Угол отражения светового луча

Угол отражения светового луча

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации. В геологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света: отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.

Содержание

История [ править | править код ]

Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 300 годом до н. э.

Законы отражения. Формулы Френеля [ править | править код ]

Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол отражения равен углу падения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

Пусть k → <displaystyle <vec >> лежит в плоскости чертежа. Пусть ось x <displaystyle x> направлена горизонтально, ось y <displaystyle y> — вертикально. Из соображений симметрии следует, что k → <displaystyle <vec >> , k ′ → <displaystyle <vec и k ″ → >> должны лежать в одной плоскости.

Выделим из падающего луча плоскополяризованную составляющую, у которой угол между E → >> и плоскостью произволен. Тогда если выбрать начальную фазу равной нулю, то

  • E =»» E m e i ( ω t − k → r → ) =»» E m e ω t − k x x − k y y ; >>)>=»E_e^x-k_y>;>
  • E ′ =»» E m ′ e i ( ω ′ t − k ′ → r → ) =»» E m ′ e ω ′ t − k x ′ x − k y ′ y + α ′ ; e^>>)>=»E’_e^<omega ‘t-k’_x-k’_y+alpha ‘>;>
  • E ″ = E m ″ e i ( ω ″ t − k ″ → r → ) = E m ″ e ω ″ t − k x ″ x − k y ″ y + α ″ . <displaystyle E»=E»_e^><vec >)>=E»_e^<omega »t-k»_x-k»_y+alpha »>.>

Результирующее поле в первой и второй среде равны соответственно

  • E 1 = E + E ′ = E m e ω t − k x x − k y y + E m ′ e ω ′ t − k x ′ x − k y ′ y + α ′ ; <displaystyle E_<1>=E+E’=E_e^<omega t-k_x-k_y>+E’_e^<omega ‘t-k’_x-k’_y+alpha ‘>;>
  • E 2 = E ″ = E m ″ e ω ″ t − k x ″ x − k y ″ y + α ″ . <displaystyle E_<2>=E»=E»_e^<omega »t-k»_x-k»_y+alpha »>.>

Очевидно, что тангенциальные составляющие E 1 <displaystyle E_<1>> и E 2 <displaystyle E_<2>> должны быть равны на границе раздела то есть при y = 0. <displaystyle y=0.>

E m e ω t − k x x − k y y + E m ′ e ω ′ t − k x ′ x − k y ′ y + α ′ = E m ″ e ω ″ t − k x ″ x − k y ″ y + α ″ <displaystyle E_e^<omega t-k_x-k_y>+E’_e^<omega ‘t-k’_x-k’_y+alpha ‘>=E»_e^<omega »t-k»_x-k»_y+alpha »>>

Для того, чтобы последнее уравнение выполнялось для всех t , <displaystyle t,> необходимо, чтобы ω = ω ′ = ω ″ <displaystyle omega =omega ‘=omega »> , а для того, чтобы оно выполнялось при всех x , <displaystyle x,> необходимо, чтобы

k x = k x ′ = k x ″ ⇔ k sin ⁡ α = k ′ sin ⁡ α ′ = k ″ sin ⁡ α ″ ⇔ ω v 1 sin ⁡ α = ω v 1 sin ⁡ α ′ = ω v 2 sin ⁡ α ″ , <displaystyle k_=k’_=k»_Leftrightarrow ksin <alpha >=k’sin <alpha ‘>=k»sin <alpha »>Leftrightarrow <cfrac <omega ><1>>>sin <alpha >=<cfrac <omega ><1>>>sin <alpha ‘>=<cfrac <omega ><2>>>sin <alpha »>,> где v 1 <displaystyle v_<1>> и v 2 <displaystyle v_<2>> — скорости волн в первой и второй среде соответственно.

Отсюда следует, что α = α ′ ◼ <displaystyle alpha =alpha ‘lacksquare >

Сдвиг Фёдорова [ править | править код ]

Сдвиг Фёдорова — явление малого (меньше длины волны) бокового смещения луча света с круговой или эллиптической поляризацией при полном внутреннем отражении. В результате смещения отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом, как это декларирует закон отражения света геометрической оптики.

Явление теоретически предсказано Ф. И. Фёдоровым в 1954 году, позже обнаружено экспериментально.

Механизм отражения [ править | править код ]

В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла.

  • При попадании электромагнитной волны (свет) на поверхность диэлектрика: возникают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-диполь). Все эти волны складываются и — в соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля — дают зеркальное отражение и преломление [прояснить] [источник не указан 1083 дня] .
  • При попадании электромагнитной волны (свет) на поверхность проводника: возникают колебания электронов (электрический ток), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.

В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна определённой частоты (определённого цвета). Так предметы приобретают цвет. Хотя цвет объекта определяется не только свойствами отражённого света (см. Цветовое зрение и Физиология восприятия цвета).

Виды отражения [ править | править код ]

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.

Зеркальное отражение [ править | править код ]

Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения; 2) угол отражения равен углу падения. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды — диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен

( n 2 − n 1 ) 2 ( n 2 + n 1 ) 2 <displaystyle <frac <(n_<2>-n_<1>)^<2>><(n_<2>+n_<1>)^<2>>>>

В важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %.

Полное внутреннее отражение [ править | править код ]

Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

С увеличением угла падения i <displaystyle i> , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении i = i k <displaystyle i=i_> интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°:

sin ⁡ i k = n 2 / n 1 <displaystyle sin >=n_<2>/n_<1>>

Диффузное отражение света [ править | править код ]

При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта). По этой причине нельзя увидеть своё отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.

  • В книжной версии

    Том 24. Москва, 2014, стр. 680

    Скопировать библиографическую ссылку:

    ОТРАЖЕ́НИЕ СВЕ́ТА, воз­вра­ще­ние све­товых волн в ис­ход­ную про­зрач­ную сре­ду при па­де­нии на гра­ни­цу раз­де­ла двух сред. Воз­ник­но­ве­ние О. с. объ­яс­ня­ет­ся мик­ро­ско­пич. элек­трон­ной тео­ри­ей X. А. Ло­рен­ца (1880), рас­смат­ри­ваю­щей элек­трон (атом) как ос­цил­ля­тор, а сре­ду как на­бор час­тиц-ос­цил­ля­то­ров. Па­даю­щая све­то­вая вол­на вы­зы­ва­ет ко­ле­ба­ния в час­ти­цах, в ре­зуль­та­те они из­лу­ча­ют вто­рич­ные вол­ны, ко­ге­рент­ные с па­даю­щей вол­ной. Вто­рич­ная вол­на од­но­го ато­ма дей­ст­ву­ет на др. ато­мы и вы­зы­ва­ет до­пол­нит. из­лу­че­ние; ин­тер­фе­рен­ция всех этих волн с па­даю­щей объ­яс­ня­ет яв­ле­ния пре­лом­ле­ния и от­ра­же­ния све­та.

    Этот видеоурок доступен по абонементу

    У вас уже есть абонемент? Войти

    Рис. 1. Поведение луча на границе двух сред

    От точечного источника света на границу раздела падает световой луч. Часть этого луча пройдет внутрь следующей прозрачной среды, а часть отразится. В данном случае отражением мы можем назвать такое явление, при котором часть падающего светового луча отражается, т. е. возвращается в ту же среду, из которой свет упал на границу раздела. Часть луча, которая прошла внутрь второй среды, будет называться лучом преломленным.

    О преломлении у нас разговор будет впереди.

    Закон отражения света

    Рассматривая явления отражения, мы должны сказать о законах отражения света.

    Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.

    Угол падения луча равен углу отражения луча.

    Обратимся к рисунку, который иллюстрирует этот закон.

    Рис. 2. Иллюстрация закона отражения

    На рисунке 2 представлена граница раздела двух сред. От точечного источника луч света падает на границу раздела. Восставим перпендикуляр в точку падения луча. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости. В данном случае это плоскость нашего рисунка.

    Угол – это угол падения.

    Угол

    Рис. 3. Диффузное отражение

    Для каждого луча в отдельности закон отражения выполняется. А группа лучей в итоге отражается в разных направлениях.

    Зеркальное отражение – это отражение, когда все лучи, упавшие на данную поверхность параллельно друг другу, также отразились (рис. 4).

    Рис. 4. Зеркальное отражение

    На рисунке ниже показано диффузное отражение (рис. 5).

    Рис. 5. Диффузное отражение

    На поверхность, падают 4 луча параллельно друг другу. Каждый луч в отдельности испытывает отражение в точности в соответствии с законом и, меняя свое направление, возвращается в первую среду. Отраженные лучи не параллельны друг другу.

    Второе отражение – это зеркальное отражение.

    Рис. 6. Зеркальное отражение

    На поверхность параллельно друг другу падают световые лучи и отражаются тоже параллельно друг другу.

    Зеркало

    Что такое зеркало?

    Зеркалом называют тело, которое создает изображения предметов, а также изображения источников света.

    Завершение

    Вывод

    Вы узнали о том, что происходит на границе раздела двух прозрачных сред. Познакомились со вторым законом отражения света, узнали о диффузном и зеркальном отражениях, а также о том, что такое зеркало.

    Список литературы

    1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б./Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
    2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
    3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

    Домашнее задание

    1. Как изменится угол отражения, если угол падения уменьшится?
    2. Под каким углом отражается луч, упавший перпендикулярно зеркалу?
    3. Солнечные лучи образуют с горизонтом угол . Как нужно расположить плоское зеркало, чтобы осветить солнечным светом дно колодца?

    Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

    1. Интернет-портал Tepka.ru (Источник).
    2. Интернет-портал Kopilkaurokov.ru (Источник).
    3. Интернет-портал Av-physics.narod.ru (Источник).

    Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

    Читайте также:  Сколько октав у кипелова
    Ссылка на основную публикацию
    Adblock detector