Какой угол образуют световые лучи пришедшие

Закон отражения света: определение и формулировка

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение, поэтому для него характерны такие феномены, как отражение и преломление. Рассмотрим закон отражения света при его переходе из одной среды в другую, при этом будем использовать представление видимых электромагнитных волн в виде лучей.

Отражение и преломление света

Как известно, свет распространяется прямолинейно во всякой однородной прозрачной среде. Как только луч света достигает поверхности раздела двух прозрачных сред, то с ним происходят два явления:

1. Одна часть светового пучка отражается обратно в первую прозрачную среду под определенным углом, то есть отражается.
2. Вторая часть светового пучка проникает во вторую среду и продолжает распространяться уже в ней, но при этом изменяет на некоторый угол направление своего распространения, то есть преломляется.

Оба явления описываются с помощью законов отражения и преломления света соответственно.

Эти физические явления демонстрирует рисунок ниже, на котором видно, что падающий луч света при переходе через границу двух прозрачных сред разделяется на два пучка, один из них (меньший) отражается, а второй пучок (больший) продолжает распространяться дальше, переходя в другую среду.

Законы отражения света

Под отражением света в физике понимают такое изменение направления распространения волны, после того как она падает на границу между двумя средами, при котором волна снова возвращается в среду, откуда она пришла.

После того как сформулирован закон отражения света, отметим, что благодаря существованию этого явления можно видеть изображения разных предметов в зеркале, на поверхности воды или на какой-либо другой блестящей поверхности. Физически отражение света происходит, когда свет падает на какую-либо поверхность, сталкивается с ней и снова возвращается в первоначальную среду своего распространения, образуя угол, в точности равный углу падающего на эту поверхность луча. Эта поверхность называется отражающей. В отличие от явления преломления, феномен отражения – это изменение направления распространения волны в той же самой среде.

В физике законы отражения света формулируются следующим образом:

1. Падающий на поверхность раздела сред луч, отраженный луч и нормаль к этой поверхности лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения. Формула закона отражения света имеет вид: θ_пад. = θ_отр..

Зеркальное и диффузионное отражение

Отражающая поверхность может быть гладкой, но также может иметь и неровности. В связи с этим различают два типа отражения света:

1. Зеркальное. Если неровности на отражающей поверхности малы по сравнению с длиной падающей волны, тогда пучок света отражается в определенном направлении. Здесь можно привести пример поверхности плоского зеркала, закона отражения света для которой можно применять.
2. Диффузионное. Если неровности поверхности сравнимы с длиной световой волны, тогда каждая часть падающего пучка отражается от различных неровностей, при этом закон отражения света остается справедливым для каждого факта отражения, но поскольку отраженные пучки света начинают распространяться в различных направлениях, получается, что начальный пучок распадается на множество мелких пучков. В таких случаях говорят, что свет рассеивается. Примером диффузионного отражения является отражение света от деревянной поверхности.

Таким образом, если после зеркального отражения свет распространяется в конкретном направлении, то после диффузионного отражения свет «распыляется».

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.

Явление обратного отражения

Феномен обратного отражения, или ретроотражения, заключается в способности некоторых поверхностей или объектов отражать падающий на них пучок света обратно к источнику, от которого он пришел, независимо от того, под каким углом на них падает этот свет.

Такое поведение можно наблюдать в случае плоского зеркала, но только тогда, когда световой пучок падает на него перпендикулярно, то есть угол падения равен 90°.

Простой ретрорефлектор можно изготовить, если соединить два зеркала перпендикулярно друг к другу. Изображение, которое дает такой прибор, всегда того же размера, что и оригинальное, но будет перевернутым. При этом не важно, под какими углами на этот ретрорефлектор падают световые лучи, он всегда их отражает на 180°. Ниже на рисунке приведен этот ретрорефлектор, и продемонстрированы его физические свойства.

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.

Ретроотражение и оптические аберрации

Под оптической аберрацией понимают явление в физике, при котором полученное в какой-либо оптической системе изображение оказывается нечетким. Происходит это потому, что выходящий из определенной точки объекта луч света не возвращается точно в одну точку. Причинами аберрации могут быть геометрические несовершенства оптических систем, а также различная отражающая способность для разных длин волн видимого света.

Ретроотражение используется для нивелирования оптических аберраций. Делается это простым образом, полученное в оптической системе изображение объекта через ретроотражатель заново направляется в эту систему. Функция ретроотражателя заключается не только в том, что он обратно возвращает все падающие на него лучи, но и меняет волновой фронт электромагнитной волны на противоположный.

Преломление и закон полного отражения света

Под преломлением света понимают изменение направления его распространения при переходе через границу сред, имеющих различные оптические свойства. В частности скорость распространения света в различных прозрачных средах отличается, и она всегда меньше скорости света в вакууме.

Для описания явления преломления света вводят показатель преломления среды n, который равен отношению скоростей света в вакууме и среде, то есть n = c/v. Закон преломления света математически выражается следующим образом: sin(θ_пад.)/sin(θ_прел.) = n₂/n₁ = v₁/v₂, здесь θ_пад. – угол между падающим лучом и нормалью к поверхности, θ_прел. – угол между преломленным лучом и нормалью к поверхности, n₁, v₁ и n₂, v₂ – показатель преломления и скорость распространения света для первой среды и для второй среды соответственно.

Как было выше сказано, когда свет проходит через границу двух прозрачных сред, существует отраженный и преломленный лучи. Если θ_прел.= 90°, то преломленный луч будет идти параллельно поверхности, иными словами, он не будет наблюдаться. Такая ситуация возможна при условии, что угол θ_пад. больше некоторого критического угла θ_кр., а n₁ > n₂. Критический угол определяется так: θ_кр. = arcsin(n₂/n₁). Всякий луч света, который падает на эту поверхность под углом большим, чем θ_кр., испытывает полное отражение.

Применение явления полного отражения

Феномен полного отражения используется человеком в различных областях жизнедеятельности. Наиболее популярным его использованием является оптическое световолокно, применяемое в телекоммуникациях и медицине.

Если говорить простыми словами, то оптическое волокно представляет собой гибкий кабель, сделанный из прозрачного материала, показатель преломления которого больше, чем показатель преломления среды, окружающей этот кабель. В результате пущенный под определенным углом пучок света внутрь такого волокна достигает противоположного его конца практически без потери своей интенсивности, поскольку на своем пути он испытывает только полные отражения.

21-22.04.2022 7-8 класс Пригласительный школьный этап по астрономии 2022-2023

Задания и ответы пригласительного этапа 2022 года ВОШ (Сириус) по Астрономии для 7-8 класса всероссийская олимпиада школьников, дата проведения онлайн олимпиады: 21-22.04.2022 (21-22 апреля 2022 г.).

В какой день года Солнце находится на одинаковом угловом расстоянии от северного и южного полюсов мира?

В день летнего солнцестояния
В день зимнего солнцестояния
В день весеннего равноденствия
В день осеннего равноденствия
В день прохождения Землёй точки её орбиты, наиболее близкой к Солнцу
В день прохождения Землёй точки её орбиты, наиболее далёкой от Солнца

Что вы можете сказать о продолжительности этого дня в г. Москве (55∘45′ с.ш., 37∘37′в.д.)?

Она достигает максимального значения среди прочих дней года
Она достигает минимального значения среди прочих дней года
Она составляет приблизительно 12 часов
Её невозможно точно определить из‑за облачной погоды

Задание 2
В какой(‑их) фазе(‑ах) Луна находится приблизительно на таком же расстоянии от Солнца, что и Земля?

Новолуние
Полнолуние
Первая четверть
Последняя четверть
Молодой месяц
Старый месяц

Какой угол образуют световые лучи, пришедшие к Земле от Солнца и Луны при таком положении последней?

0∘ или близкий к тому
45∘ или близкий к тому
90∘ или близкий к тому
135∘ или близкий к тому
180∘ или близкий к тому
Задания 3
На поверхности какого из перечисленных спутников планет Солнечной системы обнаружена регулярная вулканическая активность?

Установите соответствие между названиями классических планет и их спутников.

С территории г. Самары (′53∘12′ с.ш., ′50∘06′ в.д.) в неподвижную безлинзовую цилиндрическую трубу, которая помогает уменьшить воздействие городской засветки, наблюдается суточное движение звезды, расположенной вблизи одного из полюсов небосвода (см. рис.). Труба расположена таким образом, что данный полюс (точка A) находится точно на границе поля зрения трубы, а суточная параллель ˘BOC˘ звезды проходит точно через его центр.

Примечание: Поле зрения трубы —— участок небосвода, доступный наблюдениям в эту трубу.

Какой именно полюс находится в точке A?

Северный географический полюс
Южный географический полюс
Северный полюс мира
Южный полюс мира
Северный полюс эклиптики
Южный полюс эклиптики

В каком именно направлении движется звезда вдоль суточной параллели BOC˘BOC˘?

По часовой стрелке (B→O→C)
Против часовой стрелки (C→O→B)
Невозможно определить точно
Совершает колебательное движение: сначала движется в одном направлении, затем —— в обратном

Чему равно склонение звезды, если угловой радиус поля зрения трубы составляет R=0.5∘? Ответ выразите в градусах, округлите до десятых.

Чему равно время пребывания звезды в поле зрения трубы? Ответ выразите в часах, округлите до десятых.

Задание 5
На рисунке представлены звёздные треки, полученные где‑то в Северном географическом полушарии с помощью неподвижной цифровой фотокамеры при длительной выдержке.

Выберите большой круг небесной сферы, плоскости которого параллельны дуги этих звёздных треков:
Небесный меридиан
Эклиптика
Вертикал светила
Первый вертикал
Небесный экватор
Математический горизонт

Какая сторона горизонта преимущественно представлена на фотографии?

Этот большой круг пересекает математический горизонт в некой точке, находящейся в поле кадра, но не отмеченной на фотографии. Определите её часовой угол. Ответ выразите положительным числом в градусах, округлите до целых.

Используя только приведённую фотографию, оцените широту места съёмки данных треков. Ответ выразите в градусах, округлите до целых.

Задание 6
В точках какого круга земного шара в день зимнего солнцестояния можно наблюдать явление полярного дня?

Северный полярный круг
Тропик Рака
Земной экватор
Тропик Козерога
Южный полярный круг
Нулевой меридиан

Чему равна широта точек данного круга? Ответ выразите в градусах, округлите до целых.

Примечание: если точка находится в северном полушарии Земли, её широта считается положительной величиной, если в южном —— отрицательной (со знаком «минус»).

В какой месяц года можно наблюдать явление полярного дня на данном круге? Рефракцией света пренебречь.

Задание 7
Чему равна разность в количестве звёздных и среднесолнечных суток, которая набегает за 3 звёздных года Земли? Ответ округлите до целых.
Продолжительность звёздного года равна 365.2564 сут.
Какое целое количество оборотов вокруг своей оси совершит Земля за

Задание 8
Нептун движется вокруг Солнца по круговой орбите, радиус которой равен30.104 а.е.

Чему равен путь, пройденный Нептуном за время, в течение которого эта планета совершила один полный оборот вокруг центрального светила? Ответ выразите в миллиардах километров, округлите до десятых.
1 а.е. принять равной 149.6 млн км.

Отражение света. Законы отражения света

На этом уроке вам необходимо ознакомиться с представленным материалом по теме и пройти проверочный тест в конце.

На прошлом уроке мы с вами говорили о свете и источниках света. Напомним, что свет — это видимое излучение. А все тела, излучающие свет, называются источниками света. Также мы с вами выяснили, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Но как поведёт себя свет на границе раздела двух сред?

На этот вопрос мы с вами и попытаемся сегодня ответить. Итак, пусть световой пучок распространяется в воздухе и падает на поверхность воды. Многочисленные опыты показывают, что на границе раздела этих сред свет изменит своё направление. При этом часть светового пучка пройдёт в воду, другая часть пучка отразится от границы раздела воздуха и воды и будет распространяться в воздухе.

Отражение света подобно отражению мяча от стенки. Если бросить мяч перпендикулярно стенке, то он отразится и полетит обратно по той же прямой. А если мяч бросить под некоторым углом к стенке, то он отскочит тоже под некоторым углом.

А каким бывает отражение света и какими законами оно описывается?

Ответим на эти вопросы с помощью опыта. В центре оптического диска, представляющем круг с делениями, укрепим зеркало. Направим из осветителя на зеркало пучок света (луч АО).

От зеркала световой луч АО практически полностью отразится.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведённым в точку падения, называется углом падения.

Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения.

Из опыта видно, что углы отражения и падения равны.

Увеличим угол падения, повернув осветитель влево — угол отражения тоже увеличится. Но по-прежнему углы падения и отражения равны.

То, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и отражённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска.

Теперь, на основании результатов опыта, можно сформулировать закон отражения света: падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Угол отражения света равен углу падения.

Примечательно, что закон отражения света был открыт ещё Евклидом в III в. до н. э.

А теперь по направлению отражённого луча пустим луч света от осветителя — он отразится от зеркала и пойдёт по направлению, по которому в предыдущем опыте шёл падающий луч.

Т. е. лучи как бы поменялись местами. Это свойство отражённого и падающего лучей называют обратимостью (или взаимностью) световых лучей.

А одинаково ли отражают свет различные поверхности? И опять обратимся к опыту. Пусть на поверхность зеркала падает параллельный пучок света. После отражения от зеркала световой пучок тоже будет параллельным. И он попадает в глаз только тогда, когда глаз находится на пути этого отражённого пучка (положение 2).

Если же он будет находиться в других положениях (положения 1 и 3), то мы не увидим зеркала — отражённые лучи в глаз не попадут. Такое отражение в физике называют зеркальным.

А если поверхность шероховатая? В этом случае направленные лучи света отражаются в различных направлениях. Такое отражение называется диффузным (иногда говорят: рассеянное отражение).

В случае диффузного отражения поверхность видна при любом положении глаза, так как в него попадают лучи.

В жизни с диффузным отражением света человек чаще встречается, чем с зеркальным. Только благодаря диффузному отражению мы видим предметы, которые сами не излучают свет.

Пример решения задачи.

Задача. Солнечные лучи образуют с горизонтом угол φ = 40 о . Как надо расположить плоское зеркало, чтобы отражённые лучи пошли вертикально вверх?

Тест состоит из 5 вопросов.

На прохождение теста у Вас есть 1 попытка, последующие результаты учитываться не будут!

Отражение света. Закон отражения света

Свет — это видимое излучение. Вам уже известно, что тела, излучающие свет, называются источниками света. При этом в однородной среде он распространяется прямолинейно.

Мы видим свет и освещенные предметы в том случае, если лучи света попадают в наши глаза. Каждый день Солнце освещает наш мир. С наступлением ночи на небе появляется Луна. Для нас она тоже светит. Но мы знаем, что Луна не излучает собственный свет — мы видим часть ее поверхности, освещенную Солнцем.

Все это говорит нам о том, что, хоть свет и распространяется в однородной среде прямолинейно, при его столкновении с преградой происходит что-то новое для нас.

На данном уроке мы рассмотрим поведение света при его попадании на различные преграды, объясним видимость освещенных предметов для наших глаз и установим закономерности. Вы познакомитесь с законом отражения света и его свойствами.

Видимость освещенных предметов

В прошлых уроках уже было сказано, что мы видим окружающий нас мир благодаря свету. Давайте рассмотрим простой опыт, который подтвердит нам этот факт.

В затемненной комнате у нас имеется источник света (рисунок 1). Направим пучок света от этого источника (отмечен звездочкой) через щель на экран.

На экране появится световое пятно (рисунок 1, а). Но, кроме него, мы ничего не увидим вокруг себя.

Теперь поместим между источником света и экраном какой-нибудь предмет (ручку, карандаш, линейку, лист бумаги или др.). Мы увидим какую-то его часть, как на рисунке 1, б, или предмет полностью (зависит от его положения).

Как это объяснить со стороны физики? Излучение достигло поверхности предмета, отразилось, изменило свое направление и попало нам в глаза. Т.е., предмет стал виден для нас.

Запылим воздух между экраном и источником света (рисунок 1, в). Теперь мы видим весь пучок света, а не только пятно на экране. Летающие пылинки отражают свет и направляют его в глаза наблюдателя.

Подобную картину можно наблюдать в пыльном помещении, когда туда проникают солнечные лучи.

Этот простой опыт показал, что мы видим предметы, когда на них падает свет. Они его отражают, и свет достигает наших глаз.

Отражение света

Рассмотрим более яркий пример. Каждый пробовал пускать “солнечных зайчиков” в ясную погоду. Используя зеркало, можно получить яркое световое пятно.

Объясним эту детскую забаву с научной точки зрения. Пучок света падает на зеркало и отражается от него — меняет свое направление. Получается, что “солнечный зайчик” — это отраженный след света на каком-либо экране.

Отражение света в данном случае подобно отскоку мяча от стенки. Если мы бросим мяч перпендикулярно стене, то после удара он полетит обратно по той же прямой. А если мы бросим его под некоторым углом к стенке, то отскочит он тоже под каким-то углом.

Теперь рассмотрим отражение света от зеркальной поверхности (рисунок 2) более подробно.

Линия MN — это поверхность раздела двух сред: воздуха (сверху) и зеркала (снизу). На эту поверхность падает пучок света из точки S. Его направление задается лучом SO, а направление отраженного пучка света — лучом OB.

Эти лучи имеют свои названия:

Луч SO — падающий луч
Луч OB — отраженный луч

Точка O называется точкой падения луча. Чтобы мы могли оценить угол, из этой точки нужно провести перпендикуляр OC к поверхности MN — $ OC \perp MN$.

Так мы получаем два угла:

1. Угол SOC, образованный падающим лучом SO и перпендикуляром OC — это угол падения ($\alpha$)
2. Угол COB, образованный отраженным лучом OB и перпендикуляром OC — это угол отражения ($\beta$)

Закон отражения света

Рассмотрим подробнее углы падения и отражения. Будет ли меняться последний угол при изменении первого? Есть в этих изменениях какая-то закономерность?

Для этого мы будем использовать специальный прибор (рисунок 3). В основе прибора находится диск на подставке. Диск имеет круговую шкалу с ценой деления $10 \degree$. Также на краю диска закреплен фонарик, которые дает узкий пучок света. Его можно передвигать по краю диска.

Закрепим в центре диска зеркальную пластину. Направим на нее пучок света.

Установим фонарик так, чтобы пучок света падал на зеркальную поверхность под углом $50 \degree$. Мы увидим, что угол отражения тоже будет равен $50 \degree$.

Перемещая фонарик и изменяя угол падения пучка света, вы увидите, что каждый раз угол отражения будет равен углу падения. Эти углы всегда будут лежать в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точку падения.

Теперь мы можем сформулировать закон отражения света.

Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча. При этом угол падения $\alpha$ равен углу отражения $\beta$:
$\angle \alpha = \angle \beta$.

Обратимость световых лучей и виды отражения

Вернемся к рисунку 2. Если мы пустим световой луч в направлении OB, то отраженный луч пойдет в направлении OS.

Это простое свойство называется обратимостью световых лучей. Оно заключается в том, что падающий и отраженный лучи могут меняться местами.

В жизни нас постоянно окружают различные отражающие поверхности. Существует два основных критерия, по которым мы можем их разделить. Свет отражается от таких поверхностей тоже по-разному.

Рассмотрим в очень большом приближении параллельный пучок света (рисунок 4). Т.е., световые лучи, с помощью которых изображен такой пучок, не будут пересекаться — они параллельны друг другу. Также пучок может быть расходящимся (например, как на рисунке 1) и сходящимся.

1. Если на поверхность зеркала падает параллельный пучок света, то после отражения пучок тоже остается параллельным (рисунок 4, а).
   Такие поверхности называются зеркальными или гладкими (полированными) , а отражение — зеркальным

1. Другие тела имеют шероховатую или негладкую поверхность. Ее можно представить в виде набора малых плоских поверхностей, расположенных под разными углами друг к другу (рисунок 4, б). Отражение от таких поверхностей называется диффузным.
   Свет, падающий от параллельного пучка света на такую поверхность, будет отражаться по разным направлениям — будет происходить его рассеивание

В жизни мы чаще встречаемся с диффузным отражением света. Благодаря ему мы видим предметы, которые сами не излучают свет.

Зеркальное отражение мы будем более подробно рассматривать в следующем уроке.