Prawa odbicia światła i historia ich odkrycia

Prawo odbicia światła zostało odkryte na drodze obserwacji i eksperymentu. Oczywiście, można je również wyprowadzić teoretycznie, ale wszystkie zasady, które są obecnie stosowane, zostały określone i uzasadnione metodami praktycznymi. Znajomość podstawowych cech tego zjawiska pomaga w planowaniu oświetlenia i doborze sprzętu. Zasada ta działa również w innych dziedzinach - fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie itp. zachowują się dokładnie tak samo, gdy są odbijane.

Co to jest odbicie światła i jego odmiany, mechanizm

Prawo to jest sformułowane w następujący sposób: promienie padające i odbite leżą w tej samej płaszczyźnie, prostopadłej do powierzchni odbijającej, która wychodzi z punktu padania. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Zasadniczo odbicie jest procesem fizycznym, w którym wiązka, cząstka lub promieniowanie oddziałuje z płaszczyzną. Kierunek fal zmienia się na granicy dwóch ośrodków, ponieważ mają one różne właściwości. Odbite światło zawsze wraca do ośrodka, z którego pochodzi. Najczęściej odbicie wiąże się również ze zjawiskiem załamania fali.

Jest to schematyczne wyjaśnienie prawa odbicia światła.

Lustrzane odbicie

W tym przypadku istnieje wyraźna zależność między promieniami odbitymi i padającymi, co jest główną cechą tej odmiany. Istnieje kilka głównych punktów charakterystycznych dla odbicia lustrzanego:

1. Wiązka odbita jest zawsze w płaszczyźnie przechodzącej przez wiązkę padającą i normalną do powierzchni odbijającej, która jest odtworzona w punkcie padania.
2. Kąt padania jest równy kątowi odbicia wiązki światła.
3. Charakterystyka wiązki odbitej jest proporcjonalna do polaryzacji wiązki i kąta jej padania. Również właściwości obu mediów mają wpływ na wskaźnik.

W przypadku odbicia lustrzanego kąty padania i odbicia są zawsze takie same.

Współczynnik załamania światła zależy od właściwości płaszczyzny i charakterystyki światła. Odbicie to można znaleźć wszędzie tam, gdzie występują gładkie powierzchnie. Jednak warunki i zasady mogą być różne w różnych środowiskach.

Całkowite wewnętrzne odbicie

Charakteryzuje fale dźwiękowe i elektromagnetyczne. Występuje, gdy spotykają się dwa media. W tym przypadku fale muszą padać z ośrodka, w którym prędkość rozchodzenia się jest mniejsza. W przypadku światła można powiedzieć, że współczynniki załamania światła w tym przypadku bardzo się zwiększają.

Całkowite wewnętrzne odbicie jest charakterystyczne dla powierzchni wody.

Kąt padania wiązki światła ma wpływ na współczynnik załamania światła. Wraz ze wzrostem kąta padania wzrasta natężenie światła odbitego, a maleje natężenie światła załamanego. Po osiągnięciu pewnej wartości krytycznej współczynniki załamania zmniejszają się do zera, co powoduje całkowite odbicie promieni.

Kąt krytyczny jest obliczany indywidualnie dla różnych mediów.

Odbicie światła rozproszonego

Ten wariant charakteryzuje się tym, że gdy promienie trafiają na nierówną powierzchnię, są odbijane w różnych kierunkach. Światło odbite po prostu rozprasza się i właśnie dlatego nie można zobaczyć swojego odbicia na nierównej lub matowej płaszczyźnie. Zjawisko rozproszenia promieni obserwuje się, gdy nierówności są równe lub większe od długości fali.

Ta sama płaszczyzna może być dyfuzyjnie odblaskowa dla światła lub ultrafioletu, ale dobrze odbijać widmo podczerwieni. Wszystko zależy od charakterystyki fal i właściwości powierzchni.

Odbicie rozproszone jest chaotyczne ze względu na nieregularności powierzchni.

Odbicie wsteczne

Zjawisko to obserwuje się, gdy promienie, fale lub inne cząstki są odbijane z powrotem, tj. w kierunku źródła. Właściwość ta może być wykorzystywana w astronomii, naukach przyrodniczych, medycynie, fotografii i innych dziedzinach. Dzięki systemowi wypukłych soczewek w teleskopach można zobaczyć światło gwiazd, które nie są widoczne gołym okiem.

Odbicie wsteczne można kontrolować za pomocą kulistego kształtu powierzchni odbijającej.

Ważne jest stworzenie pewnych warunków, aby światło wracało do źródła, co najczęściej osiąga się dzięki układom optycznym i sterowaniu wiązką. Na przykład zasada ta jest stosowana w badaniach ultrasonograficznych; odbite fale ultradźwiękowe powodują wyświetlenie na monitorze obrazu badanego narządu.

Historia odkrycia praw refleksji

Zjawisko to było znane już dawno temu. Pierwsza wzmianka o odbiciu światła pojawiła się w dziele "Katoptrika", pochodzącym z 200 r. p.n.e., napisanym przez starożytnego greckiego uczonego Euklidesa. Pierwsze eksperymenty były proste, więc nie istniały jeszcze podstawy teoretyczne, ale to on odkrył to zjawisko. Wykorzystano zasadę Fermata dla powierzchni lustrzanych.

Czytaj także

Z jaką prędkością rozchodzi się światło w próżni

 

Wzory Fresnela

Auguste Fresnel był francuskim fizykiem, który opracował szereg wzorów, które są powszechnie stosowane do dziś. Są one wykorzystywane do obliczania natężenia i amplitudy odbitych i załamanych fal elektromagnetycznych. W tym celu muszą one przejść przez wyraźną granicę między dwoma ośrodkami o różnych mocach refrakcyjnych.

Wszystkie zjawiska, które pasują do wzorów francuskiego fizyka, nazywane są odbiciami Fresnela. Należy jednak pamiętać, że wszystkie wyprowadzone prawa są prawdziwe tylko wtedy, gdy ośrodki są izotropowe, a granica między nimi jest wyraźna. W tym przypadku kąt padania jest zawsze równy kątowi odbicia, a wartość współczynnika załamania określa prawo Snelliusa.

Ważne jest, że gdy światło pada na płaską powierzchnię, mogą występować dwa rodzaje polaryzacji:

1. Polaryzacja p charakteryzuje się tym, że wektor natężenia pola elektromagnetycznego leży w płaszczyźnie padania.
2. Polaryzacja s różni się od pierwszego typu tym, że wektor natężenia fal elektromagnetycznych jest prostopadły do płaszczyzny, w której leżą zarówno wiązka padająca, jak i odbita.

Fresnel opracował cały zestaw wzorów, które pozwalają na wykonanie wszystkich niezbędnych obliczeń.

Wzory różnią się dla sytuacji o różnej polaryzacji. Dzieje się tak, ponieważ polaryzacja wpływa na charakterystykę wiązki i jest ona odbijana w różny sposób. Gdy światło pada pod pewnym kątem, odbita wiązka może być w pełni spolaryzowana. Kąt ten nazywany jest kątem Brewstera i zależy od charakterystyki załamania ośrodków na granicy faz.

Przy okazji! Wiązka odbita jest zawsze spolaryzowana, nawet jeśli światło padające było niespolaryzowane.

Zasada Huygensa

Huygens był holenderskim fizykiem, któremu udało się opracować zasady opisu fal o dowolnej naturze. To właśnie on był najczęściej wykorzystywany do udowadniania zarówno prawa odbicia, jak i ...prawo załamania światła....

Tak wygląda najprostsze schematyczne przedstawienie zasady Huygensa.

W tym przypadku światło jest rozumiane jako fala o płaskiej postaci, tzn. wszystkie powierzchnie falowe są płaskie. W tym przypadku powierzchnia fali jest zbiorem punktów o oscylacji w tej samej fazie.

Brzmi on następująco: każdy punkt, do którego dociera perturbacja, staje się następnie źródłem fal kulistych.

Film wyjaśnia prawo z fizyki z ósmej klasy w bardzo prostych słowach, używając grafiki i animacji.

Zmiana Fedorowa

Jest on również nazywany efektem Fedorova-Embera. W tym przypadku następuje przesunięcie wiązki światła z całkowitym wewnętrznym odbiciem. Przesunięcie nie jest znaczne i zawsze jest mniejsze niż długość fali. Ze względu na to przesunięcie wiązka odbita nie leży w tej samej płaszczyźnie co wiązka padająca, co jest sprzeczne z prawem odbicia światła.

W 1980 r. F.I. Fedorow otrzymał dyplom za odkrycie naukowe.

Boczne przemieszczanie się promieni zostało teoretycznie udowodnione przez radzieckiego naukowca w 1955 roku dzięki obliczeniom matematycznym. Doświadczalne potwierdzenie tego efektu zostało dokonane nieco później przez francuskiego fizyka Emberta.

Stosowanie prawa w praktyce

Przykłady odbicia światła można znaleźć wszędzie.

Omawiane prawo jest znacznie bardziej powszechne, niż się wydaje. Zasada ta jest szeroko stosowana w wielu różnych dziedzinach:

1. Lustro - jest najprostszym przykładem. Jest to gładka powierzchnia, która dobrze odbija światło i inne rodzaje promieniowania. Stosowane są zarówno wersje płaskie, jak i elementy o innych kształtach, np. powierzchnie sferyczne umożliwiają odwracanie uwagi od obiektów, dzięki czemu są niezastąpione jako lusterka wsteczne w samochodach.
2. Różne urządzenia optyczne działa również dzięki zasadom omówionym powyżej. Dotyczy to wszystkiego - od okularów, które można znaleźć wszędzie, po potężne teleskopy z wypukłymi soczewkami czy mikroskopy stosowane w medycynie i biologii.
3. Aparaty ultradźwiękowe również stosują omawianą zasadę. Aparatura ultrasonograficzna umożliwia wykonywanie precyzyjnych badań. Promieniowanie rentgenowskie jest rozprowadzane na tych samych zasadach.
4. Kuchenki mikrofalowe - Kolejny przykład zastosowania prawa w praktyce. Można tu również uwzględnić wszystkie urządzenia zasilane promieniowaniem podczerwonym (np. noktowizory).
5. Lustra wklęsłe umożliwiają zwiększenie wydajności pochodni i opraw oświetleniowych. W takim przypadku moc żarówki może być znacznie niższa niż bez elementu lustrzanego.

A tak przy okazji! Księżyc i gwiazdy widzimy dzięki odbiciu światła.

Prawo odbicia światła wyjaśnia wiele zjawisk naturalnych, a znajomość jego właściwości umożliwiła stworzenie urządzeń, które są dziś powszechnie stosowane.