Die Gesetze der Lichtreflexion und die Geschichte ihrer Entdeckung

Das Gesetz der Lichtreflexion wurde durch Beobachtung und Experiment entdeckt. Natürlich kann man sie auch theoretisch ableiten, aber alle Prinzipien, die heute verwendet werden, wurden mit praktischen Mitteln ermittelt und begründet. Die Kenntnis der grundlegenden Merkmale dieses Phänomens hilft bei der Beleuchtungsplanung und der Auswahl der Geräte. Dieses Prinzip funktioniert auch in anderen Bereichen - Radiowellen, Röntgenstrahlen usw. verhalten sich bei der Reflexion genau gleich.

Was ist Lichtreflexion und ihre Varianten, Mechanismus

Das Gesetz wird wie folgt formuliert: Der einfallende und der reflektierte Strahl liegen in der gleichen Ebene mit einer Senkrechten zur reflektierenden Fläche, die aus dem Einfallspunkt hervorgeht. Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.

Im Wesentlichen ist die Reflexion ein physikalischer Prozess, bei dem ein Strahl, ein Teilchen oder eine Strahlung mit einer Ebene in Wechselwirkung tritt. Die Richtung der Wellen ändert sich an der Grenze zwischen den beiden Medien, weil sie unterschiedliche Eigenschaften haben. Das reflektierte Licht kehrt immer in das Medium zurück, aus dem es stammt. In den meisten Fällen ist mit der Reflexion auch das Phänomen der Wellenbrechung verbunden.

Dies ist eine schematische Erklärung des Gesetzes der Lichtreflexion.

Spiegelbildliche Reflexion

In diesem Fall besteht ein klares Verhältnis zwischen den reflektierten und den einfallenden Strahlen, das ist das Hauptmerkmal dieser Sorte. Für die spiegelnde Reflexion gibt es mehrere Hauptmerkmale:

1. Der reflektierte Strahl liegt immer in einer Ebene, die durch den einfallenden Strahl und die Normale zur reflektierenden Oberfläche verläuft, die am Einfallspunkt wiederhergestellt wird.
2. Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel des Lichtstrahls.
3. Die Eigenschaften des reflektierten Strahls sind proportional zur Polarisation des Strahls und seinem Einfallswinkel. Auch die Eigenschaften der beiden Medien beeinflussen den Index.

Bei der spiegelnden Reflexion sind die Einfalls- und Reflexionswinkel immer gleich groß.

Der Brechungsindex hängt von den Eigenschaften der Ebene und den Merkmalen des Lichts ab. Diese Reflexion ist überall dort zu finden, wo es glatte Oberflächen gibt. Die Bedingungen und Grundsätze können jedoch in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich sein.

Interne Totalreflexion

Charakteristisch für Schall und elektromagnetische Wellen. Entsteht dort, wo zwei Medien aufeinandertreffen. In diesem Fall müssen die Wellen aus dem Medium fallen, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit geringer ist. Im Falle des Lichts kann man sagen, dass die Brechungsindizes in diesem Fall stark ansteigen.

Die innere Totalreflexion ist charakteristisch für die Wasseroberfläche.

Der Einfallswinkel des Lichtstrahls beeinflusst den Brechungsindex. Mit zunehmendem Einfallswinkel nimmt die Intensität des reflektierten Lichts zu und die Intensität des gebrochenen Lichts ab. Wenn ein bestimmter kritischer Wert erreicht ist, sinken die Brechungsindizes auf Null, was zur Totalreflexion der Strahlen führt.

Der kritische Winkel wird individuell für verschiedene Medien berechnet.

Diffuse Lichtreflexion

Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, dass Strahlen, die auf eine unebene Oberfläche treffen, in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Reflektiertes Licht wird einfach gestreut, und aus diesem Grund kann man sein Spiegelbild auf einer unebenen oder matten Fläche nicht sehen. Das Phänomen der diffusen Strahlen wird beobachtet, wenn die Unregelmäßigkeiten gleich oder größer als die Wellenlänge sind.

Dieselbe Ebene kann für Licht oder Ultraviolett diffus reflektierend sein, aber das Infrarotspektrum gut reflektieren. Es hängt alles von den Eigenschaften der Wellen und der Oberfläche ab.

Die diffuse Reflexion ist aufgrund von Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche chaotisch.

Umgekehrte Reflexion

Dieses Phänomen wird beobachtet, wenn Strahlen, Wellen oder andere Teilchen zurück, d. h. in Richtung der Quelle, reflektiert werden. Diese Eigenschaft kann in der Astronomie, den Naturwissenschaften, der Medizin, der Fotografie und anderen Bereichen genutzt werden. Dank des konvexen Linsensystems in Teleskopen ist es möglich, das Licht von Sternen zu sehen, die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind.

Die Umkehrreflexion kann durch die Kugelform der reflektierenden Oberfläche gesteuert werden.

Es ist wichtig, bestimmte Bedingungen zu schaffen, damit das Licht zur Quelle zurückkehrt; dies wird meist durch Optik und Strahlsteuerung erreicht. Dieses Prinzip wird z. B. bei Ultraschalluntersuchungen angewandt; die reflektierten Ultraschallwellen bewirken, dass das Bild des untersuchten Organs auf dem Monitor angezeigt wird.

Geschichte der Entdeckung der Gesetze der Reflexion

Dieses Phänomen ist schon seit langem bekannt. Die Reflexion des Lichts wurde erstmals in dem Werk "Katoptrika" des griechischen Wissenschaftlers Euklid aus dem Jahr 200 v. Chr. erwähnt. Die ersten Experimente waren einfach, so dass es damals keine theoretische Grundlage gab, aber er war es, der das Phänomen entdeckte. Es wurde das Fermatsche Prinzip für Spiegelflächen verwendet.

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Fresnel-Formeln

Auguste Fresnel war ein französischer Physiker, der eine Reihe von Formeln ableitete, die heute noch weit verbreitet sind. Sie werden bei der Berechnung der Intensität und Amplitude von reflektierten und gebrochenen elektromagnetischen Wellen verwendet. Dabei müssen sie eine klare Grenze zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechkräften durchqueren.

Alle Phänomene, die den Formeln des französischen Physikers entsprechen, werden als Fresnelsche Reflexionen bezeichnet. Es ist jedoch zu bedenken, dass alle abgeleiteten Gesetze nur dann zutreffen, wenn die Medien isotrop sind und die Grenze zwischen ihnen klar ist. In diesem Fall ist der Einfallswinkel immer gleich dem Reflexionswinkel und der Wert der Brechung wird durch das Snellius-Gesetz bestimmt.

Es ist wichtig, dass es zwei Arten von Polarisation geben kann, wenn Licht auf eine ebene Fläche fällt:

1. Die p-Polarisation ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor der elektromagnetischen Feldstärke in der Einfallsebene liegt.
2. Die s-Polarisation unterscheidet sich von der ersten Art dadurch, dass der Intensitätsvektor der elektromagnetischen Wellen senkrecht auf der Ebene steht, in der sowohl die einfallenden als auch die reflektierten Strahlen liegen.

Fresnel leitete eine ganze Reihe von Formeln ab, mit denen sich alle erforderlichen Berechnungen durchführen lassen.

Die Formeln unterscheiden sich für Situationen mit unterschiedlicher Polarisation. Das liegt daran, dass die Polarisation die Eigenschaften des Strahls beeinflusst und er unterschiedlich reflektiert wird. Wenn das Licht in einem bestimmten Winkel einfällt, kann der reflektierte Strahl vollständig polarisiert sein. Dieser Winkel wird als Brewster-Winkel bezeichnet und hängt von den Brechungseigenschaften der Medien an der Grenzfläche ab.

Übrigens! Der reflektierte Strahl ist immer polarisiert, auch wenn das einfallende Licht unpolarisiert war.

Das Huygens-Prinzip

Huygens war ein niederländischer Physiker, dem es gelang, Prinzipien zur Beschreibung von Wellen jeglicher Art abzuleiten. Er war es, der am häufigsten verwendet wurde, um sowohl das Gesetz der Reflexion und ...das Gesetz der Lichtbrechung....

So sieht die einfachste schematische Darstellung des Huygens-Prinzips aus.

In diesem Fall ist das Licht als eine Welle von flacher Form gemeint, d.h. alle Wellenflächen sind flach. In diesem Fall ist die Wellenoberfläche ein Satz von Punkten, die in der gleichen Phase schwingen.

Der Wortlaut lautet wie folgtJeder Punkt, an dem eine Störung ankommt, wird zu einer Quelle von Kugelwellen.

Das Video erklärt das Gesetz aus der 8. Klasse Physik in sehr einfachen Worten mit Grafiken und Animationen.

Fedorov-Verschiebung

Er wird auch Fedorov-Ember-Effekt genannt. In diesem Fall kommt es zu einer Verschiebung des Lichtstrahls mit interner Totalreflexion. Die Verschiebung ist nicht signifikant und ist immer kleiner als die Wellenlänge. Aufgrund dieser Verschiebung liegt der reflektierte Strahl nicht in der gleichen Ebene wie der einfallende Strahl, was dem Gesetz der Lichtreflexion widerspricht.

Das Diplom für wissenschaftliche Entdeckungen wurde 1980 an F.I. Fedorov verliehen.

Die seitliche Verschiebung der Strahlen wurde 1955 von einem sowjetischen Wissenschaftler dank mathematischer Berechnungen theoretisch nachgewiesen. Was die experimentelle Bestätigung dieses Effekts angeht, so wurde sie wenig später von dem französischen Physiker Embert vorgenommen.

Anwendung des Rechts in der Praxis

Beispiele für die Reflexion von Licht sind überall zu finden.

Das fragliche Gesetz ist viel verbreiteter, als es scheint. Das Prinzip ist in vielen verschiedenen Bereichen weit verbreitet:

1. Spiegel - ist das einfachste Beispiel. Es handelt sich um eine glatte Oberfläche, die Licht und andere Strahlungsarten gut reflektiert. Es werden sowohl flache als auch anders geformte Elemente verwendet, z. B. ermöglichen kugelförmige Oberflächen die Ablenkung von Objekten, was sie als Rückspiegel in Autos unverzichtbar macht.
2. Verschiedene optische Geräte funktioniert auch dank der oben beschriebenen Prinzipien. Das reicht von Brillen, die überall zu finden sind, bis hin zu leistungsstarken Teleskopen mit konvexen Linsen oder Mikroskopen, die in der Medizin und Biologie eingesetzt werden.
3. Ultraschallgeräte auch das betreffende Prinzip anwenden. Ultraschallgeräte ermöglichen eine präzise Untersuchung. Röntgenstrahlen werden nach dem gleichen Prinzip verteilt.
4. Mikrowellenherde - Ein weiteres Beispiel für die Anwendung des Gesetzes in der Praxis. Auch alle Geräte, die mit Infrarotstrahlung betrieben werden (z. B. Nachtsichtgeräte), können hier erfasst werden.
5. Konkave Spiegel ermöglichen eine höhere Leistung von Taschenlampen und Leuchten. In diesem Fall kann die Leistung der Glühbirne viel geringer sein als ohne Spiegelelement.

Übrigens! Wir sehen den Mond und die Sterne aufgrund der Reflexion des Lichts.

Das Gesetz der Lichtreflexion erklärt viele Naturphänomene, und die Kenntnis seiner Eigenschaften hat es ermöglicht, Geräte zu entwickeln, die heute weit verbreitet sind.