A fényvisszaverődés törvényei és felfedezésük története

A fény visszaverődésének törvényét megfigyeléssel és kísérletekkel fedezték fel. Természetesen elméletileg is le lehet vezetni, de a most használt elveket mind gyakorlati úton határozták meg és igazolták. E jelenség alapvető jellemzőinek ismerete segít a világítás tervezésében és a berendezések kiválasztásában. Ez az elv más területeken is működik - a rádióhullámok, röntgensugarak stb. pontosan ugyanígy viselkednek visszaverődve.

Mi a fényvisszaverődés és fajtái, mechanizmusa

A törvényt a következőképpen fogalmazzák meg: A beeső és a visszavert sugárnyalábok ugyanabban a síkban fekszenek, amelynek a beesési pontból kiinduló visszaverő felületre merőleges a síkja. A beesési szög megegyezik a visszaverődési szöggel.

A visszaverődés lényegében egy olyan fizikai folyamat, amelynek során egy sugár, részecske vagy sugárzás kölcsönhatásba lép egy síkkal. A hullámok iránya megváltozik a két közeg határán, mivel azok eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. A visszavert fény mindig visszatér abba a közegbe, ahonnan származik. A visszaverődés leggyakrabban a hullámtörés jelenségét is magában foglalja.

Ez a fényvisszaverődés törvényének sematikus magyarázata.

Tükörreflexió

Ebben az esetben egyértelmű kapcsolat van a visszavert és a beeső sugarak között, ez a fajta fő jellemzője. A tükörreflexióra több fő pont jellemző:

1. A visszavert sugár mindig egy olyan síkban van, amely áthalad a beeső sugár és a visszaverő felület normálisán, amely a beesési ponton visszaáll.
2. A beesési szög megegyezik a fénysugár visszaverődési szögével.
3. A visszavert sugár jellemzői a sugár polarizációjával és beesési szögével arányosak. A két médium jellemzői is hatással vannak az indexre.

A tükörreflexió esetén a beesési és a visszaverődési szögek mindig azonosak.

A törésmutató a sík tulajdonságaitól és a fény jellemzőitől függ. Ez a tükröződés mindenhol megtalálható, ahol sima felületek vannak. A feltételek és elvek azonban különböző környezetekben eltérőek lehetnek.

Teljes belső reflexió

A hang és az elektromágneses hullámok jellemzője. Két médium találkozásánál fordul elő. Ebben az esetben a hullámoknak abból a közegből kell kiesniük, ahol a terjedési sebesség kisebb. A fény esetében azt mondhatjuk, hogy a törésmutatók ebben az esetben nagymértékben megnőnek.

A teljes belső visszaverődés a vízfelületre jellemző.

A fénysugár beesési szöge befolyásolja a törésmutatót. A beesési szög növekedésével a visszavert fény intenzitása növekszik, a megtört fény intenzitása pedig csökken. Egy bizonyos kritikus érték elérésekor a törésmutatók nullára csökkennek, ami a sugarak teljes visszaverődését eredményezi.

A kritikus szöget a különböző közegekre külön-külön számítják ki.

Diffúz fényvisszaverődés

Ezt a változatot az jellemzi, hogy amikor a sugarak egyenetlen felületre érkeznek, különböző irányokba verődnek vissza. A visszavert fény egyszerűen szóródik, és emiatt nem látjuk a tükörképünket egyenetlen vagy matt síkon. A diffúz sugárzás jelensége akkor figyelhető meg, ha a szabálytalanságok a hullámhosszal egyenlőek vagy annál nagyobbak.

Ugyanaz a sík lehet diffúzan fényvisszaverő vagy ultraibolya, de jól visszaveri az infravörös spektrumot. Minden a hullámok jellemzőitől és a felület tulajdonságaitól függ.

A diffúz visszaverődés a felület szabálytalanságai miatt kaotikus.

Fordított tükrözés

Ez a jelenség akkor figyelhető meg, amikor sugarak, hullámok vagy más részecskék visszaverődnek vissza, azaz a forrás felé. Ez a tulajdonság a csillagászatban, a természettudományokban, az orvostudományban, a fényképészetben és más területeken használható. A távcsövek domború lencserendszerének köszönhetően olyan csillagok fénye is láthatóvá válik, amelyek szabad szemmel nem láthatók.

A visszaverődés a fényvisszaverő felület gömb alakjával szabályozható.

Fontos, hogy bizonyos feltételeket teremtsünk, hogy a fény visszatérjen a forráshoz, ezt leggyakrabban optikával és sugárirányítással érjük el. Ezt az elvet például az ultrahangvizsgálatoknál alkalmazzák; a visszavert ultrahanghullámok hatására a vizsgált szerv képe megjelenik a monitoron.

A reflexiós törvények felfedezésének története

Ez a jelenség már régóta ismert. A fény visszaverődését először a "Katoptrika" című művében említette az ókori görög tudós, Euklidész, amely i. e. 200-ban íródott. Az első kísérletek egyszerűek voltak, így akkoriban nem alakult ki elméleti alap, de ő volt az, aki felfedezte a jelenséget. Fermat elvét használták tükörfelületekre.

Olvassa el továbbá

Milyen sebességgel terjed a fény a vákuumban?

 

Fresnel-képletek

Auguste Fresnel francia fizikus volt, aki számos, ma is széles körben használt képletet vezetett le. Ezeket a visszavert és megtörött elektromágneses hullámok intenzitásának és amplitúdójának kiszámításakor használják. Ennek során két különböző törőerejű közeg közötti világos határon kell áthaladniuk.

Minden olyan jelenséget, amely megfelel a francia fizikus képleteinek, Fresnel-tükröződésnek nevezünk. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy az összes levezetett törvény csak akkor igaz, ha a közegek izotrópok és a köztük lévő határ világos. Ebben az esetben a beesési szög mindig megegyezik a visszaverődési szöggel, a fénytörés értékét pedig a Snellius-törvény határozza meg.

Fontos, hogy amikor a fény egy sík felületre esik, kétféle polarizáció lehet:

1. A p-polarizációra jellemző, hogy az elektromágneses térerősség vektora a beesési síkban van.
2. Az s-polarizáció abban különbözik az első típustól, hogy az elektromágneses hullámok intenzitásvektora merőleges arra a síkra, amelyben mind a beeső, mind a visszavert sugárnyalábok fekszenek.

Fresnel egy egész sor képletet vezetett le, amelyek lehetővé teszik az összes szükséges számítás elvégzését.

A képletek eltérő polarizációjú helyzetekre eltérőek. Ennek oka, hogy a polarizáció befolyásolja a sugár jellemzőit, és az másképp verődik vissza. Ha a fény egy bizonyos szögben esik, a visszavert sugár teljesen polarizált lehet. Ezt a szöget Brewster-szögnek nevezik, és a határfelületen lévő közegek fénytörési jellemzőitől függ.

Egyébként! A visszavert sugár mindig polarizált, még akkor is, ha a beeső fény polarizálatlan volt.

A Huygens-elv

Huygens holland fizikus volt, akinek sikerült olyan elveket levezetnie, amelyekkel bármilyen természetű hullámok leírhatók. Ő volt az, aki a leggyakrabban használták bizonyítani mind a törvény a reflexió és a ...a fénytörés törvénye....

Így néz ki a Huygens-elv legegyszerűbb sematikus ábrázolása.

Ebben az esetben a fényt sík alakú hullámnak tekintjük, azaz minden hullámfelület sík. Ebben az esetben a hullámfelület azonos fázisú rezgéspontok halmaza.

A megfogalmazás így szól: minden olyan pont, amelybe egy perturbáció érkezik, később gömbhullámok forrásává válik.

A videó nagyon egyszerű szavakkal, grafikákkal és animációval magyarázza el a 8. osztályos fizikából ismert törvényt.

Fedorov váltás

Ezt Fedorov-Ember-effektusnak is nevezik. Ebben az esetben a fénysugár teljes belső visszaverődéssel eltolódik. Az eltolódás nem jelentős, és mindig kisebb, mint a hullámhossz. Emiatt az eltolódás miatt a visszavert sugár nem ugyanabban a síkban van, mint a beeső sugár, ami ellentétes a fényvisszaverődés törvényével.

A tudományos felfedezésért járó oklevelet 1980-ban F. I. Fedorov kapta.

A sugarak oldalirányú elmozdulását egy szovjet tudós 1955-ben matematikai számításoknak köszönhetően elméletileg bizonyította. Ami ennek a hatásnak a kísérleti megerősítését illeti, azt valamivel később Embert francia fizikus végezte el.

A jog alkalmazása a gyakorlatban

A fény visszaverődésére mindenütt találhatunk példákat.

A szóban forgó törvény sokkal gyakoribb, mint amilyennek látszik. Az elvet széles körben alkalmazzák számos különböző területen:

1. Tükör - a legegyszerűbb példa. Sima felület, amely jól visszaveri a fényt és más típusú sugárzásokat. Sík változatok, valamint más formájú elemek is használatosak, például a gömbfelületek lehetővé teszik a tárgyak elvonatkoztatását, így nélkülözhetetlenek az autók visszapillantó tükreiként.
2. Különböző optikai berendezések szintén működik a fent tárgyalt elveknek köszönhetően. Ide tartozik minden, a mindenhol megtalálható szemüvegektől kezdve a domború lencsével ellátott nagy teljesítményű távcsövekig vagy az orvostudományban és a biológiában használt mikroszkópokig.
3. Ultrahangos gépek szintén használják a szóban forgó elvet. Az ultrahangkészülékek pontos vizsgálatokat tesznek lehetővé. A röntgensugarakat ugyanezen elvek alapján osztják el.
4. Mikrohullámú sütők - Egy másik példa a jog gyakorlati alkalmazására. Minden infravörös sugárzással működő berendezés (pl. éjjellátó berendezés) szintén ide sorolható.
5. Homorú tükrök lehetővé teszik a fáklyák és lámpatestek teljesítményének növelését. Ebben az esetben az izzó teljesítménye sokkal kisebb lehet, mint a tükrös elem nélkül.

Egyébként! A holdat és a csillagokat a fény visszaverődése miatt látjuk.

A fényvisszaverődés törvénye számos természeti jelenséget magyaráz, és a fényvisszaverődés jellemzőinek ismerete lehetővé tette a ma széles körben használt berendezések létrehozását.