A. Законы отражения

Отражение света. Законы отражения

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 А₁ 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 АОА₁, 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 А₁ — через i₁.

Из рисунка 16.7 найдем

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

Тогда

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

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 AOA₁ 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.