§ 65. отражение света. закон отражения света

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где ​\( d_0 \)​ – расстояние наилучшего зрения, ​\( d_0 \)​ = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где ​\( F_1 \)​ – фокусное расстояние объектива; ​\( F_2 \)​ – фокусное расстояние окуляра.

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

​\( \varphi \)​ – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от ​\( \infty \)​ до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

• Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
• Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.

Изменение траектории движения потока

Когда луч опускается на раздел двух сред (возьмем воду и стекло), одна его часть отражается от стекла, а другая проникает внутрь, но в стекле излучение преломляется.

Закон отражения и преломления света выглядит так:

Дадим определение понятиям, без которых понимание сути законов невозможно.

Отражение света – это перемена траектории движения светового излучения при попадании на край двух сред, после чего излучение остается и продолжает распространение в первой среде. Преломление света – это перемена курса светового излучения после перехода из одних условий в другие.

В основе волновой оптики лежит принцип Ферма. Он гласит, что световое излучение выбирает путь, на преодоление которого требуется минимум времени. Это утверждение определяет законы волновой оптики, представленные ниже.

Что такое отражение света и его разновидности, механизм

Закон формулируется так: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, имеющей перпендикуляр относительно отражающей поверхности, который выходит из точки падения. Угол падения равен углу отражения.

По сути, отражение это физический процесс, при котором луч, частицы или излучение взаимодействуют с плоскостью. Направление волн изменяется на границе двух сред, так как они имеют разные свойства. Отраженный свет всегда возвращается в ту среду, из которой пришел. Чаще всего при отражении наблюдается и явление преломления волн.

Так выглядит схематическое объяснение закона отражения света.

Зеркальное отражение

В этом случае наблюдается четкая взаимосвязь между отраженными и падающими лучами, это является главной особенностью данной разновидности. Есть несколько основных моментов, характерных для зеркального отражения:

1. Отраженный луч всегда находится в плоскости, которая проходит через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, которая восстановлена в точке падения.
2. Угол падения равняется углу отражения луча света.
3. Характеристики отраженного луча пропорциональны поляризации лучевого пучка и углу его падения. Также на показатель влияют характеристики двух сред.

При зеркальном отражении углы падения и отражения всегда одинаковы.

При этом показатели преломления зависят от свойств плоскости и особенностей света. Это отражение можно встретить везде, где есть гладкие поверхности. Но для разных сред условия и принципы могут меняться.

Полное внутреннее отражение

Характерно для звуковых и электромагнитных волн. Возникает в месте, где встречаются две среды. При этом волны должны падать из среды, в которой скорость распространения ниже. Применительно к свету можно сказать, что показатели преломления в этом случае сильно возрастают.

Полное внутреннее отражение характерно для поверхности воды.

Угол падения луча света влияет на угол преломления. С увеличением его значения интенсивность отраженных лучей увеличивается, а преломленных снижается. При достижении определенного критического значения показатели преломления уменьшаются до нулевой отметки, что приводит к полному отражению лучей.

Диффузное отражение света

Этот вариант характеризуется тем, что при попадании на неровную поверхность лучи отражаются в разных направлениях. Отраженный свет просто рассеивается и именно из-за этого нельзя увидеть свое отражение на неровной или матовой плоскости. Явление диффузии лучей наблюдается, когда неровности равны длине волны или превышают ее.

При этом одна и так же плоскость может быть диффузно отражающей для света или ультрафиолета, но при этом хорошо отражать инфракрасный спектр. Все зависит от особенностей волн и свойств поверхности.

Диффузное отражение хаотичное из-за неровностей на поверхности.

Обратное отражение

Это явления наблюдается, когда лучи, волны или другие частицы отражаются обратно, то есть в сторону источника. Такое свойство может быть использовано в астрономии, естествознании, медицине, фотографии и других сферах. За счет системы выпуклых линз в телескопах есть возможность увидеть свет звезд, которые не видны невооруженным глазом.

Обратное отражение можно регулировать за счет сферической формы отражающей поверхности.

Важно создать определенные условия, чтобы свет возвращался к источнику, это достигается чаще всего за счет оптики и пучкового направления лучей. Например, этот принцип применяется в УЗИ-исследованиях, благодаря отраженным ультразвуковым волнам на монитор выводится изображение исследуемого органа

Прибор для спектроскопии диффузного отражения

Приборы для спектроскопии диффузного отражения обеспечивают измерения путем выравнивания материала перед окном падающего света, а затем концентрированный световой луч отражается от объекта к детектору с помощью сферы, покрытой изнутри сульфатом бария. Значение, полученное при такой настройке, представляет собой коэффициент отражения или относительный коэффициент отражения рассматриваемого материала по отношению к стандартному эталонному коэффициенту отражения белой доски, который считается равным 100%.

Затем свет направляется на данный материал под углом 0 °. При этом зеркально отраженный свет покидает интегрирующую сферу и, следовательно, не воспринимается детектором. По этой причине эта установка способна измерять только рассеянно отраженный свет. Однако разрабатываются новые модели интегрирующих сфер, способных посылать световые лучи под разными углами падения. Таким образом, эти модели могут рассчитывать комбинацию как зеркального, так и диффузно отраженного света.

Френелевские отражения для диэлектриков и металлов.

Правило Френеля также применимо и для металлов, но вы должны быть уверены, что используете полное выражение, а не урезанную (упрощенную) часть, которую используют для убыстрения вычислений в случае с диэлектриками.

Оно описывает отношение между отраженным и поглощенным светом.

Большинство шейдеров не используют комплексную френелевскую функцию.

Для диэлектриков обычно берется упрощенная версия уравнения, в которой используется только одно значение – n (это ваше значение IOR в настройках материала/шейдера) в качестве входного (угол падения берется из рендерера). Для металлов же должно использоваться полное уравнение, где входных значений должно быть как минимум два – n и k (разброс), а также должны использоваться .

В упрощенном уравнении попросту обнуляют переменную k (таким образом, остается только одна переменная и не нужно париться с комплексными числами). Но вся загвоздка в том, что нулевое значение k работает только для диэлектриков и не работает для металлов, которые имеют составляющую k, изменяющуюся в широких пределах.

А теперь прибавьте к этому тот факт, что не только разные материалы, но и разные длины волн (!) падающего света приводят к различным значениям n и k. Таким образом уравнение может быть очень сложным.

Но все эти нюансы не важны для диэлектриков, так что мы и дальше можем успешно симулировать этот эффект используя всего лишь один входной параметр.

Однако это может быть очень заметно для металлов. К примеру, именно все эти комплексные значения приводят к тому, что у меди цвет отражений изменяется в зависимости от угла падения света (немножко зеленоватые отражения при скользящем угле).

Таким образом, идеально было бы для металлов иметь таблицу со значениями n и k для всего видимого спектра. Именно это объясняет почему значение n (или IOR), которое мы видим во всех шейдерах/материалах бесполезно, когда дело доходит до настройки материала металла. Всё просто, нам ведь нужно еще значение k, а оптимальный вариант – это когда n и k можно задать для каждой длины волны всего видимого спектра.

Но поскольку большинство тридешников не умеют писать свои шейдеры, то для металлов используют IOR со значением больше 20, что дает такую же кривую отражений френеля, как для комплексного уравнения.

Вероятно, именно поэтому нельзя в один клик заставить V-Ray окрашивать отражения в определенный цвет (как у золота, меди и других металлов).

Лучше, конечно же, было бы, если такие выражения изначально встроили в рендереры. Возможно, так в будущем и будет.

Измерение диффузного отражения

Зеркальное отражение, допустимое для гладких стеклянных или полированных металлических поверхностей, приблизительно равно нулю для всех углов, кроме применимого угла отражения. Этот угол представляет собой угол отражения, значение которого эквивалентно углу падения на противоположной стороне от нормали, и в случае, если падающий луч падает нормально на поверхность материала, он отражается обратно в том же направлении, т.е. угол отражения и угол падения равен 0o.

Коэффициент диффузного отражения для некоторых материалов, таких как матовая белая краска, оказывается однородным, то есть световой поток одинаково или почти одинаково отражается под всеми углами. Считается, что такие материалы подчиняются ламбертовским законам отражения. В практическом мире материалы демонстрируют сочетание диффузных и зеркальных отражающих свойств.

Дифракция света

Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Зеркальное изображение

Для получения рисунка в плоском зеркале нужно рассмотреть, как происходит отражение от светящейся точки. От неё во все стороны расходится свет. Получить изображение предмета в зеркале можно с помощью двух лучей. Один — падает на поверхность произвольно, а другой — перпендикулярно. Чтобы построить путь первого нужно нарисовать линию под углом 90 к точке отражения поверхности, а затем провести луч согласно закону распространения. Во втором же случае световой поток будет идти по траектории падения, но в обратную сторону.

Как оказалось, изображение предмета возможно видеть из-за пересечения отражённых лучей. При рассматриваемом распространении в видимой части пути линии света не пересекаются. Для того же чтобы их найти нужно продолжить их путь за поверхностью зеркала. Точку, в которой они пересекутся можно обозначить как S1. Она представляет собой не настоящее изображение, а продолжение световых лучей. Такую картину в оптике называют мнимой.

Плоское зеркало даёт мнимое изображение. Чтобы его увидеть нужно смотреть вдоль перпендикуляра построенного к точке отражения. Причём расстояния от источника до зеркала, будет равно длине от него к точке S1. Это является главной особенностью изображения зеркальной поверхности.

Но реалистичные изображения чаще всего протяжённые. Например, пусть есть предмет длиной AB. Чтобы построить его отражение, нужно отдельно нарисовать распространение лучей для его начальной и конечной точек. В результате получится два мнимых места: A1 и B1. Поcле их соединения получится линия, повторяющая изображение предмета в плоском зеркале, где AB — это предмет, а A1B1 — его отражение.

Что интересно, изображение предмета в плоском зеркале, такое же по размеру, как и предмет. При этом оно прямое, а не перевёрнутое. Расстояния же от поверхности как в одну, так и другую сторону одинаковые. Итак, можно выделить свойства изображения предмета в плоском зеркале. Они будут заключаться в следующем:

• мнимое;
• совпадать по размеру;
• прямое;
• находится на равноудалённом расстоянии от поверхности при сравнении с реальным телом.

Принцип Гюйгенса. Закон отражения света

Подробности

Просмотров: 607

«Физика — 11 класс»

Законы отражения и преломления света можно вывести из одного общего принципа, описывающего поведение волн.
Этот принцип впервые был выдвинут современником Ньютона Христианом Гюйгенсом.

Принцип Гюйгенса

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн.
Для того чтобы, зная положение волновой поверхности (фронта волны) в момент времени t, найти ее положение в следующий момент времени t + Δt, нужно каждую точку фронта рассматривать как источник вторичных волн.
Точки M₁, М₂, М₃ и т. д. являются такими источниками.
Поверхность, касательная к фронтам вторичных волн, представляет собой фронт первичной волны в следующий момент времени.
Этот принцип в равной мере пригоден для описания распространения волн любой природы: механических, световых и т. д.
Гюйгенс сформулировал его первоначально именно для световых волн.

Для механических волн принцип Гюйгенса имеет наглядное истолкование: частицы среды, до которых доходят колебания, в свою очередь, колеблясь, приводят в движение соседние частицы среды, с которыми они взаимодействуют.

Закон отражения

С помощью принципа Гюйгенса можно вывести закон, на основе которого объясняется отражение волн от границы раздела сред.

Рассмотрим, как происходит отражение плоской волны.
Волна называется плоской, если поверхности равной фазы (волновые поверхности) и соответственно фронт волны представляют собой плоскости.
На рисунке MN — отражающая поверхность; прямые А₁А и В₁В — два луча падающей плоской волны.
Плоскость АС — фронт волны в момент времени, когда луч А₁А дошел до отражающей поверхности.

Угол α между падающим лучом и нормалью к отражающей поверхности в точке падения называют углом падения.

Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела двух сред.
Различные участки волновой поверхности АС достигают отражающей границы не одновременно.
Возбуждение колебаний в точке А начнется раньше, чем в точке В, на время (υ — скорость волны).

В момент, когда волна достигнет точки В и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке А уже будет представлять собой полусферу радиусом r = AD = υΔt = СВ.
Фронты вторичных волн от источников, расположенных между точками А и В, показаны на рисунке.
Огибающей фронтов вторичных волн является плоскость DB, касательная к сферическим поверхностям.
Она и представляет собой фронт отраженной волны.
Лучи АА₂ и ВВ₂ перпендикулярны фронту отраженной волны DB.
Угол у между нормалью к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения.

Так как AD = СВ и треугольники ADB и АСВ прямоугольные, то ∠DBA = ∠CAB.
Но α = ∠CAB и γ = ∠DBA как углы с взаимно перпендикулярными сторонами.
Следовательно, угол отражения равен углу падения

α = γ

Здесь и далее в алгебраических соотношениях под словом угол подразумевается его радианная (или градусная) мера

Из теории Гюйгенса вытекает закон отражения света: луч падающий, луч отраженный и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу отражения.

При обратном направлении распространения световых лучей отраженный луч станет падающим, а падающий — отраженным

Обратимость хода световых лучей — их важное свойство

Сформулирован общий принцип распространения волн любой природы — принцип Гюйгенса.
Этот принцип позволяет с помощью простых геометрических построений находить волновую поверхность в любой момент времени по известной волновой поверхности в предшествующий момент.
Из принципа Гюйгенса выведен закон отражения света.

Следующая страница «Закон преломления света»

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Оптика —
Скорость света —
Принцип Гюйгенса. Закон отражения света —
Закон преломления света —
Полное отражение —
Линза —
Построение изображения в линзе —
Формула тонкой линзы. Увеличение линзы —
Примеры решения задач. Геометрическая оптика —
Дисперсия света —
Интерференция механических волн —
Интерференция света —
Некоторые применения интерференции —
Дифракция механических волн —
Дифракция света —
Дифракционная решетка —
Поперечность световых волн. Поляризация света —
Поперечность световых волн и электромагнитная теория света —
Примеры решения задач. Волновая оптика —
Краткие итоги главы

3. Механизм отражения

В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла. Световые волны, падающие на диэлектрик вызывают 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. При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность 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.

Полное внутреннее отражение

Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то с увеличением угла падения увеличивается угол преломления. При некотором значении угла падения угол преломления становится равным 90°. Преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред.

Предельный угол полного отражения – это угол падения, при котором угол преломления становится равным 90°:

Если вторая среда – воздух, ​\( n_2 \)​ = 1, то ​\( \sin\alpha_{пр.}=\frac{1}{n_1}. \)​.

При дальнейшем увеличении угла падения угол преломления тоже увеличивается и наблюдается только отражение света. Это явление называется полным отражением света.

Применение явления полного внутреннего отражения

Треугольная призма – прозрачное тело, ограниченное с трех сторон плоскими поверхностями так, что линии их пересечения взаимно параллельны.

Если призма изготовлена из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч, дважды преломляясь, отклоняется к основанию призмы, а мнимое изображение источника света смещается к вершине призмы.

Преломляющий угол призмы – это угол, лежащий против основания.

Угол отклонения луча призмой – это угол между направлениями падающего на призму и вышедшего из призмы лучей.

​\( \varphi \)​ – преломляющий угол,

​\( \theta \)​ – угол отклонения луча призмой.

Важно!
С помощью треугольной равнобедренной призмы с преломляющим углом 90° можно:

повернуть луч на 90° (поворотная призма, используется в перископах);

изменить направление луча на 180° (оборотная призма, используется в биноклях);

изменить относительное расположение лучей.

Ограниченное ретроотражение и его использование

Явление обратного отражения в настоящее время широко используется при производстве автомобилей, в частности при изготовлении поверхности металлических пластин, на которых пишутся номера.

Если на поверхность нанести много маленьких отражающих сфер, то можно добиться того, чтобы она отражала свет не точно обратно, а под некоторым небольшим углом. В таком случае говорят об ограниченной способности ретроотражателя. Такого же эффекта можно добиться, если нанести на поверхности вместо отражающих сфер маленькие пирамидки.

При изготовлении номеров для автомобилей не нужно, чтобы они отражали свет идеально обратно, а необходимо, чтобы отраженный пучок света был почти параллельным к падающему пучку. Благодаря этому свет, падающий на номера автомобиля из фар находящегося сзади него другого автомобиля, отражается от этих номеров, попадает в глаза водителю, и он видит номер движущейся впереди машины.

Элементы

При изучении отражения света необходимо учитывать следующие элементы: свет, две среды, поверхность раздела сред, падающий луч, отраженный луч и нормаль к поверхности разделения. .

В физике термин «свет» включает в себя все поле излучения, входящее в электромагнитный спектр, а термин «видимый свет» относится к той части спектра, которую воспринимает человеческий глаз.

В размышлении следует различать два средства. Первый — это среда, через которую распространяется волна. Второй через него либо не проходит, либо возникает рефракция волны. Между двумя медиа есть то, что называется разделением медиа.

Нормаль — это линия, перпендикулярная плоскости разделения сред. Падающий луч называется лучом света, который достигает разделяющей поверхности через первую среду. Со своей стороны, отраженный луч — это тот, который отражается после того, как падающий луч сталкивается с этой поверхностью.

Квантовомеханическое обоснование процесса отражения

Свет – это пучок фотонов различной частоты. Любое взаимодействие фотонов с материей описывается через процессы поглощения и испускания. Когда фотон достигает молекулы вещества, то он сразу же ею поглощается, переводя ее электронную оболочку в возбужденное состояние, то есть в состояние с повышенной энергией. Практически мгновенно после поглощения фотона электронная система переходит в свое основное состояние, и этот процесс сопровождается испусканием фотона в произвольном направлении. Закон отражения света с квантовомеханической точки зрения объясняется как наиболее вероятное направление испускания фотонов, которое наблюдается в виде отражения.

2. Законы отражения. Формулы Френеля

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 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.

2.1. Сдвиг Фёдорова

Сдвиг Фёдорова — явление бокового смещения луча света при отражении. Отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом. Явление теоретически предсказано Ф. И. Фёдоровым в 1954 году, позже обнаружено экспериментально.