Zákony odrazu svetla a história ich objavu

Zákon odrazu svetla bol objavený pozorovaním a experimentom. Samozrejme, že sa dá odvodiť aj teoreticky, ale všetky princípy, ktoré sa používajú v súčasnosti, boli stanovené a odôvodnené praktickými prostriedkami. Znalosť základných vlastností tohto javu pomáha pri plánovaní osvetlenia a výbere zariadenia. Tento princíp funguje aj v iných oblastiach - rádiové vlny, röntgenové žiarenie atď. sa pri odraze správajú úplne rovnako.

Čo je odraz svetla a jeho odrody, mechanizmus

Zákon je formulovaný takto: Dopadajúce a odrazené lúče ležia v tej istej rovine s kolmicou na odrazovú plochu, ktorá vychádza z bodu dopadu. Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu.

Odraz je v podstate fyzikálny proces, pri ktorom lúč, častica alebo žiarenie interaguje s rovinou. Smer vlnenia sa na hranici dvoch prostredí mení, pretože majú odlišné vlastnosti. Odrazené svetlo sa vždy vracia do prostredia, z ktorého vyšlo. Častejšie ako odraz sa vyskytuje aj jav lomu vlnenia.

Toto je schematické vysvetlenie zákona odrazu svetla.

Zrkadlový odraz

V tomto prípade existuje jasný vzťah medzi odrazenými a dopadajúcimi lúčmi, čo je hlavnou charakteristikou tejto odrody. Pre zrkadlový odraz je charakteristických niekoľko hlavných bodov:

1. Odrazený lúč je vždy v rovine, ktorá prechádza dopadajúcim lúčom a normálou k odrazovej ploche, ktorá je obnovená v mieste dopadu.
2. Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu svetelného lúča.
3. Charakteristiky odrazeného lúča sú úmerné polarizácii lúča a uhlu jeho dopadu. Na index majú vplyv aj vlastnosti oboch médií.

Pri zrkadlovom odraze sú uhly dopadu a odrazu vždy rovnaké.

Index lomu závisí od vlastností roviny a vlastností svetla. Tento odraz sa vyskytuje všade tam, kde sú hladké povrchy. Podmienky a zásady sa však môžu v rôznych prostrediach líšiť.

Celkový vnútorný odraz

Charakteristika zvukových a elektromagnetických vĺn. Vzniká tam, kde sa stretávajú dve médiá. V tomto prípade musia vlny padať z prostredia, kde je rýchlosť šírenia nižšia. V prípade svetla môžeme povedať, že indexy lomu sa v tomto prípade výrazne zvyšujú.

Celkový vnútorný odraz je charakteristický pre povrch vody.

Uhol dopadu svetelného lúča ovplyvňuje index lomu. S rastúcim uhlom dopadu sa zvyšuje intenzita odrazeného svetla a klesá intenzita lomeného svetla. Po dosiahnutí určitej kritickej hodnoty sa indexy lomu znížia na nulu, čo vedie k úplnému odrazu lúčov.

Kritický uhol sa počíta individuálne pre rôzne médiá.

Odraz rozptýleného svetla

Tento variant sa vyznačuje tým, že keď lúče dopadajú na nerovný povrch, odrážajú sa v rôznych smeroch. Odrazené svetlo sa jednoducho rozptyľuje a práve preto nie je možné vidieť svoj odraz na nerovnej alebo matnej rovine. Fenomén rozptýlených lúčov sa pozoruje vtedy, keď sú nepravidelnosti rovné alebo väčšie ako vlnová dĺžka.

Tá istá rovina môže byť difúzne odrazivá pre svetlo alebo ultrafialové žiarenie, ale dobre odráža infračervené spektrum. Všetko závisí od vlastností vĺn a povrchu.

Difúzny odraz je chaotický v dôsledku nerovností povrchu.

Spätný odraz

Tento jav pozorujeme, keď sa lúče, vlny alebo iné častice odrážajú späť, t. j. smerom k zdroju. Túto vlastnosť možno využiť v astronómii, prírodných vedách, medicíne, fotografii a ďalších oblastiach. Vďaka systému vypuklých šošoviek v ďalekohľade je možné vidieť svetlo hviezd, ktoré nie sú viditeľné voľným okom.

Spätný odraz sa dá riadiť guľovým tvarom odrazovej plochy.

Dôležité je vytvoriť určité podmienky, aby sa svetlo vrátilo k zdroju, čo sa najčastejšie dosahuje pomocou optiky a riadenia lúča. Tento princíp sa využíva napríklad pri ultrazvukových vyšetreniach; odrazené ultrazvukové vlny spôsobujú zobrazenie obrazu vyšetrovaného orgánu na monitore.

História objavu zákonov odrazu

Tento jav bol známy už dávno. Odraz svetla sa prvýkrát spomína v diele Katoptrika, ktoré napísal starogrécky vedec Euklides v roku 200 pred Kristom. Prvé experimenty boli jednoduché, takže v tom čase sa neobjavili žiadne teoretické základy, ale bol to on, kto tento jav objavil. Použil sa Fermatov princíp pre zrkadlové plochy.

Prečítajte si tiež

Akou rýchlosťou sa šíri svetlo vo vákuu

 

Fresnelove vzorce

Auguste Fresnel bol francúzsky fyzik, ktorý odvodil niekoľko vzorcov, ktoré sa dodnes bežne používajú. Používajú sa pri výpočte intenzity a amplitúdy odrazených a lomených elektromagnetických vĺn. Pritom musia prechádzať cez jasnú hranicu medzi dvoma médiami s rôznymi lomovými schopnosťami.

Všetky javy, ktoré zodpovedajú vzorcom francúzskeho fyzika, sa nazývajú Fresneliho odraz. Treba si však uvedomiť, že všetky odvodené zákony platia len vtedy, keď sú prostredia izotropné a hranica medzi nimi je jasná. V tomto prípade sa uhol dopadu vždy rovná uhlu odrazu a hodnota lomu je určená Snelliovým zákonom.

Dôležité je, že keď svetlo dopadá na rovný povrch, môže mať dva druhy polarizácie:

1. P-polarizácia sa vyznačuje tým, že vektor intenzity elektromagnetického poľa leží v rovine dopadu.
2. s-polarizácia sa od prvého typu líši tým, že vektor intenzity elektromagnetického vlnenia je kolmý na rovinu, v ktorej ležia dopadajúce aj odrazené lúče.

Fresnel odvodil celý súbor vzorcov, ktoré umožňujú vykonať všetky potrebné výpočty.

Vzorce sa líšia pre situácie s rôznou polarizáciou. Polarizácia totiž ovplyvňuje vlastnosti lúča a ten sa odráža inak. Keď svetlo dopadá pod určitým uhlom, odrazený lúč môže byť úplne polarizovaný. Tento uhol sa nazýva Brewsterov uhol a závisí od lomových vlastností médií na rozhraní.

Mimochodom! Odrazený lúč je vždy polarizovaný, aj keď dopadajúce svetlo nebolo polarizované.

Huygensov princíp

Huygens bol holandský fyzik, ktorému sa podarilo odvodiť princípy na opis vĺn akejkoľvek povahy. Práve on bol najčastejšie používaný na dokázanie zákona odrazu a ...zákon lomu svetla....

Takto vyzerá najjednoduchšie schematické znázornenie Huygensovho princípu.

V tomto prípade sa svetlo chápe ako vlna plochého tvaru, t. j. všetky vlnové plochy sú ploché. V tomto prípade je vlnová plocha súborom bodov s kmitaním v rovnakej fáze.

Znenie znie takto: každý bod, do ktorého dorazí rušivý signál, sa následne stane zdrojom sférických vĺn.

Video vysvetľuje zákon z fyziky v 8. ročníku veľmi jednoduchými slovami pomocou grafiky a animácie.

Fedorov posun

Nazýva sa aj Fedorov-Emberov efekt. V tomto prípade dochádza k posunu svetelného lúča s úplným vnútorným odrazom. Posun nie je výrazný a je vždy menší ako vlnová dĺžka. V dôsledku tohto posunu odrazený lúč neleží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč, čo je v rozpore so zákonom o odraze svetla.

Diplom za vedecký objav bol F. I. Fedorovovi udelený v roku 1980.

Bočný posun lúčov teoreticky dokázal sovietsky vedec v roku 1955 vďaka matematickým výpočtom. Experimentálne potvrdenie tohto efektu uskutočnil o niečo neskôr francúzsky fyzik Embert.

Využívanie práva v praxi

Príklady odrazu svetla možno nájsť všade.

Predmetný zákon je oveľa bežnejší, než sa zdá. Tento princíp je široko využívaný v mnohých rôznych oblastiach:

1. Zrkadlo - je najjednoduchším príkladom. Je to hladký povrch, ktorý dobre odráža svetlo a iné druhy žiarenia. Používajú sa ploché verzie, ako aj prvky iných tvarov, napr. sférické povrchy umožňujú rozptýlenie objektov, takže sú nepostrádateľné ako spätné zrkadlá v automobiloch.
2. Rôzne optické zariadenia funguje aj vďaka vyššie uvedeným princípom. Patrí sem všetko od okuliarov, ktoré sa nachádzajú všade, až po výkonné teleskopy s vypuklými šošovkami alebo mikroskopy používané v medicíne a biológii.
3. Ultrazvukové prístroje tiež používajú daný princíp. Ultrazvukové zariadenie umožňuje presné vyšetrenia. Röntgenové žiarenie sa šíri na rovnakých princípoch.
4. Mikrovlnné rúry - Ďalší príklad uplatňovania práva v praxi. Sem možno zaradiť aj všetky zariadenia napájané infračerveným žiarením (napr. zariadenia na nočné videnie).
5. Konkávne zrkadlá umožňujú zvýšiť výkonnosť bateriek a svietidiel. V tomto prípade môže byť výkon žiarovky oveľa nižší ako bez zrkadlového prvku.

Mimochodom! Mesiac a hviezdy vidíme vďaka odrazu svetla.

Zákon odrazu svetla vysvetľuje mnohé prírodné javy a znalosť jeho vlastností umožnila vytvoriť zariadenia, ktoré sa dnes bežne používajú.