Закон отражения света: определение, формула, применение
Закон отражения света имеет следующее определение: угол отражения равен углу падения. Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр к поверхности зеркала в точке падения лежат в одной плоскости. Более подробно о физическом смысле закона и о том на базе чего он был сформулирован читайте далее в этой статье.
Небольшое вступление.
Если вы не знаете, что находится по ту сторону зеркала, спросите физика! Он скажет вам, что вы найдете там не перевернутую копию нашего мира, а другой, столь же загадочный мир физики. Он произнесет множество благозвучных физических названий, таких как видимый образ, закон отражения и луч света.
Хотя сегодня мы не можем представить себе жизнь без зеркал, или плоских стеклянных зеркал, их история не особенно длинна. Однако само явление отражения, благодаря которому зеркала могут существовать и работать, известно уже много веков и не менее увлекательно, чем они сами.
Явление отражения света
Проведите наблюдение, которое позволит вам понять механизм формирования изображения при отражении световых лучей, как вы это наблюдаете на поверхности зеркала или поверхности воды.
Что вам понадобится?
- зеркало без рамы;
- фонарик с сильным светом (он может быть встроенным в телефон);
- расчёска;
- лист бумаги;
- линейка;
- карандаш;
- широкий пластырь или серебристая изоляционная лента.
Инструкция.
- Нанесите ленту на зубья расчески так, чтобы в середине остались один или два зазора.
- На листе бумаги проведите линию, перпендикулярную длинному краю бумаги.
- На тот же край листа бумаги, лежащего на столе, вертикально положите отражающую сторону зеркала.
- Положите расческу на стол вдоль длинного края бумаги напротив зеркала так, чтобы кончики зубцов были перпендикулярны столешнице.
- Осветите расческу, чтобы один или два луча света прошли через незапечатанные щели.
- Осветите зеркало так, чтобы свет фонарика падал на точку, где нарисованная линия пересекается с поверхностью зеркала.
- Изменяйте угол освещения зеркала, располагая расческу под разными углами к листу бумаги – всегда держите фонарик так, чтобы свет падал на расческу перпендикулярно.
- Что происходит с лучом света, отраженным от зеркала?
Подведём итог эксперимента.
Для того чтобы избежать двусмысленности в описании наблюдаемого нами явления, следует сначала выучить определения нескольких терминов.
В физике все гладкие поверхности, отражающие свет, называются зеркалами. Линия, перпендикулярная поверхности зеркала, называется нормалью. Свет фонаря падал в точку, где перпендикуляр (нормаль) пересекался с поверхностью зеркала. Угол между падающим лучом и перпендикуляром называется углом падения. Падающий луч отражается от поверхности зеркала, и получается отраженный луч. Угол между отраженным лучом и перпендикуляром называется углом отражения.
Наблюдения показали, что изменение угла, под которым свет фонаря падает на зеркало после прохождения через расчёску, влечет за собой изменение угла, под которым отражается падающий свет. Когда угол падения увеличивается, угол его отражения также увеличивается; когда он уменьшается, угол отражения также уменьшается.
Закона отражения света
Изменяя угол падения, мы одновременно изменяем угол отражения. Угол падения и угол отражения вместе с перпендикуляром лежат в одной плоскости и равны друг другу.
Иллюстрация закона отражения света
Формулировка закона и его формула.
Закон отражения света гласит так: угол отражения равен углу падения. Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр к поверхности зеркала в точке падения лежат в одной плоскости.
В виде формулы закон отражения света записывается следующим образом: ∠ α = ∠ β.
Применение
Закон отражения используется во многих оптических системах. Повседневное значение имеют применения, описанные ниже.
Закон отражения используется для всех типов зеркал (плоские зеркала, вогнутые зеркала, выпуклые зеркала, параболические зеркала) и их применения (например, фары, фонари, косметические зеркала).
Он также используется для светоотражателей, которые должны быть установлены, например, на велосипедах. Они имеют гладкие стеклянные или пластиковые поверхности снаружи и множество маленьких призм внутри, на которых свет отражается таким образом, что выходит в том же направлении, откуда вошел. Поэтому велосипеды, находящиеся точно по направлению движения автомобиля, могут быть распознаны в темноте гораздо раньше, чем это было бы возможно без дополнительного оснащения светоотражателями.
Также закон отражения должен соблюдаться и в других местах. Гладкая поверхность воды отражает свет. И в тоже время, отражение тел видно на поверхности воды.
В помещениях, освещаемых сфокусированными прожекторами – например, на сцене театра – установка больших стеклопакетов может быть запрещена строительными нормами. Это связано с тем, что стекла воспринимаются только в том случае, если глаз смотрит на отраженный луч света. Для всех остальных людей существует опасность столкнуться со стеклом. В музеях, где много стеклянных витрин с точечным освещением, можно неоднократно наблюдать, как гости ударяются головой о стеклянную обшивку, потому что не заметили само стекло. Поэтому комнаты с большим количеством стеклянных витрин должны иметь рассеянное освещение.
Обратимость световых лучей
Световые пути обычно обратимы. Что это значит, показано на двух рисунках на рис. 2 на простом примере.
В левом изображении на рис. 2 свет исходит слева и отражается от зеркала. Читая угловую шкалу, можно увидеть, что закон отражения выполняется.
Рис. 2. Демонстрационный эксперимент по обратимости световых лучей
В правом изображении на рис. 2 луч света падает на зеркало точно с того направления, в котором луч света был отражен ранее. Вы видите, что теперь отраженный луч света проходит точно там же, где раньше проходил луч падающего света: поэтому путь света является обратимым.
Обратимость светового пути является важным основным принципом геометрической оптики, а также применима к гораздо более сложным явлениям, например, к преломлению света на воде.
Почему стекло прозрачное?
Думаем, не нужно лишний раз рассказывать о том, зачем нужны окна. Они делают наши квартиры уютнее и светлее, потому что пропускают свет. Но вы когда-нибудь задумывались, почему мы видим через стекло в окне, но не видим через деревянную или пластиковую раму? В конце концов, оба материала прочны и защищают наш дом от дождя, снега и ветра. Тем не менее древесина и пластик полностью блокируют свет, а стекло позволяет ему беспрепятственно проникать внутрь. Так что же делает стекло прозрачным?
Возможно, вы уже слышали, как некоторые ученые и обычные люди пытаются ответить на этот вопрос, заявляя, что дерево – настоящее твердое вещество, а стекло – очень вязкая жидкость. По их словам, атомы в стекле располагаются дальше друг от друга и образованные промежутки позволяют проникать свету. Приверженцы этой теории даже ссылаются на окна многовековых домов, которые часто имеют неравномерную или волнистую поверхность, как на доказательство того, что на протяжении многих лет стеклянное вещество «течет», как патока в холодный день.
На самом же деле стекло вовсе не жидкость. Это особый вид твердого тела – аморфное твердое вещество. В аморфном веществе нет кристаллических решеток, атомы и молекулы располагаются в хаотичном порядке. Поэтому стекло жесткое, как твердые вещества, но имеет разупорядоченное расположение молекул, как в жидкостях. Аморфные тела образуются, когда твердое вещество плавится при высоких температурах, а затем быстро охлаждается, – такой процесс называют закалкой.
Стекло во многом похоже на керамику и обладает такими же свойствами: долговечностью, прочностью, хрупкостью, высокой электро- и термостойкостью и отсутствием реакционной способности. Но у оксидного (обычного) стекла, из которого делают листовое стекло, контейнеры и лампочки, есть еще одно важное качество: оно пропускает диапазон видимого света. И для того чтобы понять, как это происходит, нужно внимательно взглянуть на атомную структуру стекла и выяснить, каким образом с ней взаимодействуют фотоны, мельчайшие частицы света.
Об электронах и фотонах
Электроны окружают ядро атома, занимая разные энергетические уровни и подуровни. Чтобы перейти с более низкого на более высокий уровень, электрон должен обладать высокой энергией. И напротив, чтобы переместиться с более высокого на более низкий – электрон должен ее испустить. В любом случае отрицательно заряженная частица меняет уровень, испуская или поглощая фотоны определенной частоты.
Теперь нужно рассмотреть, как двигается фотон, взаимодействующий с твердым веществом. Возможно три сценария:
Несомненно, стекло попадает под последнюю категорию. Фотоны проходят через материал, потому что у них недостаточно энергии, чтобы электрон в стекле переместился на более высокий энергетический уровень. Физики иногда говорят об этом с точки зрения зонной теории.
Согласно ней, энергетические уровни существуют в энергетических зонах, которые разделены зонами запрещенных энергий, где уровни энергии для электронов отсутствуют. Некоторые материалы имеют запрещенные зоны большей величины, чем другие, – от этого и зависят их оптические свойства. Стекло – как раз один из таких материалов, что означает, что его электронам требуется гораздо больше энергии, прежде чем перейти от одной энергетической зоны к другой и обратно.
На видимый свет (с длиной волны от 400 до 700 нанометров), которому соответствуют цвет индиго, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный, приходится небольшой диапазон энергий фотонов. Этот диапазон не воспринимает диоксид кремния – основной компонент стекла. Следовательно, фотоны видимого света проходят сквозь стекло, не поглощаются и не отражаются, делая материал прозрачным.
На длинах волн меньше видимого света фотоны начинают обладать энергией, которой хватает для перемещения электронов в стекле из одной энергетической зоны в другую. Так, ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 10 до 400 нанометров не может проходить через большинство оксидных стекол – они используются при изготовлении окон. Именно поэтому стекло непрозрачно для ультрафиолета, точно так же, как дерево – для видимого света.
Что такое луч в математике
Не секрет, что знания, которые вы получили в школьные годы не всегда остаются с вами впоследствии Иногда бывает полезно изучить новое или освежить в памяти то, что вы давно забыли. Сегодня вы вспомните такое понятие как луч.
Луч — геометрическое понятие
Луч — это такая прямая линия, один из концов которой ограничен точкой, а другой продолжается до бесконечности. Таким образом, фигура тянется вперёд без ограничений. но только с одной стороны. Вторая сторона не может тянуться дальше точки, которая является началом фигуры.
На картинке вы можете посмотреть, что такое луч и как он выглядит:
Луч отмечается посредством строчной латинской буквы или двух таких точек, которые обозначены заглавными буквами латинского алфавита.
Если вы увидите отрезок с двумя точками и продолжите его в одну из сторон, как показано на рисунке, то получится луч.
Отличия луча от прямой и от отрезка
В геометрии есть три схожих понятия, которые подразумевают под собой черту — это луч, отрезок, прямая. Эти фигуры всегда изображаются без изгибов и имеют ряд особенностей.
В рамках курса математики луч — это полупрямая. Дело в том, что с одного конца он обладает признаком бесконечности, который присущ прямой линии.
В начальной точке луч имеет сходство с отрезком, так как он так же ограничен точкой.
Обратите внимание — быстро отличить фигуры друг от друга вы можете по наличию у них начала и конца:
- отрезок имеет начальную и конечную точки;
- луч — только начало;
- прямая — не располагает начальной и конечной точками.
Взаимное расположение лучей
Если на прямой линии вы поставите точку, то на ней сформируются два таких луча, начало которых находится в одной точке.
На рисунке начало для лучей — общая точка A.
По взаимному расположению лучи делятся на пересекающиеся и непересекающиеся.
Параллельный луч — это фигура, у которой любая точка находится на одинаковом расстоянии от соответствующей точки другого луча. Параллельные лучи не могут пересекаться.
Дополнительные лучи — это фигуры, которые обладают такими признаками, как:
- имеют совпадающее начало в одной точке;
- располагаются на одной прямой линии;
- направляются в разные стороны, то есть угол между ними составляет 180 градусов.
Можно ли сравнить два луча?
Луч — это такая фигура, которую нельзя измерить. Он продолжается без ограничений, поэтому не обладает характеристикой длины.
Так как невозможно измерить несколько лучей, сравнить их вы тоже не сможете.
Луч — альтернативные значения слова
Русский язык достаточно сложен и необычайно многообразен, поэтому многие слова имеют несколько разных значений, а разнообразные сочетания способны радикально менять смысл слов, которые являются их составными частями.
Сможете ли вы сходу ответить на вопрос: «Что такое луч света?». Это словосочетание употребляется нами с детства, но не так легко выразить, что оно означает.
Такая фраза описывает прямую линию, по которой направляется световая энергия. Эта энергия исходит от разных источников:
- Солнце;
- звёзды;
- лампочка.
В быту вы можете услышать словосочетание «луч света в тёмном царстве». Такие слова означают — среди негативных явлений присутствует что-то хорошее. Короткое слово всегда ассоциируется с чем-то светлым, добрым и положительным.
Фраза «луч надежды» указывает, что среди множества нежелательных последствий существует не высокая вероятность благополучного исхода.
Почему стекло прозрачное
Если словосочетания «квантовая механика», «электронная оболочка», «уравнения Максвелла» вас не пугают, то вы наверняка и сами сумеете ответить на вопрос о прозрачности стекла. Но статью мы ориентируем всё же на тех, кто только начинает познавать основы физики и строения материалов.
Прозрачное стекло
Чтобы не вдаваться в достаточно сложные рассуждения и не приводить пугающего вида системы уравнений, выведенных величайшим физиком XIX века, стоит вернуться к теории света (по ссылке наш ролик на ютубе об основах физической оптике). Также нам придется упомянуть теорию строения веществ. Именно на основании Максвелловых основополагающих теорий и будут строиться объяснения, в итоге которых и будет дан предельно краткий ответ на вопрос о причине, по которой мы можем видеть сквозь стекло любой толщины.
Об атомной теории строения веществ – без формул и загадок
Разговор о прозрачности стекла придётся начать издалека. С какими телами мы имеем дело в повседневной жизни? Правильно – с твердыми, жидкими, газообразными. Точнее, с физическими телами, которые находятся в одном из агрегатных состояний – при постоянных давлении и температуре агрегатное состояние тела сохраняется стабильным.
Есть еще тела мягкие (аморфные) – их физическое состояние характеризуется как промежуточное между твердым телом и жидкостью. Отличная по своим показателям текучесть, к примеру, присущая жидкостям, наблюдается в таких твердых телах, как лед или сапожный вар. Кроме того, еще причисляют к агрегатным состояниям плазму.
Огонь, вода… и бетонные стены
Вернемся к теории строения. Все тела состоят из различных веществ; каждое вещество имеет сложную молекулярную структуру. Молекулы, слагающие физические тела, могут иметь строгий порядок расположения – в таком случае мы наблюдаем твердое тело. Если закономерность в расположения молекул отсутствует, мы говорим о жидкости, паре или газе.
Итак: твердое тело отличается правильной «упаковкой» молекул. Просветы между молекулами газообразного или жидкого тела намного больше. В силу этого фотонам, из которых (согласно с корпускулярной теорией света) состоит пучок света, проще пройти через газ или жидкость. Структура твердого тела «воспринимается» фотонами как кирпичная стена.
Структура твёрдого тела
Частицам света удается проникнуть лишь сквозь редкие атомы жидкости, газа, пара. Это и будет прозрачность. Именно поэтому эти тела оптически прозрачные.
Структура газа и жидкости
В твёрдых же телах фотоны сталкиваются с плотно выстроенными атомами твердых тел, не в состоянии разминуться с ними или же «выбить» часть электронов, нарушить ионную связь и выйти наружу. Получаем непрозрачность.
Непрозрачное твердое тело
Световая энергия в последнем случае преобразуется в тепловую, и поток фотонов попросту нагревает твердый объект, не в состоянии проникнуть за его пределы.
Прохождение света через вещество
Разумеется, мы говорим сейчас о свете видимой для человека частоты. Вот тут мы уже подошли ко второй части теории света – волновой.
Курс физики, корпускулярно-волновая теория – все вспомнили? Свет – не только поток частиц, но еще и волна с определенной частотой. В случае с газами мы имеем дело с веществами, в которых расстояния между атомами превышает длину волны видимого диапазона. В итоге свету в буквальном смысле есть где пройти.
О леденцах и стеклах – на уровне атомов
Исключением из этого правила остаются кристаллы – твердые физические тела, сохраняющие прозрачность.
Причина этого – в строгой системе кристаллической решетки, которую невозможно нарушить, не уничтожив при этом кристалл. Таким же свойством – прозрачностью – обладают и некоторые твердые объекты, которые подвергались специфическому воздействию. К примеру – были нагреты и потом быстро охлаждены. В таких телах световой луч свободно путешествует между частичками и не испытывает ощутимых преград.
Что напоминает процесс доведения до высокой температуры с последующим резким охлаждением? Все, кто делал домашние леденцы, узнали последовательность действий. Леденец прозрачен и не препятствует прохождению света, именно в силу расположения атомов в порядке, характерном для жидкостей.
Прохождение света через оптически прозрачный предмет с водой. Логика всегда одна.
Стекло — также твердый физически аморфный объект, прозрачность которого обусловлена на атомном уровне. Помимо физической структуры, роль играет химическое соединение элементов в составе стекла. Для изготовления стекла необходима нагретая смесь песка SiO2, извести CaO, соды Na2CO3. Мы видим только легкие элементы в составе песка – легкие с точки зрения расположения в таблице Менделеева.
Химия подарила нам знания, что для ионной связи легких элементов характерна полностью заполненная электронная оболочка. Если фотон способен поглотиться ионами вещества, он попросту отдаст энергию иону – тело из такого вещества будет непрозрачным. Фотоны не обладают достаточным запасом энергии, чтобы разрушить ионные связи в плотной оболочке легких элементов (или их соединений).
Стекло прозрачно – причину этого мы объяснили, оперируя понятиями курса физики и химии средней школы. Сказывается специфическое строение стекла, которое в буквальном смысле пропускает через себя поток световой энергии без нагрева и без поглощения.