Кто открыл закон отражения света

Законы отражения света и история их открытия

Закон отражения света был открыт в результате наблюдений и экспериментов. Конечно, это можно вывести теоретически, но все принципы, которые используются сейчас, определены и обоснованы на практике. Знание основных характеристик этого явления помогает при планировании освещения и выборе оборудования. Этот принцип работает и в других областях: радиоволны, рентгеновские лучи и т.д. Ведут себя точно так же при отражении.

Что такое отражение света и его разновидности, механизм

Закон формулируется следующим образом: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, имеющей перпендикуляр к отражающей поверхности, выступающей из точки падения. Угол падения равен углу отражения.

По сути, отражение — это физический процесс, в котором луч, частицы или излучение взаимодействуют с плоскостью. Направление волн меняется на границе двух сред, так как они обладают разными свойствами. Отраженный свет всегда возвращается в окружающую среду, откуда он исходит. Очень часто при отражении также наблюдается явление преломления волн.

Это схематическое объяснение закона отражения света.

Зеркальное отражение

В этом случае существует четкая взаимосвязь между отраженными и падающими лучами, это главная особенность данной разновидности. Вот несколько ключевых моментов о зеркальном отражении:

1. Отраженный луч всегда находится в плоскости, проходящей через падающий луч, и перпендикулярно отражающей поверхности, которая восстанавливается в точке падения.
2. Угол падения равен углу отражения светового луча.
3. Характеристики отраженного луча пропорциональны поляризации луча и углу падения. Кроме того, на индикатор влияют характеристики двух сред.

В случае зеркального отражения углы падения и отражения всегда одинаковы.

В этом случае показатели преломления зависят от свойств плоскости и характеристик света. Это отражение можно найти везде, где есть гладкие поверхности. Но для разных сред условия и принципы могут меняться.

Полное внутреннее отражение

Типично для звуковых и электромагнитных волн. Это происходит там, где встречаются две среды. В этом случае волны должны падать из среды с меньшей скоростью распространения. Что касается света, то можно сказать, что показатели преломления в этом случае значительно увеличиваются.

Полное внутреннее отражение характерно для водной поверхности.

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

Критический угол рассчитывается индивидуально для разных сред.

Диффузное отражение света

Этот вариант отличается тем, что при попадании на неровную поверхность лучи отражаются в разные стороны. Отраженный свет просто рассеивается, поэтому вы не можете увидеть свое отражение на неровной или непрозрачной плоскости. Явление диффузии лучей наблюдается, когда неровности равны длине волны или превышают ее.

При этом одна и та же плоскость может диффузно отражать свет или ультрафиолетовое излучение, но при этом хорошо отражать инфракрасный спектр. Все зависит от характеристик волн и свойств поверхности.

Диффузное отражение хаотично из-за неровностей поверхности.

Обратное отражение

Это явление наблюдается, когда лучи, волны или другие частицы отражаются назад, то есть к источнику. Это свойство можно использовать в астрономии, естествознании, медицине, фотографии и других областях. Благодаря системе выпуклых линз в телескопах можно видеть свет звезд, невидимый невооруженным глазом.

Обратным отражением можно управлять за счет сферической формы отражающей поверхности.

важно создать определенные условия для возврата света к источнику, чаще это достигается за счет оптики и направления луча лучей. Например, этот принцип используется в ультразвуковых исследованиях, благодаря отраженным ультразвуковым волнам на мониторе выводится изображение исследуемого органа.

История открытия законов отражения

Это явление известно давно. Впервые об отражении света упоминается в произведении «Катоптрика», датируемом 200 г до н.э и написанном древнегреческим ученым Евклидом. Первые опыты были простыми, поэтому на тот момент не появилось никаких теоретических оснований, но именно он открыл это явление. В этом случае для зеркальных поверхностей использовался принцип Ферма.

Формулы Френеля

Огюст Френель был французским физиком, который разработал ряд формул, широко используемых по сей день. Они используются для расчета интенсивности и амплитуды отраженных и преломленных электромагнитных волн. Кроме того, они должны проходить через резкую границу между двумя средами с разными значениями преломления.

Все явления, которые соответствуют формулам французского физика, называются отражением Френеля. Но следует помнить, что все полученные закономерности верны только тогда, когда средние изотропны и граница между ними четкая. В этом случае угол падения всегда равен углу отражения, а величина преломления определяется по закону Снеллиуса.

важно, что когда свет падает на плоскую поверхность, может быть два типа поляризации:

1. p-поляризация характеризуется тем, что вектор напряженности электромагнитного поля лежит в плоскости падения.
2. поляризация s отличается от первого типа тем, что вектор интенсивности электромагнитных волн перпендикулярен плоскости, в которой лежат как падающие, так и отраженные лучи.

Френель вывел целый ряд формул, которые позволяют выполнять все необходимые вычисления.

Формулы для ситуаций с разной поляризацией разные. Это связано с тем, что поляризация влияет на характеристики луча и по-разному отражается. Когда свет падает под определенным углом, отраженный луч может быть полностью поляризован. Этот угол называется углом Брюстера, он зависит от преломляющих характеристик среды на границе раздела.

Говоря о которых! Отраженный луч всегда поляризован, даже если падающий свет не поляризован.

Принцип Гюйгенса

Гюйгенс — голландский физик, которому удалось вывести принципы, позволяющие описывать волны любой природы. Именно с его помощью часто демонстрируются как закон отражения, так и закон преломления света.

Это простейшее схематическое изображение принципа Гюйгенса.

В данном случае под светом понимается плоская волна, то есть все поверхности волны плоские. В этом случае поверхность волны представляет собой набор точек с колебаниями в одной фазе.

Формулировка такова: каждая точка, до которой доходит возмущение, становится источником сферических волн.

В видео закон физики 8-го класса объясняется очень простыми словами с помощью графики и анимации.

Сдвиг Федорова

его еще называют эффектом Федорова-Амбера. В этом случае происходит смещение светового пучка с полным внутренним отражением. В этом случае смещение незначительное, оно всегда меньше длины волны. Из-за этого смещения отраженный луч не лежит в той же плоскости, что и падающий, что противоречит закону отражения света.

Диплом о научном открытии был вручен Ф.И. Федорову в 1980 году.

Боковое смещение лучей было теоретически доказано советскими учеными в 1955 году благодаря математическим расчетам. Что касается экспериментального подтверждения этого эффекта, то вскоре его сделал французский физик Эмбер.

Использование закона на практике

Примеры отражения света вездесущи.

Рассматриваемый закон гораздо более распространен, чем кажется. Этот принцип широко используется в различных сферах:

1. Зеркало — самый простой пример. Это гладкая поверхность, хорошо отражающая свет и другие виды излучения. Используются как плоские версии, так и элементы других форм, например, сферические поверхности позволяют отталкивать предметы, что делает их незаменимыми в качестве зеркал заднего вида в автомобиле.
2. Различные оптические устройства также работают в соответствии с обсуждаемыми принципами. Это включает в себя все, от очков, которые можно найти повсюду, до мощных телескопов с выпуклыми линзами или микроскопов, используемых в медицине и биологии.
3. Ультразвуковые аппараты также используют этот принцип. Ультразвуковое оборудование позволяет проводить точные исследования. Рентгеновские лучи распространяются таким же образом.
4. Микроволновые печи — еще один пример практического применения этого закона. Также сюда входит все оборудование, использующее инфракрасное излучение (например, приборы ночного видения).
5. Вогнутые зеркала позволяют улучшить характеристики фонарей и светильников. В этом случае мощность лампочки может быть намного ниже, чем без использования зеркального элемента.

Говоря о которых! Через отражение света мы видим луну и звезды.

Закон отражения света объясняет многие природные явления, а знание его характеристик позволило нам создать оборудование, которое широко используется в наше время.

Закон отражения света

То, что свет имеет свойство отражаться от определенных поверхностей (зеркал) люди заметили уже очень давно. И не просто заметили, но порой и использовали это свойство света в практических целях. Так еще выдающийся ученый и изобретатель античности Архимед с помощью системы зеркал, умело отражая в них солнечные лучи, смог поджечь римский флот, осаждавший его родной город Сиракузы (собственно на картинке выше как раз изображены боевые зеркала Архимеда). В основе этого гениального изобретения Архимеда стоял физический закон отражения света.

Несмотря на это, теоретическое обоснование закона отражения света было сделано уже гораздо позже, в 17-м веке благодаря трудам французского ученого Пьера Ферма (того самого автора известной математической теоремы, которую никто не может доказать). Появление этого физического закона было следствием одного из принципов Ферма, гласящего, что луч света между двумя точками всегда распространяется по самому короткому пути.

Формулировка закона

Итак, давайте сформулируем закон отражения света, он гласит, что угол падения света равен углу его отражения.

Вот так выглядит наглядная иллюстрация этого закона.

Если же попробовать записать закон отражения света формулой, то она будет выглядеть следующим образом:

Где α – угол падения, а β – угол отражения.

Как видите все просто, а доказательством закона отражения света, может быть простой опыт с зеркалом и фонариком, просто направьте луч света на зеркало и увидите работу нашего закона в действии.

Практическое применение

Разумеется, гениальная выдумка Архимеда, описанная в начале статьи, была далеко не единственным практическим применением этого закона. Благодаря работе со светом, его усилению и отражению были получены такие полезные изобретения как бинокль, незаменимый в астрономии телескоп, и не менее незаменимый в биологии микроскоп и многие другие оптические приборы, в том числе такие привычные для многих современных людей очки.

Закон отражения света

Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.

Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.

Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).

Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.

Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.

Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.

Закон отражения света

Отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими свойствами в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл.

• Примеры: отражение света, звука, волн на воде.

Содержание

История

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

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: