент.

Между другото! Виждаме луната и звездите благодарение на отражението на светлината.

Законът за отражението на светлината обяснява много природни явления, а познаването на неговите характеристики е позволило да се създаде оборудване, което се използва широко днес.