Οι νόμοι της ανάκλασης του φωτός και η ιστορία της ανακάλυψής τους

Ο νόμος της ανάκλασης του φωτός ανακαλύφθηκε με παρατήρηση και πείραμα. Φυσικά, μπορεί επίσης να συναχθεί θεωρητικά, αλλά όλες οι αρχές που χρησιμοποιούνται σήμερα έχουν καθοριστεί και δικαιολογηθεί με πρακτικά μέσα. Η γνώση των βασικών χαρακτηριστικών αυτού του φαινομένου βοηθά στο σχεδιασμό του φωτισμού και στην επιλογή του εξοπλισμού. Η αρχή αυτή λειτουργεί και σε άλλους τομείς - τα ραδιοκύματα, οι ακτίνες Χ κ.λπ. συμπεριφέρονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όταν ανακλώνται.

Τι είναι η αντανάκλαση του φωτός και οι ποικιλίες της, ο μηχανισμός

Ο νόμος διατυπώνεται ως εξής: Η προσπίπτουσα και η ανακλώμενη ακτίνα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο με μια κάθετη στην ανακλαστική επιφάνεια που αναδύεται από το σημείο πρόσπτωσης. Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης.

Ουσιαστικά, η ανάκλαση είναι μια φυσική διαδικασία κατά την οποία μια δέσμη, σωματίδιο ή ακτινοβολία αλληλεπιδρά με ένα επίπεδο. Η κατεύθυνση των κυμάτων αλλάζει στα όρια των δύο μέσων, επειδή έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Το ανακλώμενο φως επιστρέφει πάντα στο μέσο από το οποίο προήλθε. Τις περισσότερες φορές, η ανάκλαση περιλαμβάνει επίσης το φαινόμενο της διάθλασης των κυμάτων.

Αυτή είναι μια σχηματική εξήγηση του νόμου της ανάκλασης του φωτός.

Αντανάκλαση στον καθρέφτη

Στην περίπτωση αυτή υπάρχει σαφής σχέση μεταξύ των ανακλώμενων και των προσπίπτουσων ακτίνων, αυτό είναι το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της ποικιλίας. Υπάρχουν διάφορα κύρια σημεία που χαρακτηρίζουν την κατοπτρική ανάκλαση:

1. Η ανακλώμενη δέσμη βρίσκεται πάντα σε ένα επίπεδο που διέρχεται από την προσπίπτουσα δέσμη και την κάθετη στην ανακλώμενη επιφάνεια, η οποία αποκαθίσταται στο σημείο πρόσπτωσης.
2. Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης της φωτεινής δέσμης.
3. Τα χαρακτηριστικά της ανακλώμενης δέσμης είναι ανάλογα με την πόλωση της δέσμης και τη γωνία πρόσπτωσης. Επίσης, τα χαρακτηριστικά των δύο μέσων επηρεάζουν τον δείκτη.

Με την κατοπτρική ανάκλαση οι γωνίες πρόσπτωσης και ανάκλασης είναι πάντα ίδιες.

Ο δείκτης διάθλασης εξαρτάται από τις ιδιότητες του επιπέδου και τα χαρακτηριστικά του φωτός. Αυτή η αντανάκλαση μπορεί να βρεθεί οπουδήποτε υπάρχουν λείες επιφάνειες. Όμως, οι συνθήκες και οι αρχές μπορεί να διαφέρουν για διαφορετικά περιβάλλοντα.

Ολική εσωτερική ανάκλαση

Χαρακτηριστικό του ήχου και των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Συμβαίνει εκεί όπου συναντώνται δύο μέσα ενημέρωσης. Στην περίπτωση αυτή τα κύματα πρέπει να πέφτουν από το μέσο όπου η ταχύτητα διάδοσης είναι μικρότερη. Στην περίπτωση του φωτός μπορούμε να πούμε ότι οι δείκτες διάθλασης στην περίπτωση αυτή αυξάνονται πολύ.

Η ολική εσωτερική ανάκλαση είναι χαρακτηριστικό της επιφάνειας του νερού.

Η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης φωτός επηρεάζει τον δείκτη διάθλασης. Καθώς αυξάνεται η γωνία πρόσπτωσης, η ένταση του ανακλώμενου φωτός αυξάνεται και η ένταση του διαθλώμενου φωτός μειώνεται. Όταν επιτευχθεί μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, οι δείκτες διάθλασης μειώνονται στο μηδέν, με αποτέλεσμα την πλήρη ανάκλαση των ακτίνων.

Η κρίσιμη γωνία υπολογίζεται ξεχωριστά για διαφορετικά μέσα.

Διάχυτη ανάκλαση φωτός

Αυτή η παραλλαγή χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι όταν οι ακτίνες προσκρούουν σε μια ανώμαλη επιφάνεια ανακλώνται προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Το ανακλώμενο φως απλώς διασκορπίζεται και εξαιτίας αυτού δεν μπορεί κανείς να δει την αντανάκλασή του σε ένα ανώμαλο ή ματ επίπεδο. Το φαινόμενο των διάχυτων ακτίνων παρατηρείται όταν οι ανωμαλίες είναι ίσες ή μεγαλύτερες από το μήκος κύματος.

Το ίδιο επίπεδο μπορεί να είναι διάχυτα ανακλαστικό για το φως ή την υπεριώδη ακτινοβολία, αλλά να αντανακλά καλά το υπέρυθρο φάσμα. Όλα εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά των κυμάτων και τις ιδιότητες της επιφάνειας.

Η διάχυτη ανάκλαση είναι χαοτική λόγω των ανωμαλιών της επιφάνειας.

Αντίστροφη αντανάκλαση

Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν ακτίνες, κύματα ή άλλα σωματίδια ανακλώνται προς τα πίσω, δηλαδή προς την πηγή. Η ιδιότητα αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αστρονομία, τις φυσικές επιστήμες, την ιατρική, τη φωτογραφία και άλλους τομείς. Λόγω του συστήματος κυρτών φακών στα τηλεσκόπια, είναι δυνατόν να δούμε το φως των άστρων που δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι.

Η αντίστροφη ανάκλαση μπορεί να ελεγχθεί από το σφαιρικό σχήμα της ανακλαστικής επιφάνειας.

Είναι σημαντικό να δημιουργηθούν ορισμένες συνθήκες ώστε το φως να επιστρέφει στην πηγή, και αυτό επιτυγχάνεται συνήθως μέσω οπτικών και καθοδήγησης της δέσμης. Για παράδειγμα, η αρχή αυτή χρησιμοποιείται στις εξετάσεις με υπερήχους- τα ανακλώμενα κύματα υπερήχων προκαλούν την εμφάνιση της εικόνας του εξεταζόμενου οργάνου στην οθόνη.

Ιστορία της ανακάλυψης των νόμων της αντανάκλασης

Το φαινόμενο αυτό ήταν γνωστό εδώ και πολύ καιρό. Η ανάκλαση του φωτός αναφέρθηκε για πρώτη φορά στο έργο "Κατόπτρικα", το οποίο χρονολογείται από το 200 π.Χ., γραμμένο από τον αρχαίο Έλληνα επιστήμονα Ευκλείδη. Τα πρώτα πειράματα ήταν απλά, οπότε δεν προέκυψε θεωρητική βάση εκείνη την εποχή, αλλά ήταν αυτός που ανακάλυψε το φαινόμενο. Χρησιμοποιήθηκε η αρχή του Fermat για επιφάνειες καθρέφτη.

Διαβάστε επίσης

Με ποια ταχύτητα διαδίδεται το φως στο κενό;

 

Τύποι Fresnel

Ο Auguste Fresnel ήταν ένας Γάλλος φυσικός που κατέληξε σε μια σειρά από τύπους που χρησιμοποιούνται ευρέως μέχρι σήμερα. Χρησιμοποιούνται κατά τον υπολογισμό της έντασης και του πλάτους των ανακλώμενων και διαθλώμενων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Με τον τρόπο αυτό, πρέπει να περάσουν μέσα από ένα σαφές όριο μεταξύ δύο μέσων με διαφορετικές διαθλαστικές δυνάμεις.

Όλα τα φαινόμενα που ανταποκρίνονται στους τύπους του Γάλλου φυσικού ονομάζονται ανάκλαση του Φρέσνελ. Πρέπει όμως να θυμόμαστε ότι όλοι οι νόμοι που εξάγονται ισχύουν μόνο όταν τα μέσα είναι ισότροπα και το σύνορο μεταξύ τους είναι σαφές. Στην περίπτωση αυτή η γωνία πρόσπτωσης είναι πάντα ίση με τη γωνία ανάκλασης και η τιμή της διάθλασης καθορίζεται από το νόμο Snellius.

Είναι σημαντικό ότι όταν το φως πέφτει σε μια επίπεδη επιφάνεια, μπορεί να υπάρχουν δύο είδη πόλωσης:

1. Η πόλωση p χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι το διάνυσμα της έντασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου βρίσκεται στο επίπεδο πρόσπτωσης.
2. Η s-πόλωση διαφέρει από τον πρώτο τύπο στο ότι το διάνυσμα έντασης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι κάθετο στο επίπεδο στο οποίο βρίσκονται τόσο η προσπίπτουσα όσο και η ανακλώμενη δέσμη.

Ο Fresnel κατέληξε σε ένα σύνολο τύπων που επιτρέπουν να γίνουν όλοι οι απαραίτητοι υπολογισμοί.

Οι τύποι για καταστάσεις με διαφορετική πόλωση είναι διαφορετικοί. Αυτό συμβαίνει επειδή η πόλωση επηρεάζει τα χαρακτηριστικά της δέσμης και ανακλάται διαφορετικά. Όταν το φως πέφτει υπό ορισμένη γωνία, η ανακλώμενη δέσμη μπορεί να είναι πλήρως πολωμένη. Η γωνία αυτή ονομάζεται γωνία Brewster και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά διάθλασης των μέσων στη διεπιφάνεια.

Παρεμπιπτόντως! Η ανακλώμενη δέσμη είναι πάντα πολωμένη, ακόμη και αν το προσπίπτον φως ήταν μη πολωμένο.

Η αρχή του Huygens

Ο Huygens ήταν ένας Ολλανδός φυσικός που κατάφερε να εξάγουν αρχές για την περιγραφή κυμάτων οποιασδήποτε φύσης. Ήταν αυτός που χρησιμοποιήθηκε συχνότερα για να αποδείξει τόσο το νόμο της αντανάκλασης όσο και τον ...ο νόμος της διάθλασης του φωτός....

Αυτή είναι η απλούστερη σχηματική αναπαράσταση της αρχής του Huygens.

Στην περίπτωση αυτή το φως νοείται ως κύμα επίπεδης μορφής, δηλαδή όλες οι επιφάνειες των κυμάτων είναι επίπεδες. Στην περίπτωση αυτή η κυματική επιφάνεια είναι ένα σύνολο σημείων με ταλάντωση στην ίδια φάση.

Η διατύπωση έχει ως εξής: κάθε σημείο στο οποίο φτάνει μια διαταραχή γίνεται στη συνέχεια πηγή σφαιρικών κυμάτων.

Το βίντεο εξηγεί το νόμο της φυσικής της 8ης δημοτικού με πολύ απλά λόγια, χρησιμοποιώντας γραφικά και κινούμενα σχέδια.

Μετατόπιση Fedorov

Ονομάζεται επίσης φαινόμενο Fedorov-Ember. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει μετατόπιση της φωτεινής δέσμης με ολική εσωτερική ανάκλαση. Η μετατόπιση δεν είναι σημαντική και είναι πάντα μικρότερη από το μήκος κύματος. Εξαιτίας αυτής της μετατόπισης, η ανακλώμενη δέσμη δεν βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με την προσπίπτουσα δέσμη, γεγονός που αντιβαίνει στο νόμο της ανάκλασης του φωτός.

Το δίπλωμα επιστημονικής ανακάλυψης απονεμήθηκε στον F.I. Fedorov το 1980.

Η πλευρική μετατόπιση των ακτίνων αποδείχθηκε θεωρητικά από έναν σοβιετικό επιστήμονα το 1955 χάρη σε μαθηματικούς υπολογισμούς. Όσο για την πειραματική επιβεβαίωση αυτού του φαινομένου, έγινε λίγο αργότερα από τον Γάλλο φυσικό Embert.

Χρήση του νόμου στην πράξη

Παραδείγματα αντανάκλασης του φωτός υπάρχουν παντού.

Ο εν λόγω νόμος είναι πολύ πιο κοινός από ό,τι φαίνεται. Η αρχή αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλούς διαφορετικούς τομείς:

1. Καθρέφτης - είναι το απλούστερο παράδειγμα. Είναι μια λεία επιφάνεια που αντανακλά καλά το φως και άλλους τύπους ακτινοβολίας. Χρησιμοποιούνται επίπεδες εκδόσεις καθώς και στοιχεία άλλων σχημάτων, π.χ. οι σφαιρικές επιφάνειες επιτρέπουν την απόσπαση της προσοχής των αντικειμένων, καθιστώντας τα απαραίτητα ως καθρέφτες οπισθοπορείας στα αυτοκίνητα.
2. Διάφορος οπτικός εξοπλισμός λειτουργεί επίσης χάρη στις αρχές που συζητήθηκαν παραπάνω. Αυτό περιλαμβάνει τα πάντα, από τα γυαλιά οράσεως, τα οποία βρίσκονται παντού, μέχρι τα ισχυρά τηλεσκόπια με κυρτούς φακούς ή τα μικροσκόπια που χρησιμοποιούνται στην ιατρική και τη βιολογία.
3. Μηχανήματα υπερήχων χρησιμοποιούν επίσης την εν λόγω αρχή. Ο εξοπλισμός υπερήχων επιτρέπει ακριβείς εξετάσεις. Οι ακτίνες Χ διανέμονται με τις ίδιες αρχές.
4. Φούρνοι μικροκυμάτων - Άλλο ένα παράδειγμα εφαρμογής του νόμου στην πράξη. Επίσης, εδώ μπορεί να συμπεριληφθεί όλος ο εξοπλισμός που λειτουργεί με υπέρυθρη ακτινοβολία (π.χ. εξοπλισμός νυχτερινής όρασης).
5. Κοίλοι καθρέφτες επιτρέπουν στους φακούς και τα φωτιστικά σώματα να έχουν υψηλότερη απόδοση. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς του λαμπτήρα μπορεί να είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι χωρίς το στοιχείο καθρέφτη.

Παρεμπιπτόντως! Βλέπουμε το φεγγάρι και τα αστέρια λόγω της αντανάκλασης του φωτός.

Ο νόμος της ανάκλασης του φωτός εξηγεί πολλά φυσικά φαινόμενα και η γνώση των χαρακτηριστικών του επέτρεψε τη δημιουργία εξοπλισμού που χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα.