Gaismas atstarošanas likumi un to atklāšanas vēsture

Gaismas atstarošanas likums tika atklāts ar novērojumiem un eksperimentiem. Protams, to var arī teorētiski atvasināt, taču visi principi, kas tiek izmantoti tagad, ir noteikti un pamatoti ar praktiskiem līdzekļiem. Zināšanas par šīs parādības pamatiezīmēm palīdz plānot apgaismojumu un izvēlēties aprīkojumu. Šis princips darbojas arī citās jomās - radioviļņi, rentgena stari u.c., atstaroties, uzvedas tieši tāpat.

Kas ir gaismas atstarošana un tās paveidi, mehānisms

Likums formulēts šādi: krītošais un atstarotais stars atrodas vienā plaknē ar perpendikulu uz atstarojošo virsmu, kas iziet no krišanas punkta. Iedarbības leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi.

Būtībā atstarošana ir fizikāls process, kurā staru kūlis, daļiņa vai starojums mijiedarbojas ar plakni. Viļņu virziens mainās uz abu vidu robežas, jo tiem ir atšķirīgas īpašības. Atstarotā gaisma vienmēr atgriežas vidē, no kuras tā nākusi. Biežāk nekā parasti atstarošana ir saistīta arī ar viļņu refrakcijas parādību.

Šis ir shematisks gaismas atstarošanas likuma skaidrojums.

Spoguļa atspulgs

Šajā gadījumā pastāv skaidra saistība starp atstarotajiem un krītošajiem stariem, un tā ir šīs šķirnes galvenā pazīme. Spoguļattēlam ir raksturīgi vairāki galvenie aspekti:

1. Atstarotais staru kūlis vienmēr atrodas plaknē, kas šķērso krītošo staru kūli un normāli uz atstarojošo virsmu, kura ir atjaunota krišanas punktā.
2. Iedarbības leņķis ir vienāds ar gaismas kūļa atstarošanas leņķi.
3. Atstarotā stara raksturlielumi ir proporcionāli stara polarizācijai un tā krišanas leņķim. Indeksu ietekmē arī abu mediju īpašības.

Spoguļattēla atstarošanas gadījumā krišanas un atstarošanas leņķi vienmēr ir vienādi.

Lūzuma koeficients ir atkarīgs no plaknes īpašībām un gaismas īpašībām. Šo atspulgu var atrast visur, kur ir gludas virsmas. Taču dažādās vidēs apstākļi un principi var atšķirties.

Kopējais iekšējais atspulgs

Skaņas un elektromagnētisko viļņu īpašība. Tas notiek, kad saskaras divi mediji. Šādā gadījumā viļņiem ir jākrīt no vides, kurā izplatīšanās ātrums ir mazāks. Gaismas gadījumā var teikt, ka šajā gadījumā lūzuma koeficienti ievērojami palielinās.

Kopējais iekšējais atstarojums ir raksturīgs ūdens virsmai.

Gaismas staru kūļa krišanas leņķis ietekmē lūzuma rādītāju. Palielinoties krišanas leņķim, atstarotās gaismas intensitāte palielinās, bet atstarotās gaismas intensitāte samazinās. Kad tiek sasniegta zināma kritiskā vērtība, refrakcijas koeficienti samazinās līdz nullei, kā rezultātā stari tiek pilnībā atstaroti.

Kritiskais leņķis tiek aprēķināts individuāli dažādiem medijiem.

Difūzās gaismas atstarošana

Šo variantu raksturo tas, ka stari, kas nokļūst uz nelīdzenas virsmas, tiek atstaroti dažādos virzienos. Atstarotā gaisma vienkārši izkliedējas, un tāpēc uz nelīdzenas vai matētas plaknes nav iespējams saskatīt savu atspulgu. Izkliedētu staru parādība ir novērojama, ja neregularitātes ir vienādas vai lielākas par viļņa garumu.

Viena un tā pati plakne var būt difūzi atstarojoša gaismai vai ultravioleto starojumu, bet labi atstarot infrasarkano spektru. Viss ir atkarīgs no viļņu raksturlielumiem un virsmas īpašībām.

Difūzā atstarošana ir haotiska virsmas nelīdzenumu dēļ.

Atgriezeniskais atspulgs

Šo parādību novēro, kad stari, viļņi vai citas daļiņas tiek atstaroti atpakaļ, t. i., avota virzienā. Šo īpašību var izmantot astronomijā, dabaszinātnēs, medicīnā, fotogrāfijā un citās jomās. Pateicoties teleskopu izliektās lēcas sistēmai, ir iespējams saskatīt tādu zvaigžņu gaismu, kas nav redzamas ar neapbruņotu aci.

Atstarošanu var kontrolēt ar atstarojošās virsmas sfērisko formu.

Ir svarīgi radīt noteiktus apstākļus, lai gaisma atgrieztos atpakaļ avotā, un to visbiežāk panāk ar optikas un staru kūļa virzības palīdzību. Piemēram, šo principu izmanto ultraskaņas izmeklējumos; atstarotie ultraskaņas viļņi rada izmeklējamā orgāna attēlu uz monitora.

Atspoguļošanās likumu atklāšanas vēsture

Šī parādība bija zināma jau sen. Gaismas atstarošana pirmo reizi tika pieminēta sengrieķu zinātnieka Eiklīda darbā "Katoptrika", kas datēts ar 200. gadu pirms mūsu ēras. Pirmie eksperimenti bija vienkārši, tāpēc teorētiskā pamatojuma tolaik nebija, taču tieši viņš atklāja šo parādību. Tika izmantots Fermā princips spoguļvirsmām.

Lasīt arī

Ar kādu ātrumu gaisma izplatās vakuumā

 

Freneļa formulas

Augusts Frēnsels bija franču fiziķis, kurš izstrādāja vairākas formulas, kas tiek plaši izmantotas arī mūsdienās. Tos izmanto, aprēķinot atstaroto un lauzto elektromagnētisko viļņu intensitāti un amplitūdu. To darot, tiem jāšķērso skaidra robeža starp divām vidēm ar atšķirīgu refrakcijas spēju.

Visas parādības, kas atbilst franču fiziķa formulām, sauc par Frēnsneļa atstarojumiem. Taču jāatceras, ka visi atvasinātie likumi ir patiesi tikai tad, ja vide ir izotropa un robeža starp tām ir skaidra. Šajā gadījumā krišanas leņķis vienmēr ir vienāds ar atstarošanas leņķi, un refrakcijas vērtību nosaka pēc Snēlija likuma.

Ir svarīgi, ka, gaismai krītot uz līdzenas virsmas, var būt divu veidu polarizācija:

1. P-polarizāciju raksturo tas, ka elektromagnētiskā lauka intensitātes vektors atrodas uz krišanas plaknes.
2. s-polarizācija atšķiras no pirmā veida ar to, ka elektromagnētisko viļņu intensitātes vektors ir perpendikulārs plaknei, kurā atrodas gan krītošie, gan atstarotie stari.

Frenels atvasināja veselu formulu kopumu, kas ļauj veikt visus nepieciešamos aprēķinus.

Formulas atšķiras situācijām ar atšķirīgu polarizāciju. Tas ir tāpēc, ka polarizācija ietekmē staru kūļa īpašības un tas tiek atstarots atšķirīgi. Kad gaisma krīt noteiktā leņķī, atstarotais stars var būt pilnībā polarizēts. Šo leņķi sauc par Brūstera leņķi, un tas ir atkarīgs no mediju refrakcijas īpašībām saskarnē.

Starp citu! Atstarotais stars vienmēr ir polarizēts, pat ja krītošā gaisma nav polarizēta.

Hīgensa princips

Hīgenss bija holandiešu fiziķis, kuram izdevās izstrādāt principus, kas ļauj aprakstīt jebkuras dabas viļņus. Tieši viņš bija tas, kurš visbiežāk tika izmantots, lai pierādītu gan likumu pārdomas un ...gaismas refrakcijas likums....

Šādi izskatās vienkāršākais Hīgensa principa shematiskais attēlojums.

Šajā gadījumā gaisma ir domāta kā plakanas formas vilnis, t. i., visas viļņu virsmas ir plakanas. Šajā gadījumā viļņu virsma ir punktu kopums ar svārstībām vienā fāzē.

Formulējums ir šāds: jebkurš punkts, kurā nonāk traucējums, vēlāk kļūst par sfērisko viļņu avotu.

Videoklipā ļoti vienkāršiem vārdiem, izmantojot grafiku un animāciju, ir izskaidrots 8. klases fizikas likums.

Fedorova maiņa

To sauc arī par Fjodorova-Embera efektu. Šajā gadījumā notiek gaismas stara nobīde ar pilnīgu iekšējo atstarošanu. Nobīde nav būtiska un vienmēr ir mazāka par viļņa garumu. Šīs nobīdes dēļ atstarotais staru kūlis neatrodas tajā pašā plaknē kā krītošais staru kūlis, kas ir pretrunā gaismas atstarošanas likumam.

1980. gadā F. I. Fjodorovam tika piešķirts diploms par zinātniskiem atklājumiem.

Staru sānu nobīdi teorētiski pierādīja padomju zinātnieks 1955. gadā, pateicoties matemātiskiem aprēķiniem. Šo efektu eksperimentāli apstiprināja franču fiziķis Emberts nedaudz vēlāk.

Tiesību aktu izmantošana praksē

Gaismas atstarošanas piemēri ir atrodami visur.

Attiecīgais likums ir daudz izplatītāks, nekā šķiet. Šo principu plaši izmanto daudzās dažādās jomās:

1. Spogulis - ir vienkāršākais piemērs. Tā ir gluda virsma, kas labi atstaro gaismu un cita veida starojumu. Izmanto gan plakanas versijas, gan citu formu elementus, piemēram, sfēriskās virsmas ļauj novērst objektu uzmanību, padarot tās neaizstājamas kā atpakaļskata spoguļus automašīnās.
2. Dažādas optiskās iekārtas arī darbojas, pateicoties iepriekš aprakstītajiem principiem. Tas attiecas gan uz visur sastopamajām briļļu brillēm, gan jaudīgiem teleskopiem ar izliektām lēcām vai mikroskopiem, ko izmanto medicīnā un bioloģijā.
3. Ultraskaņas aparāti arī izmantot attiecīgo principu. Ultraskaņas iekārtas ļauj veikt precīzus izmeklējumus. Rentgena stari tiek izplatīti, izmantojot tos pašus principus.
4. Mikroviļņu krāsnis - Vēl viens piemērs likuma piemērošanai praksē. Šeit var iekļaut arī visas iekārtas, ko darbina infrasarkanais starojums (piemēram, nakts redzamības iekārtas).
5. Konkavi spoguļi ļauj lukturiem un gaismekļiem uzlabot to veiktspēju. Šādā gadījumā spuldzes jauda var būt daudz mazāka nekā bez spoguļstikla.

Starp citu! Mēs redzam mēnesi un zvaigznes, pateicoties gaismas atstarošanai.

Gaismas atstarošanas likums izskaidro daudzas dabas parādības, un zināšanas par tā īpašībām ir ļāvušas izveidot mūsdienās plaši izmantotās iekārtas.