Zákony odrazu světla a historie jejich objevu

Zákon odrazu světla byl objeven pozorováním a experimentem. Samozřejmě je lze odvodit i teoreticky, ale všechny principy, které se nyní používají, byly stanoveny a zdůvodněny v praxi. Znalost základních vlastností tohoto jevu pomáhá při plánování osvětlení a výběru vybavení. Tento princip funguje i v jiných oblastech - rádiové vlny, rentgenové záření atd. se při odrazu chovají úplně stejně.

Co je to odraz světla a jeho druhy, mechanismus

Zákon je formulován takto: Dopadající a odražené paprsky leží ve stejné rovině s kolmicí na odraznou plochu, která vychází z bodu dopadu. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

Odraz je v podstatě fyzikální proces, při kterém paprsek, částice nebo záření interaguje s rovinou. Směr vlnění se na hranici obou prostředí mění, protože mají různé vlastnosti. Odražené světlo se vždy vrací do prostředí, ze kterého vyšlo. Častěji se při odrazu projevuje také lom vln.

Toto je schematické vysvětlení zákona odrazu světla.

Zrcadlový odraz

V tomto případě existuje jasný vztah mezi odraženými a dopadajícími paprsky, což je hlavní charakteristikou této odrůdy. Pro zrcadlový odraz je charakteristických několik hlavních bodů:

1. Odražený paprsek je vždy v rovině, která prochází dopadajícím paprskem a normálou k odrazné ploše, která je obnovena v místě dopadu.
2. Úhel dopadu je roven úhlu odrazu světelného paprsku.
3. Charakteristiky odraženého paprsku jsou úměrné polarizaci paprsku a úhlu jeho dopadu. Na index mají vliv také vlastnosti obou médií.

Při zrcadlovém odrazu jsou úhly dopadu a odrazu vždy stejné.

Index lomu závisí na vlastnostech roviny a na vlastnostech světla. Tento odraz se vyskytuje všude tam, kde jsou hladké povrchy. Podmínky a zásady se však mohou v různých prostředích lišit.

Celkový vnitřní odraz

Charakteristika zvuku a elektromagnetických vln. Vzniká v místě, kde se setkávají dvě média. V tomto případě musí vlny dopadat z prostředí, kde je rychlost šíření nižší. V případě světla můžeme říci, že indexy lomu se v tomto případě výrazně zvyšují.

Úplný vnitřní odraz je charakteristický pro povrch vody.

Úhel dopadu světelného paprsku ovlivňuje index lomu. S rostoucím úhlem dopadu roste intenzita odraženého světla a klesá intenzita světla lomeného. Po dosažení určité kritické hodnoty se indexy lomu sníží na nulu, což vede k úplnému odrazu paprsků.

Kritický úhel se počítá individuálně pro různá média.

Odraz rozptýleného světla

Tato varianta se vyznačuje tím, že když paprsky dopadají na nerovný povrch, odrážejí se v různých směrech. Odražené světlo se jednoduše rozptyluje a právě proto nelze vidět odraz na nerovné nebo matné rovině. Jev rozptylu paprsků se projevuje, když jsou nerovnosti rovny nebo větší než vlnová délka.

Stejná rovina může být difuzně odrazivá pro světlo nebo ultrafialové záření, ale dobře odráží infračervené spektrum. Vše závisí na vlastnostech vln a povrchu.

Difuzní odraz je chaotický v důsledku nepravidelností povrchu.

Zpětný odraz

Tento jev pozorujeme, když se paprsky, vlny nebo jiné částice odrážejí zpět, tj. směrem ke zdroji. Tuto vlastnost lze využít v astronomii, přírodních vědách, lékařství, fotografii a dalších oborech. Díky systému vypouklých čoček v dalekohledech je možné pozorovat světlo hvězd, které nejsou viditelné pouhým okem.

Zpětný odraz lze řídit kulovým tvarem odrazné plochy.

Je důležité vytvořit určité podmínky, aby se světlo vrátilo ke zdroji, čehož se nejčastěji dosahuje pomocí optiky a řízení paprsku. Tento princip se využívá například při ultrazvukovém vyšetření; odražené ultrazvukové vlny způsobují zobrazení obrazu vyšetřovaného orgánu na monitoru.

Historie objevu zákonů odrazu

Tento jev byl znám již dávno. První zmínka o odrazu světla se objevuje v díle "Katoptrika", které napsal starořecký vědec Euklides již 200 let před naším letopočtem. První pokusy byly jednoduché, takže v té době nevznikl žádný teoretický základ, ale byl to on, kdo tento jev objevil. Byl použit Fermatův princip pro zrcadlové plochy.

Přečtěte si také

Jakou rychlostí se šíří světlo ve vakuu?

 

Fresnelovy vzorce

Auguste Fresnel byl francouzský fyzik, který odvodil řadu vzorců, které se dodnes hojně používají. Používají se při výpočtu intenzity a amplitudy odražených a lomených elektromagnetických vln. Přitom musí procházet zřetelnou hranicí mezi dvěma médii s různou lomivostí.

Všechny jevy, které odpovídají vzorcům francouzského fyzika, se nazývají Fresnelův odraz. Je však třeba mít na paměti, že všechny odvozené zákony platí pouze tehdy, když jsou média izotropní a hranice mezi nimi je jasná. V tomto případě je úhel dopadu vždy roven úhlu odrazu a hodnota lomu je určena Snelliovým zákonem.

Důležité je, že když světlo dopadá na rovný povrch, může docházet ke dvěma druhům polarizace:

1. P-polarizace se vyznačuje tím, že vektor intenzity elektromagnetického pole leží v rovině dopadu.
2. s-polarizace se od prvního typu liší tím, že vektor intenzity elektromagnetického vlnění je kolmý k rovině, v níž leží dopadající i odražený paprsek.

Fresnel odvodil celou řadu vzorců, které umožňují provést všechny potřebné výpočty.

Vzorce pro situace s různou polarizací se liší. Je to proto, že polarizace ovlivňuje vlastnosti paprsku a ten se odráží jinak. Když světlo dopadá pod určitým úhlem, může být odražený paprsek plně polarizovaný. Tento úhel se nazývá Brewsterův úhel a závisí na refrakčních vlastnostech prostředí na rozhraní.

Mimochodem! Odražený paprsek je vždy polarizovaný, i když dopadající světlo bylo nepolarizované.

Huygensův princip

Huygens byl holandský fyzik, kterému se podařilo odvodit principy pro popis vln jakékoli povahy. Právě on byl nejčastěji používán k prokázání zákona odrazu i zákona o. ...zákon lomu světla....

Takto vypadá nejjednodušší schematické znázornění Huygensova principu.

V tomto případě je světlo chápáno jako vlnění plochého tvaru, tj. všechny vlnové plochy jsou ploché. V tomto případě je vlnová plocha souborem bodů s kmitáním ve stejné fázi.

Znění je následující: každý bod, do něhož dorazí rušivý signál, se následně stane zdrojem sférických vln.

Video vysvětluje zákon z fyziky v 8. třídě velmi jednoduše pomocí grafiky a animace.

Posun Fedorova

Nazývá se také Fedorov-Emberův efekt. V tomto případě dochází k posunu světelného paprsku s úplným vnitřním odrazem. Posun není výrazný a je vždy menší než vlnová délka. V důsledku tohoto posunu neleží odražený paprsek ve stejné rovině jako dopadající paprsek, což je v rozporu se zákonem odrazu světla.

Diplom za vědecký objev byl F. I. Fedorovovi udělen v roce 1980.

Boční posun paprsků teoreticky prokázal sovětský vědec v roce 1955 díky matematickým výpočtům. Experimentální potvrzení tohoto jevu provedl o něco později francouzský fyzik Embert.

Využití práva v praxi

Příklady odrazu světla najdeme všude.

Dotyčný zákon je mnohem běžnější, než se zdá. Tento princip je široce využíván v mnoha různých oblastech:

1. Zrcadlo - je nejjednodušším příkladem. Jedná se o hladký povrch, který dobře odráží světlo a jiné druhy záření. Používají se ploché verze i prvky jiných tvarů, např. sférické povrchy umožňují rozptýlení objektů, takže jsou nepostradatelné jako zpětná zrcátka v automobilech.
2. Různá optická zařízení funguje také díky výše uvedeným principům. Patří sem vše od brýlí, které najdete všude, až po výkonné dalekohledy s vypouklými čočkami nebo mikroskopy používané v medicíně a biologii.
3. Ultrazvukové přístroje také používat daný princip. Ultrazvukové zařízení umožňuje přesné vyšetření. Rentgenové záření se rozděluje na stejných principech.
4. Mikrovlnné trouby - Další příklad uplatňování práva v praxi. Sem lze zařadit také všechna zařízení napájená infračerveným zářením (např. přístroje pro noční vidění).
5. Konkávní zrcadla umožňují svítilnám a svítidlům zvýšit jejich výkon. V tomto případě může být výkon žárovky mnohem nižší než bez zrcadlového prvku.

Mimochodem! Měsíc a hvězdy vidíme díky odrazu světla.

Zákon odrazu světla vysvětluje mnoho přírodních jevů a znalost jeho vlastností umožnila vytvořit zařízení, která se dnes hojně používají.