Отражение света

Отражение — это проявление волновых процессов в природе. При падении волны на границу двух сред с различными свойствами возникает волна, отраженная от поверхности (отражение), а в некоторых случаях волна, прошедшая сквозь другую среду (преломление).

Звук, отраженный от преграды, возвращается к источнику звука — мы слышим эхо. Умножив скорость звука на время, в течение которого «возвращается» эхо, можно получить удвоенное расстояние от источника звука до преграды. Такой способ широко применяется в эхолокации, гидролокации. В радиолокации подобным образом применяют радиоволны, ультразвуковые волны. В природе существуют такие существа, которые способны сами издавать ультразвуковые колебания, принимать их отраженный сигнал, определяя тем самым, например, расстояние до добычи. Так действуют летучие мыши, дельфины.

Геометрическое отражение света

Отражение света

Геометрический закон отражения.

Представим, что мы направили луч лазерной указки на зеркальную поверхность. Можно заметить, что луч при этом отразится под определенным углом. Угол между направленным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности (нормаль) называется углом падения, а угол, полученный между отраженным лучом и той же нормали, называется углом отражения. При этом всегда угол падения будет равен углу отражения. Поэтому, глядя в зеркало на источник света, мы увидим, практически, неискаженное изображение этого источника, находящегося «зеркально» на том же расстоянии, что и сам источник. Так формулируется закон отражения света. Этот закон, как и все основные законы природы, был доказан экспериментально.

Интересные факты про зеркала. Не знали?

  • Свойства плоского стекла используют для создания множества иллюзий. Например, в театрах используют плоское стекло, чтобы получить образы призраков в ходе спектакля. Под некоторым углом на сцене устанавливают большое плоское стекло. В углублении, под сценой находится артист, который отражается в этом стекле. Причем артист освещен таким образом, чтобы его одежда и он сам был виден, но яркость отражения не перекрывала декорации и он оставался полупрозрачным. Когда прекращается освещение, «призрак» исчезает.
  • Если зеркало покрыть тончайшей пленкой металла (около 0,1 мкм), хорошо отражающего свет, а вместо темной защитной краски нанести бесцветный лак, то в таком зеркале при определенных условиях можно увидеть не только изображение, находящееся перед зеркалом, но и то, что будет за ним. Изменяя наклон зеркала, можно получать «проявляющиеся» картинки. В вестибюле Харьковского русского драматического театра имени Пушкина есть такое полупрозрачное зеркало. Зрители, смотрящие в зеркало, вдруг неожиданно видят в нем рекламу предстоящей премьеры. Мгновение — угол изменен, и зеркало опять на месте.
  • Издавна известны такие аттракционы, как «говорящая голова». Фокус в том, что на сцене устанавливается трехгранный ящик, в котором помещен человек. Сам он невидим, видна лишь его голова над ящиком, как бы парящая в пустоте. А дело в том, что грани ящика представляют собой зеркала высокого качества и повернуты они таким образом, что в них отражается нижняя часть декораций, имеющие ту же яркость и окраску, что и вся декорация в целом.
  • Есть способ, позволяющий увидеть человеку себя в полный рост в коротком зеркале. Для этого необходимо зеркало поднять и наклонить, при этом поле зрения уменьшится, но обзор увеличится.
  • Забавный розыгрыш можно проделывать с друзьями, имея шкаф с зеркальной дверцей. Если встать с одной стороны зеркала, а одну ногу и половину своего туловища «спрятать» в шкафу, при этом, видимую в зеркале ногу поднять, то Ваши приятели увидят, как Вы просто парите в комнате.
  • Свойства зеркал отражать широко применяется в рекламе. Если в витрине поместить зеркала под определенным углом друг к другу, а между ними поместить рекламируемый товар, то он многократно отобразиться в зеркалах.
  • Три или большее количество зеркал, установленных в виде призмы с помещенными в этой призме кусочками ярких стеклышек, дают возможность получить такую знакомую с детства игрушку — калейдоскоп.
  • Вы видели перевернутую надпись «AMBULANCE» на машинах скорой помощи. Ведь так быстрее заметишь в зеркало заднего вида, что торопится именно «скорая».
  • А почему в воде не увидишь стекло? Оказывается, коэффициент преломления света ближе к коэффициенту преломления воды. Из-за этого уменьшается отражение луча света при переходе его из среды в среду. Отражается не стекло, а граница сред.

Его можно вывести и теоретически, как следствие принципа Ферма. Элементарная суть принципа Ферма — луч света всегда распространяется между двумя точками, по пути, требующему минимального времени прохождения.

Важным моментом в законе отражения является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. В случае с плоской поверхностью это не столь значительно. К поверхности плоского зеркала, например, все лучи будут падать перпендикулярно. И если направить на такое зеркало сфокусированный параллельно луч прожектора, условно принятый за плотный пучок лучей света, то все эти лучи в пучке отразятся параллельно и под одним и тем же углом. Зеркало не исказит изображение. Совсем другое отображение получается в кривых зеркалах, где лучи уже не будут отображаться параллельно друг другу. Используя такие свойства, люди научились находить полезное применение зеркалам причудливых форм. Огромное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора дает возможность сфокусировать свет далеких звезд. Выгнутое зеркало заднего вида в автомобиле расширяет обзор водителю. Кривые зеркала в комнате смеха изменяют отраженный визуальный образ до смехотворных пародий.

Не только свет подчиняется закону отражения. Радиоволны, рентгеновские лучи, как впрочем, и любые электромагнитные волны ведут себя так же. Именно потому огромные радиоантенны и спутниковые телевизионные антенны имеют вогнутую форму. Это делается для того, чтобы фокусировать сигнал параллельных волн.

Формулы Френеля.

В 1823 году Огюст Френель (1788-1827, Франция) сформулировал законы поляризации света при отражении и преломлении и вывел, так называемые, формулы Френеля. В частности, он считал, что при переходе света из одной среды в другую, не меняется упругость эфира, как среды, в которой распространяется свет, а меняется его плотность. В своем труде 1822 года, представленном в Академию наук Френель описывает новый физический прибор, известный теперь, как «параллелепипед Френеля». В этом «параллелепипеде» изначально поляризованный свет, то есть электромагнитные колебания волн света распространялись только в одном направлении, претерпевал два последовательных отражения на сторонах прибора при угле падения в 50° и в плоскости, наклоненной под 45°. В результате выходящий из прибора свет оказывался «деполяризованным». Так, Френель, подтверждая волновую теорию света и используя законы отражения, описал явление поляризации. Эти выводы сохраняют актуальность и сегодня. Поляризация — это ориентированность колебаний световой волны в пространстве.