Valon heijastumisen lait ja niiden löytämisen historiaa

Valon heijastuslaki löydettiin havainnoimalla ja kokeilemalla. Tietenkin se voidaan johtaa myös teoreettisesti, mutta kaikki nykyisin käytetyt periaatteet on määritetty ja perusteltu käytännön keinoin. Tämän ilmiön peruspiirteiden tunteminen auttaa valaistuksen suunnittelussa ja laitteiden valinnassa. Tämä periaate toimii myös muilla aloilla - radioaallot, röntgensäteet jne. käyttäytyvät heijastuessaan täsmälleen samalla tavalla.

Mikä on valon heijastuminen ja sen lajikkeet, mekanismi

Laki on muotoiltu seuraavasti: Tapaava ja heijastunut säde ovat samassa tasossa, jonka suunta on kohtisuorassa heijastuspintaan nähden ja joka syntyy osumapisteestä. Kohtauskulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma.

Heijastuminen on pohjimmiltaan fysikaalinen prosessi, jossa säde, hiukkanen tai säteily on vuorovaikutuksessa tason kanssa. Aaltojen suunta muuttuu kahden väliaineen rajalla, koska niiden ominaisuudet ovat erilaiset. Heijastunut valo palaa aina takaisin siihen väliaineeseen, josta se tuli. Useimmiten heijastumiseen liittyy myös aaltojen taittuminen.

Tämä on kaavamainen selitys valon heijastuslaista.

Peilin heijastus

Tässä tapauksessa heijastuneiden ja saapuvien säteiden välillä on selkeä suhde, mikä on tämän lajikkeen tärkein ominaisuus. Peiliheijastukselle on ominaista useita pääkohtia:

1. Heijastunut säde on aina tasossa, joka kulkee tulevan säteen ja heijastavan pinnan normaalin kautta, joka on palautettu kohtaamispisteeseen.
2. Lävistymiskulma on yhtä suuri kuin valonsäteen heijastuskulma.
3. Heijastuneen säteen ominaisuudet ovat verrannollisia säteen polarisaatioon ja sen kohtauskulmaan. Myös näiden kahden tiedotusvälineen ominaisuudet vaikuttavat indeksiin.

Kun kyseessä on peilikuvaheijastus, osumis- ja heijastuskulmat ovat aina samat.

Taitekerroin riippuu tason ominaisuuksista ja valon ominaisuuksista. Tätä heijastusta esiintyy kaikkialla, missä on sileitä pintoja. Olosuhteet ja periaatteet voivat kuitenkin vaihdella eri ympäristöissä.

Sisäinen kokonaisheijastus

Äänen ja sähkömagneettisten aaltojen ominaisuus. Tapahtuu, kun kaksi tiedotusvälinettä kohtaavat. Tällöin aaltojen on pudottava väliaineesta, jossa etenemisnopeus on pienempi. Valon tapauksessa voidaan sanoa, että taitekertoimet kasvavat tässä tapauksessa huomattavasti.

Sisäinen kokonaisheijastus on ominaista veden pinnalle.

Valonsäteen tulokulma vaikuttaa taitekertoimeen. Kun kohtauskulma kasvaa, heijastuneen valon voimakkuus kasvaa ja taittuneen valon voimakkuus pienenee. Kun tietty kriittinen arvo saavutetaan, taitekertoimet laskevat nollaan, jolloin säteet heijastuvat kokonaan.

Kriittinen kulma lasketaan erikseen eri väliaineille.

Hajavalon heijastuminen

Tälle muunnokselle on ominaista, että kun säteet osuvat epätasaiseen pintaan, ne heijastuvat eri suuntiin. Heijastunut valo yksinkertaisesti hajoaa, ja juuri tästä syystä heijastusta ei voi nähdä epätasaisella tai mattapintaisella pinnalla. Säteiden diffuusioilmiö havaitaan, kun epäsäännöllisyydet ovat yhtä suuria tai suurempia kuin aallonpituus.

Sama taso voi heijastaa valoa tai ultraviolettisäteilyä hajanaisesti, mutta heijastaa hyvin infrapunaspektriä. Kaikki riippuu aaltojen ominaisuuksista ja pinnan ominaisuuksista.

Diffuusi heijastus on kaoottista pinnan epäsäännöllisyyksien vuoksi.

Käänteinen heijastus

Tämä ilmiö havaitaan, kun säteet, aallot tai muut hiukkaset heijastuvat takaisin eli kohti lähdettä. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää tähtitieteessä, luonnontieteissä, lääketieteessä, valokuvauksessa ja muilla aloilla. Kaukoputkien kuperien linssien ansiosta on mahdollista nähdä sellaisten tähtien valo, jotka eivät näy paljain silmin.

Käänteistä heijastusta voidaan hallita heijastavan pinnan pallomaisella muodolla.

On tärkeää luoda tietyt olosuhteet, jotta valo palaa takaisin lähteeseen, ja tämä saavutetaan useimmiten optiikan ja säteen ohjauksen avulla. Tätä periaatetta käytetään esimerkiksi ultraäänitutkimuksissa; heijastuneet ultraääniaallot saavat aikaan sen, että monitorilla näkyy kuva tutkittavasta elimestä.

Heijastuslakien löytämisen historiaa

Tämä ilmiö tunnettiin jo kauan sitten. Valon heijastuminen mainittiin ensimmäisen kerran antiikin kreikkalaisen tiedemiehen Eukleideen teoksessa "Katoptrika", joka on peräisin vuodelta 200 eKr. Ensimmäiset kokeet olivat yksinkertaisia, joten teoreettista perustaa ei tuolloin syntynyt, mutta hän oli se, joka löysi ilmiön. Käytettiin Fermat'n periaatetta peilipinnoille.

Lue myös

Millä nopeudella valo etenee tyhjiössä?

 

Fresnelin kaavat

Auguste Fresnel oli ranskalainen fyysikko, joka kehitti useita kaavoja, jotka ovat edelleen laajalti käytössä. Niitä käytetään laskettaessa heijastuneiden ja taittuneiden sähkömagneettisten aaltojen voimakkuutta ja amplitudia. Tällöin niiden on kuljettava kahden eri taitekyvyn omaavan väliaineen välisen selkeän rajan läpi.

Kaikkia ilmiöitä, jotka sopivat ranskalaisen fyysikon kaavoihin, kutsutaan Fresnelin heijastukseksi. On kuitenkin muistettava, että kaikki johdetut lait pitävät paikkansa vain silloin, kun väliaineet ovat isotrooppisia ja niiden välinen raja on selkeä. Tällöin osumakulma on aina yhtä suuri kuin heijastuskulma, ja taitekulma määräytyy Snelliuksen lain mukaan.

On tärkeää, että kun valo osuu tasaiselle pinnalle, voi olla kahdenlaista polarisaatiota:

1. P-polarisaatiolle on ominaista se, että sähkömagneettisen kentän voimakkuusvektori on osumistasossa.
2. s-polarisaatio eroaa ensimmäisestä tyypistä siinä, että sähkömagneettisten aaltojen intensiteettivektori on kohtisuorassa siihen tasoon nähden, jossa sekä tuleva että heijastunut säde sijaitsevat.

Fresnel kehitti koko joukon kaavoja, joiden avulla voidaan tehdä kaikki tarvittavat laskelmat.

Kaavat eri polarisaatiotilanteissa ovat erilaiset. Tämä johtuu siitä, että polarisaatio vaikuttaa säteen ominaisuuksiin ja se heijastuu eri tavalla. Kun valo osuu tietyssä kulmassa, heijastunut säde voi olla täysin polarisoitunut. Tätä kulmaa kutsutaan Brewsterin kulmaksi, ja se riippuu rajapinnan väliaineiden taittumisominaisuuksista.

Muuten! Heijastunut säde on aina polarisoitunut, vaikka tuleva valo olisikin polarisoitumatonta.

Huygensin periaate

Huygens oli alankomaalainen fyysikko, joka onnistui johtamaan periaatteet kaikenlaisten aaltojen kuvaamiseksi. Se oli hän, jota käytettiin useimmiten todistaa sekä laki heijastuksen ja ...valon taittumislaki....

Huygensin periaatteen yksinkertaisin kaavamainen esitys näyttää tältä.

Tässä tapauksessa valolla tarkoitetaan litteää aaltoa, eli kaikki aallon pinnat ovat litteitä. Tällöin aallonpinta on joukko pisteitä, joiden värähtely on samassa vaiheessa.

Sanamuoto on seuraava: mistä tahansa pisteestä, johon häiriö saapuu, tulee sittemmin palloaaltojen lähde.

Videolla selitetään 8. luokan fysiikan laki hyvin yksinkertaisin sanoin käyttäen grafiikkaa ja animaatiota.

Fedorov shift

Sitä kutsutaan myös Fedorov-Ember-ilmiöksi. Tällöin valonsäde siirtyy täydellisen sisäisen heijastuksen myötä. Siirtymä ei ole merkittävä, ja se on aina pienempi kuin aallonpituus. Tämän siirtymän vuoksi heijastunut säde ei ole samassa tasossa kuin tuleva säde, mikä on vastoin valon heijastuslakia.

F.I. Fedoroville myönnettiin tutkintotodistus tieteellisestä keksinnöstä vuonna 1980.

Neuvostoliittolainen tiedemies todisti säteiden sivuttaissiirtymän teoreettisesti vuonna 1955 matemaattisten laskelmien avulla. Ranskalainen fyysikko Embert vahvisti tämän vaikutuksen kokeellisesti hieman myöhemmin.

Lain soveltaminen käytännössä

Esimerkkejä valon heijastumisesta löytyy kaikkialta.

Kyseinen laki on paljon yleisempi kuin miltä se näyttää. Periaatetta käytetään laajalti monilla eri aloilla:

1. Peili - on yksinkertaisin esimerkki. Se on sileä pinta, joka heijastaa hyvin valoa ja muuta säteilyä. Käytetään sekä litteitä versioita että muunmuotoisia elementtejä, esimerkiksi pallomaiset pinnat mahdollistavat kohteiden häiritsemisen, mikä tekee niistä välttämättömiä autojen taustapeileinä.
2. Erilaiset optiset laitteet toimii myös edellä mainittujen periaatteiden ansiosta. Näihin kuuluu kaikki silmälaseista, joita on kaikkialla, voimakkaisiin teleskooppeihin, joissa on kuperat linssit, tai lääketieteessä ja biologiassa käytettäviin mikroskooppeihin.
3. Ultraäänilaitteet käyttää myös kyseistä periaatetta. Ultraäänilaitteet mahdollistavat tarkat tutkimukset. Röntgensäteet jaetaan samoilla periaatteilla.
4. Mikroaaltouunit - Toinen esimerkki lain soveltamisesta käytännössä. Kaikki infrapunasäteilyllä toimivat laitteet (esim. pimeänäkölaitteet) voidaan myös sisällyttää tähän.
5. Koverat peilit mahdollistavat taskulamppujen ja valaisimien suorituskyvyn parantamisen. Tällöin hehkulampun teho voi olla paljon pienempi kuin ilman peilielementtiä.

Muuten! Näemme kuun ja tähdet valon heijastumisen vuoksi.

Valon heijastuslaki selittää monia luonnonilmiöitä, ja sen ominaisuuksien tunteminen on mahdollistanut nykyisin laajalti käytettyjen laitteiden luomisen.