Le leggi della riflessione della luce e la storia della loro scoperta
La legge della riflessione della luce è stata scoperta dall'osservazione e dall'esperimento. Certo, si può anche dedurre teoricamente, ma tutti i principi che si usano ora sono stati determinati e giustificati con mezzi pratici. Conoscere le caratteristiche di base di questo fenomeno aiuta la pianificazione dell'illuminazione e la selezione delle attrezzature. Questo principio funziona anche in altre aree - le onde radio, i raggi X ecc. si comportano esattamente allo stesso modo quando vengono riflesse.
Cos'è la riflessione della luce e le sue varietà, il meccanismo
La legge è formulata come segue: i raggi incidenti e riflessi giacciono nello stesso piano con una perpendicolare alla superficie riflettente che emerge dal punto di incidenza. L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione.
Essenzialmente, la riflessione è un processo fisico per cui un raggio, una particella o una radiazione interagisce con un piano. La direzione delle onde cambia al confine dei due mezzi perché hanno proprietà diverse. La luce riflessa ritorna sempre nel mezzo da cui proviene. Il più delle volte, la riflessione comporta anche il fenomeno della rifrazione delle onde.
Riflessione dello specchio
In questo caso c'è una chiara relazione tra i raggi riflessi e quelli incidenti, questa è la caratteristica principale di questa varietà. Ci sono diversi punti principali caratteristici della riflessione speculare:
- Il fascio riflesso è sempre in un piano che passa attraverso il fascio incidente e la normale alla superficie riflettente, che viene ripristinata nel punto di incidenza.
- L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione del fascio di luce.
- Le caratteristiche del fascio riflesso sono proporzionali alla polarizzazione del fascio e al suo angolo di incidenza. Anche le caratteristiche dei due media influenzano l'indice.
L'indice di rifrazione dipende dalle proprietà del piano e dalle caratteristiche della luce. Questo riflesso può essere trovato ovunque ci siano superfici lisce. Ma le condizioni e i principi possono variare per ambienti diversi.
Riflessione interna totale
Caratteristica delle onde sonore ed elettromagnetiche. Si verifica quando due media si incontrano. In questo caso le onde devono cadere dal mezzo dove la velocità di propagazione è più bassa. Nel caso della luce possiamo dire che gli indici di rifrazione in questo caso aumentano molto.
L'angolo di incidenza del fascio di luce influenza l'indice di rifrazione. All'aumentare dell'angolo di incidenza, l'intensità della luce riflessa aumenta e l'intensità della luce rifratta diminuisce. Quando si raggiunge un certo valore critico, gli indici di rifrazione diminuiscono fino a zero, provocando la riflessione totale dei raggi.
L'angolo critico è calcolato individualmente per i diversi media.
Riflessione della luce diffusa
Questa variante è caratterizzata dal fatto che quando i raggi colpiscono una superficie irregolare vengono riflessi in diverse direzioni. La luce riflessa si disperde semplicemente ed è per questo che non si può vedere il proprio riflesso su un piano irregolare o opaco. Il fenomeno dei raggi diffusi si osserva quando le irregolarità sono uguali o superiori alla lunghezza d'onda.
Lo stesso piano può essere diffusamente riflettente per la luce o l'ultravioletto, ma riflettere bene lo spettro infrarosso. Tutto dipende dalle caratteristiche delle onde e dalle proprietà della superficie.
Riflessione inversa
Questo fenomeno si osserva quando raggi, onde o altre particelle vengono riflesse indietro, cioè verso la fonte. Questa proprietà può essere utilizzata in astronomia, scienze naturali, medicina, fotografia e altri campi. Grazie al sistema di lenti convesse nei telescopi, è possibile vedere la luce delle stelle che non sono visibili ad occhio nudo.
È importante creare certe condizioni in modo che la luce ritorni alla fonte, questo è più spesso ottenuto attraverso l'ottica e il beam steering. Per esempio, questo principio è utilizzato negli esami a ultrasuoni; le onde ultrasoniche riflesse fanno sì che l'immagine dell'organo in esame sia visualizzata sul monitor.
Storia della scoperta delle leggi della riflessione
Questo fenomeno era noto da molto tempo. La riflessione della luce fu menzionata per la prima volta nell'opera "Katoptrika", che risale al 200 a.C., scritta dall'antico scienziato greco Euclide. I primi esperimenti erano semplici, quindi all'epoca non emergevano basi teoriche, ma fu lui a scoprire il fenomeno. È stato utilizzato il principio di Fermat per le superfici speculari.
Formule di Fresnel
Auguste Fresnel era un fisico francese che ha derivato una serie di formule che sono ancora ampiamente utilizzate oggi. Si usano per calcolare l'intensità e l'ampiezza delle onde elettromagnetiche riflesse e rifratte. Nel fare ciò, devono passare attraverso un confine chiaro tra due mezzi con poteri di rifrazione diversi.
Tutti i fenomeni che si adattano alle formule del fisico francese sono chiamati riflessi Fresneliani. Ma bisogna ricordare che tutte le leggi dedotte sono vere solo quando i mezzi sono isotropi e il confine tra loro è chiaro. In questo caso l'angolo di incidenza è sempre uguale all'angolo di riflessione e il valore della rifrazione è determinato dalla legge di Snellius.
È importante che quando la luce cade su una superficie piatta, ci possono essere due tipi di polarizzazione:
- La p-polarizzazione è caratterizzata dal fatto che il vettore di forza del campo elettromagnetico si trova nel piano di incidenza.
- La polarizzazione s differisce dal primo tipo in quanto il vettore di intensità delle onde elettromagnetiche è perpendicolare al piano in cui si trovano sia il fascio incidente che quello riflesso.
Le formule per situazioni con polarizzazione diversa sono diverse. Questo perché la polarizzazione influenza le caratteristiche del fascio e viene riflesso in modo diverso. Quando la luce cade con un certo angolo, il raggio riflesso può essere completamente polarizzato. Questo angolo è chiamato angolo di Brewster e dipende dalle caratteristiche di rifrazione dei media all'interfaccia.
A proposito! Il raggio riflesso è sempre polarizzato anche se la luce incidente non era polarizzata.
Il principio di Huygens
Huygens era un fisico olandese che riuscì a derivare dei principi per descrivere le onde di qualsiasi natura. Fu lui che fu usato più spesso per dimostrare sia la legge della riflessione che ...la legge della rifrazione della luce....
In questo caso la luce è intesa come un'onda di forma piatta, cioè tutte le superfici d'onda sono piane. In questo caso la superficie d'onda è un insieme di punti con oscillazione nella stessa fase.
La formulazione è la seguentequalsiasi punto in cui arriva una perturbazione diventa successivamente una fonte di onde sferiche.
Il video spiega la legge della fisica dell'8° grado in parole molto semplici, usando grafici e animazioni.
Spostamento Fedorov
Viene anche chiamato effetto Fedorov-Ember. In questo caso, c'è uno spostamento del fascio di luce con riflessione interna totale. Lo spostamento non è significativo ed è sempre più piccolo della lunghezza d'onda. A causa di questo spostamento, il raggio riflesso non si trova nello stesso piano del raggio incidente, il che va contro la legge della riflessione della luce.
Il diploma per la scoperta scientifica è stato assegnato a F.I. Fedorov nel 1980.
Lo spostamento laterale dei raggi è stato dimostrato teoricamente da uno scienziato sovietico nel 1955 grazie a calcoli matematici. Per quanto riguarda la conferma sperimentale di questo effetto, fu fatta un po' più tardi dal fisico francese Embert.
Usare la legge nella pratica
La legge in questione è molto più comune di quanto sembri. Il principio è ampiamente utilizzato in molte aree diverse:
- Specchio - è l'esempio più semplice. È una superficie liscia che riflette bene la luce e altri tipi di radiazioni. Si usano sia versioni piatte che elementi di altre forme, ad esempio le superfici sferiche permettono di distrarre gli oggetti, rendendoli indispensabili come specchietti retrovisori nelle automobili.
- Varie attrezzature ottiche funziona anche grazie ai principi discussi sopra. Questo include tutto, dagli occhiali, che si trovano ovunque, ai potenti telescopi con lenti convesse o ai microscopi usati in medicina e biologia.
- Macchine a ultrasuoni utilizzano anche il principio in questione. Le apparecchiature a ultrasuoni permettono esami precisi. I raggi X sono distribuiti utilizzando gli stessi principi.
- Forni a microonde - Un altro esempio dell'applicazione della legge nella pratica. Tutte le apparecchiature alimentate da radiazioni infrarosse (ad esempio, apparecchiature per la visione notturna) possono anche essere incluse qui.
- Specchi concavi permettono alle torce e agli apparecchi di migliorare le loro prestazioni. In questo caso, la potenza della lampadina può essere molto più bassa che senza l'elemento a specchio.
A proposito! Vediamo la luna e le stelle grazie al riflesso della luce.
La legge della riflessione della luce spiega molti fenomeni naturali, e la conoscenza delle sue caratteristiche ha reso possibile la creazione di apparecchiature che sono ampiamente utilizzate oggi.