На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается , а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется . Луч АО носит название падающий луч , а луч OD – отраженный луч (см. рис. 1.3). Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света .

Рис. 1.3. Отражение и преломление света.

Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения .

Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения .

Каждая среда в определённой степени (то есть по своему) отражает и поглощает световое излучение. Величина, которая характеризует отражательную способность поверхности вещества, называется коэффициент отражения . Коэффициент отражения показывает, какую часть принесённой излучением на поверхность тела энергии составляет энергия, унесённая от этой поверхности отражённым излучением. Этот коэффициент зависит от многих причин, например, от состава излучения и от угла падения. Свет полностью отражается от тонкой плёнки серебра или жидкой ртути, нанесённой на лист стекла.

Законы отражения света

Законы отражения света были найдены экспериментально ещё в 3 веке до нашей эры древнегреческим учёным Евклидом. Также эти законы могут быть получены как следствие принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Волновая поверхность (фронт волны) в следующий момент представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным волнам. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим.

На гладкую отражательную поверхность КМ (рис. 1.4) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.

Рис. 1.4. Построение Гюйгенса.

А 1 А и В 1 В – лучи падающей волны, АС – волновая поверхность этой волны (или фронт волны).

Пока фронт волны из точки С переместится за время t в точку В, из точки А распространится вторичная волна по полусфере на расстояние AD = CB, так как AD = vt и CB = vt, где v – скорость распространения волны.

Волновая поверхность отражённой волны – это прямая BD, касательная к полусферам. Дальше волновая поверхность будет двигаться параллельно самой себе по направлению отражённых лучей АА 2 и ВВ 2 .

Прямоугольные треугольники ΔАСВ и ΔADB имеют общую гипотенузу АВ и равные катеты AD = CB. Следовательно, они равны.

Углы САВ = = α и DBA = = γ равны, потому что это углы со взаимно перпендикулярными сторонами. А из равенства треугольников следует, что α = γ .

Из построения Гюйгенса также следует, что падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности, восстановленным в точке падения луча.

Законы отражения справедливы при обратном направлении хода световых лучей. В следствие обратимости хода световых лучей имеем, что луч, распространяющийся по пути отражённого, отражается по пути падающего.

Большинство тел лишь отражают падающее на них излучение, не являясь при этом источником света. Освещённые предметы видны со всех сторон, так как от их поверхности свет отражается в разных направлениях, рассеиваясь. Это явление называется диффузное отражение или рассеянное отражение . Диффузное отражение света (рис. 1.5) происходит от всех шероховатых поверхностей. Для определения хода отражённого луча такой поверхности в точке падения луча проводится плоскость, касательная к поверхности, и по отношению к этой плоскости строятся углы падения и отражения.

Рис. 1.5. Диффузное отражение света.

Например, 85% белого света отражается от поверхности снега, 75% - от белой бумаги, 0,5% - от чёрного бархата. Диффузное отражение света не вызывает неприятных ощущений в глазу человека, в отличие от зеркального.

– это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 1.6). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркало (или зеркальная поверхность ). Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм). Для таких поверхностей выполняется закон отражения света.

Рис. 1.6. Зеркальное отражение света.

Плоское зеркало – это зеркало, отражающая поверхность которого представляет собой плоскость. Плоское зеркало даёт возможность видеть предметы, находящиеся перед ним, причём эти предметы кажутся расположенными за зеркальной плоскостью. В геометрической оптике каждая точка источника света S считается центром расходящегося пучка лучей (рис. 1.7). Такой пучок лучей называется гомоцентрическим . Изображением точки S в оптическом устройстве называется центр S’ гомоцентрического отражённого и преломлённого пучка лучей в различных средах. Если свет, рассеянный поверхностями различных тел, попадает на плоское зеркало, а затем, отражаясь от него, падает в глаз наблюдателя, то в зеркале видны изображения этих тел.

Рис. 1.7. Изображение, возникающее с помощью плоского зеркала.

Изображение S’ называется действительным, если в точке S’ пересекаются сами отражённые (преломлённые) лучи пучка. Изображение S’ называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые (преломлённые) лучи, а их продолжения. Световая энергия в эту точку не поступает. На рис. 1.7 представлено изображение светящейся точки S, возникающее с помощью плоского зеркала.

Луч SO падает на зеркало КМ под углом 0°, следовательно, угол отражения равен 0°, и данный луч после отражения идёт по пути OS. Из всего множества попадающих из точки S лучей на плоское зеркало выделим луч SO 1 .

Луч SO 1 падает на зеркало под углом α и отражается под углом γ (α = γ ). Если продолжить отражённые лучи за зеркало, то они сойдутся в точке S 1 , которая является мнимым изображением точки S в плоском зеркале. Таким образом, человеку кажется, что лучи выходят из точки S 1 , хотя на самом деле лучей, выходящих их этой точки и попадающих в глаз, не существует. Изображение точки S 1 расположено симметрично самой светящейся точке S относительно зеркала КМ. Докажем это.

Луч SB, падающий на зеркало под углом 2 (рис. 1.8), согласно закону отражения света отражается под углом 1 = 2.

Рис. 1.8. Отражение от плоского зеркала.

Из рис. 1.8 видно, что углы 1 и 5 равны – как вертикальные. Суммы углов 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Следовательно, углы 3 = 4 и 2 = 5.

Прямоугольные треугольники ΔSOB и ΔS 1 OB имеют общий катет ОВ и равные острые углы 3 и 4, следовательно, эти треугольники равны по стороне и двум прилежащим к катету углам. Это означает, что SO = OS 1 , то есть точка S 1 расположена симметрично точке S относительно зеркала.

Для того чтобы найти изображение предмета АВ в плоском зеркале, достаточно опустить перпендикуляры из крайних точек предмета на зеркало и, продолжив их за пределы зеркала, отложить за ним расстояние, равное расстоянию от зеркала до крайней точки предмета (рис. 1.9). Это изображение будет мнимым и в натуральную величину. Размеры и взаимное расположение предметов сохраняются, но при этом в зеркале левая и правая стороны у изображения меняются местами по сравнению с самим предметом. Параллельность падающих на плоское зеркало световых лучей после отражения также не нарушается.

Рис. 1.9. Изображение предмета в плоском зеркале.

В технике часто применяют зеркала со сложной кривой отражающей поверхностью, например, сферические зеркала. Сферическое зеркало – это поверхность тела, имеющая форму сферического сегмента и зеркально отражающая свет. Параллельность лучей при отражении от таких поверхностей нарушается. Зеркало называют вогнутым , если лучи отражаются от внутренней поверхности сферического сегмента. Параллельные световые лучи после отражения от такой поверхности собираются в одну точку, поэтому вогнутое зеркало называют собирающим . Если лучи отражаются от наружной поверхности зеркала, то оно будет выпуклым . Параллельные световые лучи рассеиваются в разные стороны, поэтому выпуклое зеркало называют рассеивающим .

Свет распространяется прямолинейно только в однородной среде. Если свет подходит к границе раздела двух сред, он изменяет направление распространения.

Кроме того, часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света . Луч света, идущий к границе раздела сред в первой среде (рис. 16.5), называется падающим (а) . Луч. остающийся в первой среде после взаимодействия на границе раздела сред, называется отраженным (b) .  

Угол \(\alpha\) между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения .

Угол \(\gamma\) между отраженным лучом и тем же перпендикуляром называется углом отражения .

Еще в III в. до н.э. древнегреческим ученым Евклидом опытным путем были открыты законы отражения. В современных условиях проверку этого закона можно провести с помощью оптической шайбы (рис. 16.6), состоящей из диска, по окружности которого нанесены деления, и из источника света, который можно перемещать по краю диска. В центре диска закрепляют отражающую поверхность (плоское зеркало). Направляя свет на отражающую поверхность, измеряют углы падения и углы отражения.

Законы отражения:

1.Лучи падающий, отраженный и перпендикуляр, восставленный к границе двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2.Угол отражения равен углу падения:

\(~\alpha=\gamma\)

Законы отражения можно вывести теоретически, пользуясь принципом Ферма.

Пусть на зеркальную поверхность падает свет из точки А. В точке А 1 собираются лучи, отраженные от зеркала (рис. 16.7). Предположим, что свет может распространяться двумя путями, отражаясь от точек О и О". Время, которое потребуется свету, чтобы пройти путь АОА 1 , можно найти по формуле \(t=\frac{AO}{\upsilon}+\frac{AO_1}{\upsilon}\), где \(~\upsilon\) - скорость распространения света.

Кратчайшее расстояние от точки А до зеркальной поверхности обозначим через l, а от точки А 1 - через i 1 .

Из рисунка 16.7 найдем

\(AO=\sqrt{l^2+x^2}\); \(OA_1=\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}\).

\(t=\frac{\sqrt{l^2+x^2}+\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}{\upsilon}\)

Найдем производную

\(t"_x=\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{2x}{2\sqrt{l^2+x^2}}+\frac{2(L-x)(-1)}{2\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}\Bigl)=\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{x}{\sqrt{l^2+x^2}}-\frac{L-x}{\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}\Bigl) =\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{x}{AO}-\frac{L-x}{OA_1}\Bigl) \).

Из рисунка видим, что \(\frac{x}{AO}=\sin \alpha\); \(\frac{L-x}{OA_1}=\sin \gamma\).

Следовательно, \(t"_x=\frac{1}{\upsilon}(\sin \alpha-\sin \gamma)\).

Для того чтобы время t было минимально, производная должна быть равна нулю. Таким образом, \(\frac{1}{\upsilon}(\sin \alpha-\sin \gamma)=0\). Отсюда \(~\sin \alpha = \sin \gamma\), а так как углы \(~\alpha\) и \(~\gamma\) - острые, то отсюда следует равенство углов\[~\gamma=\alpha\].

Мы получили соотношение, выражающее второй закон отражения. Из принципа Ферма вытекает и первый закон отражения: отраженный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, так как если бы эти лучи лежали в разных плоскостях, то путь AOA 1 не был бы минимальным.

Падающий и отраженный лучи обратимы, т.е. если падающий луч направить по пути отраженного луча, то отраженный луч пойдет по пути падающего - закон обратимости световых лучей.

В зависимости от свойств границы раздела сред отражение света может быть зеркальным и диффузным (рассеянным).

Зеркальным называется отражение, при котором падающий на плоскую поверхность (рис. 16.8) параллельный пучок лучей после отражения остается параллельным.

Шероховатая поверхность отражает параллельный падающий на нее пучок света по всевозможным направлениям (рис. 16.9). Такое отражение света называют диффузным .

Соответственно различают зеркальные и матовые поверхности.

Следует отметить, что это относительные понятия. Поверхностей, отражающих только зеркально, не существует. В большинстве случаев имеется лишь максимум отражения в направлении угла зеркального отражения. Этим объясняется то, что мы видим зеркало и другие зеркально отражающие поверхности со всех сторон, а не только в одном направлении, в котором они отражают свет.

Одна и та же поверхность может быть зеркальной и матовой в зависимости от длины волны падающего света.

Если граница имеет вид поверхности, размеры d неровностей которой меньше длины волны света \(\lambda\), то отражение будет зеркальным (поверхность капли ртути, отполированная металлическая поверхность и т.д.), если \(d \gg \lambda\), отражение будет диффузным. Чем лучше обработана поверхность, тем большая доля падающего света отражается в направлении угла зеркального отражения, а меньшая - рассеивается.

Рассеянный свет возникает вследствие мелких дефектов полировки, царапин, мельчайших пылинок, имеющих величину порядка нескольких микронов.

Поверхность, которая равномерно рассеивает падающий свет во все стороны, называют абсолютно матовой . Абсолютно матовых поверхностей также не существует. К абсолютно матовым поверхностям близки поверхности неглазурованного фарфора, чертежной бумаги, снега.

Даже для одного и того же излучения матовая поверхность может стать зеркальной, если увеличить угол падения. Диффузно отражающие поверхности могут отличаться и по величине коэффициента отражения \(\rho=\frac{W_{OTP}}{W} \), показывающего, какую часть энергии W падающего на поверхность светового пучка составляет энергия W отр отраженного светового пучка.

Белая бумага для рисования имеет коэффициент отражения, равный 0,7-0,8. Очень высокий коэффициент отражения для поверхностей, покрытых окисью магния, - 0,95 и очень малый для черного бархата - 0,01-0,002.

Заметим, что зависимость отражения и поглощения от частоты колебаний чаще всего имеет избирательный характер.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 457-460.

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

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отраженный 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 падения равен углу отражения» 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.

Механизм отражения

При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникает ток, электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.

Виды отражения

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 О. с. отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности; 2) угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая отражения коэффициентом) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения преломления показателей 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

(n2 - n1)²/(n2 + n1)²

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

Характер поляризации отражённого света меняется с изменением j и различен для компонент падающего света, поляризованных параллельно (р-компонента) и перпендикулярно (s-компонента) плоскости падения. Под плоскостью поляризации при этом понимается, как обычно, плоскость колебаний электрического вектора световой волны. При углах j, равных так называемому углу Брюстера (см. Брюстера закон), отражённый свет становится полностью поляризованным перпендикулярно плоскости падения (р-составляющая падающего света полностью преломляется в отражающую среду; если эта среда сильно поглощает свет, то преломленная р-составляющая проходит в среде очень малый путь). Эту особенность зеркального О. с. используют в ряде поляризационных приборов. При j, больших угла Брюстера, коэффициент отражения от диэлектриков растет с увеличением j, стремясь в пределе к 1, независимо от поляризации падающего света. При зеркальном О. с., как явствует из формул Френеля, фаза отражённого света в общем случае скачкообразно изменяется. Если j = 0 (свет падает нормально к границе раздела), то при n2 > n1 фаза отражённой волны сдвигается на p, при n2 < n1 - остаётся неизменной. Сдвиг фазы при О. с. в случае j ¹ 0 может быть различен для р- и s-составляющих падающего света в зависимости от того, больше или меньше j угла Брюстера, а также от соотношения n2 и n1. О. с. от поверхности оптически менее плотной среды (n2 < n1) при sin j ³ n2 / n1 является полным внутренним отражением, при котором вся энергия падающего пучка лучей возвращается в 1-ю среду. Зеркальное О. с. от поверхностей сильно отражающих сред (например, металлов) описывается формулами, подобными формулам Френеля, с тем (правда, весьма существенным) изменением, что n2 становится комплексной величиной, мнимая часть которой характеризует поглощение падающего света.

Поглощение в отражающей среде приводит к отсутствию угла Брюстера и более высоким (в сравнении с диэлектриками) значениям коэффициента отражения - даже при нормальном падении он может превышать 90% (именно этим объясняется широкое применение гладких металлических и металлизированных поверхностей в зеркалах).Отличаются и поляризационные характеристики отражённых от поглощающей среды световых волн (вследствие иных сдвигов фаз р- и s-составляющих падающих волн). Характер поляризации отражённого света настолько чувствителен к параметрам отражающей среды, что на этом явлении основаны многочисленные оптические методы исследования металлов (см. Магнитооптика, Металлооптика).

Диффузное О. с. - его рассеивание неровной поверхностью 2-й среды по всем возможным направлениям. Пространственное распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, свойствами отражающей среды. Предельный, строго не выполняющийся в природе случай пространственного распределения диффузно отражённого света описывается Ламберта законом. Диффузное О. с. наблюдается также от сред, внутренняя структура которых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в 1-ю среду. Закономерности диффузного О. с. от таких сред определяются характером процессов однократного и многократного рассеяния света в них. И поглощение, и рассеяние света могут обнаруживать сильную зависимость от l. Результатом этого является изменение спектрального состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом)визуально воспринимается как окраска тел.

Полное внутреннее отражение

При увеличении угла падения i , угол преломления тоже увеличивается, при этом интенсивность отраженного луча растет, а преломленного - падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При каком-то значении i = i k угол r = π / 2 , интенсивность преломленного луча станет равной нулю, весь свет отразится. При дальнейшем увеличении угла i > i k преломленного луча не будет, происходит полное отражение света.

Значение критического угла падения, при котором начинается полное отражение найдем, положим в законе преломления r = π / 2 , тогда sinr = 1 , значит:

Диффузное рассеяние света

θ i = θ r .
Угол падения равен углу отражения

Принцип действия уголкового отражателя

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Отражение света" в других словарях:

Явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой вз ствие света с в вом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую… … Физическая энциклопедия

Возвращение световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления обратно в первую среду. Различают отражение света зеркальное (размеры l неровностей на поверхности раздела меньше длины световой… … Большой Энциклопедический словарь

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА, возвращение части светового пучка, падающего на границу раздела двух сред, обратно в первую среду. Различают зеркальное отражение света (размеры L неровностей на поверхности раздела меньше длины световой волны l) и диффузное (L?… … Современная энциклопедия

Отражение света - ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА, возвращение части светового пучка, падающего на границу раздела двух сред, “обратно” в первую среду. Различают зеркальное отражение света (размеры L неровностей на поверхности раздела меньше длины световой волны l) и диффузное (L … Иллюстрированный энциклопедический словарь

отражение света - Явление, состоящее в том, что свет, падающий на поверхность раздела двух сред с различными коэффициентами преломления, частично или полностью возвращается в среду, из которой он падает. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая… … Справочник технического переводчика

Явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения (См. Оптическое излучение)) из одной среды на границу её раздела со 2 й средой взаимодействие света с веществом приводит к появлению световой волны,… … Большая советская энциклопедия

Возвращение световой волны при её падении на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления «обратно» в первую среду. Различают отражения света зеркальное (размеры l неровностей на поверхности раздела меньше длины световой… … Энциклопедический словарь

отражение света - šviesos atspindys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. light reflection vok. Reflexion des Lichtes, f rus. отражение света, n pranc. réflexion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Свет является важной составляющей нашей жизни. Без него невозможна жизнь на нашей планете. При этом многие явления, которые связаны со светом, сегодня активно используются в разнообразных сферах человеческой деятельности, начиная от производства электротехнических приборов до космических аппаратов. Одним из основополагающих явлений в физике является отражение света.

Отражение света

Закон отражения света изучается еще в школе. Что следует знать о нем, а также много еще полезной информации сможет рассказать вам наша статья.

Основы знаний о свете

Как правило, физические аксиомы являются одними из наиболее понятных, поскольку они имеют наглядное проявление, которые можно легко пронаблюдать в домашних условиях. Закон отражения света подразумевает ситуацию, когда у световых лучей происходит смена направления при столкновении с различными поверхностями.

Обратите внимание! Граница преломления значительно увеличивает такой параметр, как длина волны.

В ходе преломления лучей часть их энергии возвратятся обратно в первичную среду. При проникновении части лучей в иную среду наблюдается их преломление.
Чтобы разбираться во всех этих физических явлениях, необходимо знать соответствующую терминологию:

• поток световой энергии в физике определяется как падающий при попадании на границу раздела двух веществ;
• часть энергии света, которая в данной ситуации возвращается в первичную среду, называется отраженной;

Обратите внимание! Существует несколько формулировок правила отражения. Как вы его не сформулируйте, но он все равно будет описывать взаимное расположение отраженных и падающих лучей.

• угол падения. Здесь подразумевается угол, который формируется между перпендикулярной линией границы сред и падающим на нее светом. Он определяется в точке падения луча;

Углы луча

• угол отражения. Он формируется между отраженным лучом и перпендикулярной линией, которая была восстановлена в точке его падения.

Кроме этого необходимо знать, что свет может распространяться в однородной среде исключительно прямолинейно.

Обратите внимание! Различные среды могут по-разному отражать и поглощать излучение света.

Отсюда выходит коэффициент отражения. Это величина, которая характеризует отражательную способность предметов и веществ. Он означает, сколько излучения принесенного световым потоком на поверхность среды составит та энергия, которая будет отражена от нее. Данный коэффициент зависит от целого ряда факторов, среди которых наибольшее значение имеют состав излучения и угол падения.
Полное отражение светового потока наблюдается тогда, когда луч падает на вещества и предметы, обладающие отражающей поверхностью. К примеру, отражение луча можно наблюдать при попадании его на стекло, жидкую ртуть или серебро.

Небольшой исторический экскурс

Законы преломления и отражения света были сформированы и систематизированы еще в ІІІ в. до н. э. Их разработал Евклид.

Все законы (преломления и отражения), которые касаются данного физического явления, были установлены экспериментальным путем и легко могут подтвердиться геометрическим принципом Гюйгенса. По этому принципу любая точка среды, до которой может дойти возмущение, выступает в роли источника вторичных волн.
Рассмотрим существующие на сегодняшний день законы более детально.

Законы – основа всего

Закон отражения светового потока определяется как физическое явление, в ходе которого свет, направляющийся из одной среды в другую, на их разделе будет частично возвращен обратно.

Отражение света на границе раздела

Зрительный анализатор человека наблюдает свет в момент, когда луч, идущий от своего источника, попадает в глазное яблоко. В ситуации, когда тело не выступает в роли источника, зрительный анализатор может воспринимать лучи от иного источника, которые отражаются от тела. При этом световое излучение, падающее на поверхность объекта, может изменить направление своего дальнейшего распространения. В результате этого тело, которое отражает свет, будет выступать в роли его источника. При отражении часть потока будет возвращаться в первую среду, из которой он первоначально направлялся. Здесь тело, которое отразит его, станет источником уже отраженного потока.
Существует несколько законов для данного физического явления:

• первый закон гласит: отражающий и падающий луч, вместе с перпендикулярной линией, возникающей на границе раздела сред, а также в восстановленной точке падения светового потока, должны располагаться в одной плоскости;

Обратите внимание! Здесь подразумевается, что на отражательную поверхность предмета или вещества падает плоская волна. Ее волновые поверхности являются полосками.

Первый и второй закон

• второй закон. Его формулировка имеет следующий вид: угол отражения светового потока будет равен углу падения. Это связано с тем, что они обладают взаимно перпендикулярными сторонами. Беря во внимание принципы равенства треугольников, становится понятным, откуда берется это равенство. Используя данные принципы можно легко доказать то, что эти углы находятся в одной плоскости с проведенной перпендикулярной линией, которая была восстановлена на границе разделения двух веществ в точке падения светового луча.

Эти два закона в оптической физике являются основными. При этом они справедливы и для луча, имеющего обратный ход. В результате обратимости энергии луча, поток, распространяющийся по пути ранее отраженного, будет отражаться аналогично пути падающего.

Закон отражения на практике

Проверить исполнение данного закона можно на практике. Для этого необходимо направить тонкий луч на любую отражающую поверхность. В этих целях отлично подойдет лазерная указка и обычное зеркало.

Действие закона на практике

Направляем лазерную указку на зеркало. В результате этого лазерный луч отразится от зеркала и распространится дальше в заданном направлении. При этом углы падающего и отраженного луча будут равны даже при обычном взгляде на них.

Обратите внимание! Свет от таких поверхностей будет отражаться под тупым углом и дальше распространяться по низкой траектории, которая расположена достаточно близко к поверхности. А вот луч, который будет падать практически отвесно, отразится под острым углом. При этом его дальнейший путь будет практически аналогичным падающему.

Как видим, ключевым моментом данного правила является тот факт, что углы необходимо отчитывать от перпендикуляра к поверхности в месте падения светового потока.

Обратите внимание! Этому закону подчиняется не только свет, но и любые виды электромагнитных волн (СВЧ, радио-, рентгеновские волны и т.п).

Особенности диффузного отражения

Многие предметы могут только отражать падающее на их поверхность световое излучение. Отлично освещенные объекты хорошо видны с разных сторон, так как их поверхность отражает и рассеивает свет в разных направлениях.

Диффузное отражение

Такое явление называется рассеянным (диффузным) отражением. Это явление образуется при попадании излучения на различные шероховатые поверхности. Благодаря ему мы имеем возможность различать объекты, которые не имеют способности испускать свет. Если рассеивание светового излучения будет равно нулю, то мы не сможем увидеть эти предметы.

Обратите внимание! Диффузное отражение не вызывает у человека дискомфорта.

Отсутствие дискомфорта объясняется тем, что не весь свет, согласно вышеописанному правилу, возвращается в первичную среду. Причем этот параметр у разных поверхностей будет различным:

• у снега – отражается примерно 85% излучения;
• у белой бумаги — 75%;
• у черного цвета и велюра - 0,5%.

Если же отражение идет от шероховатых поверхностей, то свет будет направляться по отношению друг к другу хаотично.

Особенности зеркального отображения

Зеркальное отражение светового излучения отличается от ранее описанных ситуаций. Это связано с тем, что в результате падения потока на гладкую поверхность при определенном угле они будут отражаться в одном направлении.

Зеркальное отражение

Это явление можно легко воспроизвести, используя обычное зеркало. При направлении зеркала на солнечные лучи, оно будет выступать в роли отличной отражающей поверхности.

Обратите внимание! К зеркальным поверхностям можно отнести целый ряд тел. К примеру, в эту группу всходят все гладкие оптические объекты. Но такой параметр, как размеры неровностей и неоднородностей у этих объектов будут составлять менее 1 мкм. Величина длины волны света составляет примерно 1 мкм.

Все такие зеркальные отражающие поверхности подчиняются ранее описанным законам.

Использование закона в технике

На сегодняшний день в технике достаточно часто применяются зеркала или зеркальные объекты, имеющие изогнутую отражающую поверхность. Это так называемые сферические зеркала.
Подобные объекты представляют собой тела, которые имеют форму сферического сегмента. Для таких поверхностей характерно нарушение параллельности лучей.
На данный момент существуют два типа сферических зеркал:

• вогнутые. Они способны отражать световое излучение от внутренней поверхности своего сегмента сферы. При отражении лучи собираются здесь в одной точке. Поэтому их часто еще называют «собирающими»;

Вогнутое зеркало

• выпуклые. Для таких зеркал характерно отражение излучения от наружной поверхности. В ходе этого происходит рассеивание в стороны. По этой причине такие объекты получили название «рассеивающие».

Выпуклое зеркало

При этом существует несколько вариантов поведения лучей:

• паление почти параллельно поверхности. В данной ситуации он лишь немного касается поверхности, а отражается под очень тупым углом. Далее он идет по достаточно низкой траектории;
• при ответном падении, лучи отбиваются под острым углом. При этом, как мы говорили выше, отраженный луч будет следовать по пути очень близкому падающему.

Как видим, закон исполняется во всех случаях.

Заключение

Законы отражения светового излучения очень важны для нас, поскольку они являются основополагающими физическими явлениями. Они нашли обширное применение в различных сферах человеческой деятельности. Изучение основ оптики происходит еще в средней школе, что лишний раз доказывает важность таких базовых знаний.

Как самому сделать ангельские глазки для ваза?

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА - возникновение вторичных световых волн, распространяющихся от границы раздела двух сред "обратно" в первую среду, из к-рой первоначально падал свет. При этом по крайней мере первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучений. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.
Пространств. распределение интенсивности отражённого света зависит от соотношения между размерами неровностей h поверхности (границы раздела) и длиной волныпадающего излучения. Если h то О. с. направленное, или зеркальное. Когда размеры неровностей h или превышают её (шероховатые, матовые поверхности) и расположение неровностей стохастическое, О. с. - диффузное. Возможно также смешанное О. с., при к-ром часть падающего излучения отражается зеркально, а часть диффузно. Если же неровности с размерами расположены к--л. регулярным образом, то распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при О. с. от . решётки.

Зеркальное О. с . характеризуется связью положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый, преломлённый и падающий лучи и нормаль к плоскости падения компланарны; 2) угол падения равен углу отражения. Совместно с законом прямолинейного распространения света эти законы составляют основу геометрической оптики . Для понимания физ. особенностей, возникающих при О. с., таких, как изменение амплитуды, фазы, используется эл--магн. теория света, в основе к-рой лежат ур-ния Максвелла. Они устанавливают связь параметров отражённого света с оптич. характеристиками вещества - оптич. постоянными п и составляющими комплексного показателя преломленияп - отношение скорости в вакууме к фазовой скорости волны в веществе, - гл. безразмерный показатель поглощения. Параметры отражённого света могут быть получены из ур-ния волны, к-рое удовлетворяет решению ур-ний Максвелла:

где Е 0 - нач. амплитуда волны, распространяющейся в поглощающей среде, - круговая частота, - длина волны, z - направление распространения волны, t - время.
Величина связана с натуральным показателем поглощения к-рый обычно определяется из традиц. фотометрич. измерений (см. Бугера - Ламберта - Бера закон) . Параметр характеризует затухание амплитуды световой волны, к-рая при прохождении расстояния, равного ослабляется в е раз.
Это расстояние может служить мерой глубины проникновения света в приграничный слой поглощающего вещества, где происходит формирование отражённой волны. В слабо поглощающем веществе (< 0,1) свет проникает на глубину порядка, а при сильном поглощении ( 0,1) глубина проникновения намного меньше. При О. с. от границы с сильно поглощающим веществом эл--магн. волна не может проникнуть в эту среду на значит. глубину, в результате чего поглощается только малая часть энергии и на малом участке пути, а большая часть отражается.
При падении световой волны по нормали к идеально плоской поверхности амплитуды отражённой и преломлённой световых волн могут быть получены из ур-ния волны в предположении непрерывности тангенциальных составляющих электрич. вектора при переходе из одной среды в другую. С учётом оптич. свойств границы раздела сред непосредственно получают связь между амплитудами волн падающей, отражённой и прошедшей. При нормальном падении света амплитудный коэф. отражения

где n 1 и - показатели преломления граничащих сред.

Энергетич. коэф. отражения, характеризующий мощность отражённой волны R = | r | 2 , а для границы воздух - среда

Рис. 3. Спектры коэффициентов отражения диэлектрика (-кварц), металла (Аu) и монокристаллического графита.

В поглощающих средах (хорошо проводящих металлах) падающая волна поглощается практически полностью с тонком (~10 нм) слое; энергия её превращается в энергию движения электронной плазмы. Движущиеся электроны излучают, в результате чего формируется отражённая волна, уносящая до 99% энергии (подробнее см. Металлооптика ).
Спектры отражения в УФ-, видимой и ИК-областях типичного представителя металлов (Аu) и диэлектриков ("-кварц) представлены на рис. 3. Хорошо виден общий резонансный характер О. с. в УФ-области у -кварца и золота, тогда как в ИК-области обнаруживаются качеств. различия: у-кварца no-прежпему ярко выражена резонансная структура полос в спектре О. с., а у золота - неселективиое отражение, характерное для свободных носителей электрич. заряда. В промежуточной - видимой области в спектре О. с. золота с ростом происходит быстрое нарастание коэф. отражения. Спектр О. с. полуметалла (графит) в УФ-области имеет те же общие черты, а в ИК-области носит промежуточный характер, приближаясь с ростом к спектру металлов. Резонансные колебания кристаллич. решётки графита выражены в спектре О. с. в виде весьма слабых полос на фоне интенсивного неселективного отражения, обусловленного свободными носителями.
При рассмотренном выше О. с. предполагалось наличие идеально гладкой плоской отражающей границы. Реальная поверхность имеет микронеровности конечной высоты, трещины, адсорбиров. воду и т. п. Для точного измерения параметров отражённого света, на к-рые влияют тончайшие поверхностные слои, необходимы исключительно тщательная хим. очистка поверхности и устранение дефектов и нарушений структуры, вызванных обработкой. Наличие микрорельефа приводит к нерегулярному рассеянию света по разным направлениям, причём для высококачеств. полировки потери на рассеяние могут составлять ~ 2 х 10 -5 от мощности падающего света. Если высота микронеровностей h то отражение диффузное; при h отражение зеркальное. Коэф. зеркального О. с. от поверхности при нормальном падении в хорошем приближении описывается ф-лой где R 0 - отражение идеально гладкой поверхности. Металлич. зеркало, у к-рого потери на диффузное отражение составляют не более 0,1%, должно иметь h в видимом диапазоне. При наклонном падении и при переходе в ИК-область требования к качеству полировки снижаются.
Диффузное О. с. представляет собой рассеивание света во всевозможных направлениях телом, к-рое имеет шероховатую поверхность либо обладает внутр. неоднородной структурой, ведущей к в его объёме. О. с. от шероховатой поверхности, представляющей собой совокупность различным образом ориентированных площадок с размерами сводится к отражению света этими площадками в соответствии с ф-лами Френеля; угл. распределение яркости и поляризации диффузно отражённого света целиком определяется характером стохастич. распределения площадок по ориентациям.
Если О. с. обусловлено рассеянием на неоднородно-стях внутр. структуры самого тела (порошки, эмульсии, облака и т. п.), то явление носит объёмный характер и его закономерности определяются эффектами многократного рассеяния света, проникшего в тело. В этом случае даже слабое поглощение внутри тела приводит к резкому ослаблению многократно рассеянного света и уменьшению отражат. способности. Для очень тонких или сильно поглощающих сред существенно только однократное рассеяние, b вследствие чего отражат. способность пропори,. (и - объёмные коэф. рассеяния и поглощения). Т. к. и зависят от степени дисперсности рассеивающего вещества, то и отражат. способность зависит от дисперсности: увеличивается по мере измельчения рассеивающих частиц. Поляризация отражённого света также зависит от величины Угл. распределение отражённого света определяется видом матрицы рассеяния и меняется с изменением и оптич. толщины слоя.
Для поверхностей, равномерно рассеивающих свет, часто пользуются (напр., при светотехн. расчётах) Ламберта законом ,согласно к-рому яркость диффузио отражающего тела пропорц. его освещённости и не зависит от направления, в к-ром она рассматривается. Однако закон этот выполняется очень приближённо, лишь для тел с высокой отражат. способностью и под углами наблюдения < 60°.

О. с. от нелинейных сред . При больших мощностях световых (лазерных) полей (10 8 - 10 10 Вт/см 2) обнаруживается нелинейность среды, к-рая может сказаться на О. с. Так, напр.. при отражении от нелинейной среды (монокристалл CaAs) может возникать 2-я гармоника, если среда прозрачна для осн. частоты, но поглощает гармонику. При падении на нелинейную среду двух волн с частотами и возникает отражённая волна на суммарной частоте (кроме обычных отражённых волн и). Интенсивность гармоники в отражённом свете имеет заметную величину при соблюдении фазового синхронизма . Необходимые условия синхронизма могут осуществляться разными способами. Напр., при отражении от кристалла подбирают условия (выбором ориентации осей), когда осн. волна - обыкновенная, а 2-я гармоника - необыкновенная; тогда в нек-ром направлении скорость гармоники необыкновенной волны равна скорости основной обыкновенной. Благоприятные условия для синхронизма получаются при полном внутр. отражении, когда направление согласования фаз в кристалле лежит в отражающей плоскости, а угол падения соответствует для 2-й гармоники. При отражении мощной падающей волны наблюдается ряд параметрич. эффектов, связанных с оптич. Керра эффектом ,с электрострикцией , с локальными нагревами и т. п. и приводящих к отступлению от ф-л Френеля (см. Нелинейная оптика ).
Все несветящиеся предметы видны благодаря диффузному О. с. Если поверхность отражает зеркально, то видна не сама граница раздела, а изображения предметов, полученные при отражении от этой поверхности. О. с. может оказывать и вредное воздействие, приводя, напр., к появлению "бликов", уменьшению яркости и контрастности изображения. В этих случаях стараются уменьшить О. с., нанося на поверхность оптич. деталей спец. тонкие слои (см. Просветление оптики ).
О. с. широко используется для определения оптич. характеристик вещества, выяснения его структуры, свойств, особенно в тех случаях, когда исследования на пропускание трудны или невозможны; в , напр. в методе нарушенного полного внутр. отражения, к-рый даёт информацию о структуре поверхностных слоев, что важно для теории адсорбции, поверхностных и граничных явлений, катализа и т. п.

Лит.: Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Борн М., Вольф Э. . Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Кизель В. А., Отражение света , М., 1973; Золотарев В. М., Морозов В. Н., Смирнова Е. В.. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник, Л., 1984.

В. М. Золотарёв .