Lagarna för ljusets reflektion och historien om hur de upptäcktes

Lagen om ljusets reflektion upptäcktes genom observationer och experiment. Naturligtvis kan man också härleda det teoretiskt, men alla de principer som används nu har fastställts och motiverats i praktiken. Att känna till de grundläggande egenskaperna hos detta fenomen underlättar belysningsplanering och val av utrustning. Principen fungerar även på andra områden - radiovågor, röntgenstrålar etc. beter sig på exakt samma sätt när de reflekteras.

Vad är ljusreflektion och dess olika varianter, mekanism

Lagen formuleras på följande sätt: Den infallande och den reflekterade strålen ligger i samma plan med en vinkelrätt mot den reflekterande ytan som utgår från infallspunkten. Infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln.

Reflektion är i huvudsak en fysisk process där en stråle, partikel eller strålning interagerar med ett plan. Vågornas riktning ändras vid gränsen mellan de två medierna eftersom de har olika egenskaper. Det reflekterade ljuset återvänder alltid till det medium det kom ifrån. Oftast innebär reflektion också en brytning av vågorna.

Detta är en schematisk förklaring av lagen om ljusets reflektion.

Spegelreflektion

I detta fall finns det ett tydligt förhållande mellan de reflekterade och infallande strålarna, vilket är det viktigaste kännetecknet för denna sort. Det finns flera huvudpunkter som är karakteristiska för spekulativ reflektion:

1. Den reflekterade strålen befinner sig alltid i ett plan som passerar genom den infallande strålen och normalgraden till den reflekterande ytan, som återställs i infallspunkten.
2. Infallsvinkeln är lika med ljusstrålens reflektionsvinkel.
3. Den reflekterade strålens egenskaper är proportionella mot strålens polarisation och dess infallsvinkel. De två mediernas egenskaper påverkar också indexet.

Vid speglande reflektion är infallsvinkeln och reflektionsvinkeln alltid lika stora.

Brytningsindexet beror på planets egenskaper och ljusets egenskaper. Denna reflektion finns överallt där det finns släta ytor. Men villkoren och principerna kan variera i olika miljöer.

Total intern reflektion

Kännetecken för ljud och elektromagnetiska vågor. Uppstår när två medier möts. I detta fall måste vågorna falla från det medium där utbredningshastigheten är lägre. När det gäller ljus kan vi säga att brytningsindexen i detta fall ökar kraftigt.

Total intern reflektion är karakteristisk för vattenytan.

Ljusstrålens infallsvinkel påverkar brytningsindexet. När infallsvinkeln ökar ökar intensiteten hos det reflekterade ljuset och intensiteten hos det brytande ljuset minskar. När ett visst kritiskt värde uppnås minskar brytningsindexen till noll, vilket leder till att strålarna reflekteras fullständigt.

Den kritiska vinkeln beräknas individuellt för olika medier.

Diffus ljusreflektion

Denna variant kännetecknas av att när strålarna träffar en ojämn yta reflekteras de i olika riktningar. Reflekterat ljus sprids helt enkelt och det är därför man inte kan se sin reflektion på ett ojämnt eller matt plan. Fenomenet diffusa strålar observeras när ojämnheterna är lika stora eller större än våglängden.

Samma plan kan vara diffust reflekterande för ljus eller ultraviolett, men reflektera det infraröda spektrumet väl. Allt beror på vågornas egenskaper och ytans egenskaper.

Diffus reflektion är kaotisk på grund av ojämnheter i ytan.

Omvänd reflektion

Detta fenomen observeras när strålar, vågor eller andra partiklar reflekteras tillbaka, dvs. mot källan. Denna egenskap kan användas inom astronomi, naturvetenskap, medicin, fotografi och andra områden. Tack vare det konvexa linsystemet i teleskopen är det möjligt att se ljuset från stjärnor som inte är synliga för blotta ögat.

Omvänd reflektion kan kontrolleras genom den reflekterande ytans sfäriska form.

Det är viktigt att skapa vissa villkor så att ljuset återvänder till källan, vilket oftast uppnås genom optik och strålstyrning. Principen används till exempel vid ultraljudsundersökningar, där de reflekterade ultraljudsvågorna ger upphov till en bild av det organ som undersöks och som visas på monitorn.

Historien om upptäckten av lagarna för reflektion

Detta fenomen var känt för länge sedan. Ljusets reflektion nämns för första gången i verket "Katoptrika", som skrevs av den grekiske vetenskapsmannen Euklid 200 f.Kr. De första experimenten var enkla, så det fanns ingen teoretisk grund vid den tiden, men det var han som upptäckte fenomenet. Fermats princip för spegelytor användes.

Läs också

Med vilken hastighet fortplantar sig ljuset i ett vakuum?

 

Fresnelformler

Auguste Fresnel var en fransk fysiker som tog fram ett antal formler som fortfarande används flitigt idag. De används för att beräkna intensiteten och amplituden hos reflekterade och brytande elektromagnetiska vågor. De måste då passera genom en tydlig gräns mellan två medier med olika brytningsförmåga.

Alla fenomen som passar in i den franske fysikerns formler kallas Fresnelska reflektioner. Man måste dock komma ihåg att alla de härledda lagarna är sanna endast när medierna är isotropa och gränsen mellan dem är tydlig. I detta fall är infallsvinkeln alltid lika med reflektionsvinkeln och brytningsvärdet bestäms av Snelliuslagen.

Det är viktigt att när ljuset faller på en plan yta kan det finnas två typer av polarisation:

1. P-polarisering kännetecknas av att det elektromagnetiska fältets styrkevektor ligger i infallsplanet.
2. s-polarisering skiljer sig från den första typen genom att intensitetsvektorn för elektromagnetiska vågor är vinkelrät mot det plan där både den infallande och den reflekterade strålen ligger.

Fresnel tog fram en hel uppsättning formler som gör det möjligt att göra alla nödvändiga beräkningar.

Formlerna skiljer sig åt för situationer med olika polarisering. Detta beror på att polarisationen påverkar strålens egenskaper och att den reflekteras på olika sätt. När ljuset faller i en viss vinkel kan den reflekterade strålen vara helt polariserad. Denna vinkel kallas Brewster-vinkeln och beror på mediernas brytningsegenskaper vid gränssnittet.

Förresten! Den reflekterade strålen är alltid polariserad även om det infallande ljuset var opolariserat.

Huygensprincipen

Huygens var en nederländsk fysiker som lyckades ta fram principer för att beskriva vågor av alla slag. Det var han som oftast användes för att bevisa både lagen om reflektion och ...lagen om ljusets brytning....

Så här ser den enklaste schematiska framställningen av Huygensprincipen ut.

I det här fallet avses ljuset som en våg av platt form, dvs. alla vågrum är plana. I det här fallet är vågytan en uppsättning punkter med svängningar i samma fas.

Formuleringen lyder så här: varje punkt som en störning kommer till blir därefter en källa till sfäriska vågor.

Videon förklarar lagen från fysik i åttonde klass med mycket enkla ord och med hjälp av grafik och animationer.

Fedorov-skifte

Den kallas också Fedorov-Ember-effekten. I detta fall sker en förskjutning av ljusstrålen med total intern reflektion. Förskjutningen är inte signifikant och är alltid mindre än våglängden. På grund av denna förskjutning ligger den reflekterade strålen inte i samma plan som den infallande strålen, vilket strider mot lagen om ljusreflektion.

F.I. Fedorov fick diplom för vetenskaplig upptäckt 1980.

En sovjetisk forskare bevisade 1955 teoretiskt att strålarna kan förskjutas i sidled med hjälp av matematiska beräkningar. Den experimentella bekräftelsen av denna effekt gjordes lite senare av den franske fysikern Embert.

Användning av lagen i praktiken

Exempel på ljusets reflektion finns överallt.

Lagen i fråga är mycket vanligare än den verkar. Principen används i stor utsträckning på många olika områden:

1. Spegel - är det enklaste exemplet. Det är en slät yta som reflekterar ljus och andra typer av strålning väl. Platta versioner och element med andra former används, t.ex. sfäriska ytor som gör det möjligt att avleda föremål, vilket gör dem oumbärliga som backspeglar i bilar.
2. En mängd olika optiska utrustningar fungerar också tack vare de principer som diskuterats ovan. Detta omfattar allt från glasögon, som finns överallt, till kraftfulla teleskop med konvexa linser eller mikroskop som används inom medicin och biologi.
3. Ultraljudsmaskiner också använda sig av principen i fråga. Ultraljudsutrustning gör det möjligt att göra exakta undersökningar. Röntgenstrålar distribueras enligt samma principer.
4. Mikrovågsugnar - Ännu ett exempel på hur lagen tillämpas i praktiken. Även all utrustning som drivs av infraröd strålning (t.ex. utrustning för mörkerseende) kan inkluderas här.
5. Konkava speglar gör det möjligt för facklor och armaturer att förbättra sin prestanda. I det här fallet kan glödlampans effekt vara mycket lägre än utan spegelelementet.

Förresten! Vi ser månen och stjärnorna på grund av ljusets reflektion.

Lagen om ljusreflektion förklarar många naturfenomen, och kunskapen om dess egenskaper har gjort det möjligt att skapa utrustning som används i stor utsträckning idag.