Формула и доказательство закона отражения света

Законы отражения Физика

Природа света отбиваться от различных поверхностей была интересна ещё в далёком прошлом. В своё время ей занимались такие философы, как Архимед, Галилей. Но первое теоретическое обоснование поведения луча встречается только в XVII веке в работах Пьера Ферми. Пожалуй, одним из интереснейших и полезных эффектов для человечества является закон отражения света. Формула закона довольно проста и легко подтверждается на практике.

Общие сведения

При построении храма Зевса в Олимпии древнегреческому скульптору Фидию была заказана статуя высота, которой составляла порядка 14 метров. В те времена об электричестве ещё даже не подозревали, поэтому освещение в храме выполнялось естественным путём или при помощи факелов. Для того чтобы осветить статую Зевса Фидий придумал перед ней вырыть бассейн, заполнив его оливковым маслом. Лучи света, проникающие из верхних ниш храма, попадали на поверхность жидкости и отражаясь освещали скульптуру.

Статуя зевса

Изучением природы света и его правилами распространения занимается специальный раздел физики — оптика. Существует такое явление, как теплопередача. Это изменение энергии тела без осуществления работы. Характеризуется оно теплопроводностью, конвекцией и излучением. При увеличении температуры можно заметить, что тела начинают светиться. При этом чем она выше, тем ярче происходит излучение. Другими словами, возрастает перенос энергии. Как оказалось, важную роль в этом играет свет.

Доказать это утверждение довольно легко. Для этого можно взять надутый воздушный шарик и направить на него луч лазера (светового источника). В результате резина расплавится, и шар лопнет. Таким образом, можно сформулировать определение для света. Звучит оно так: это вид излучения, который может восприниматься человеческим глазом. Отличаются же световые лучи от тепловых только количественно. Поэтому свет может распространяться и в абсолютной пустоте.

Существует множество источников видимого излучения. Например, Луна, Солнце, Галактика, Полярное сияние, светлячок, огонь. В зависимости от их происхождения источники разделяют на естественные и искусственные. Распространяется свет с помощью пучка, представляющего собой поток энергии.

Закон отражения света формула

Его траектория движения — прямая линия. Но это утверждение справедливо для однородной среды. Если же световой пучок попадает на границу раздела двух поверхностей с ним может произойти три явления:

  • отражение;
  • преломление;
  • поглощение.

При этом, как оказалось, свет обладает дуализмом. При распространении он может вести себя как волна и как частица. Таким образом, одни оптические явления описываются с помощью корпускулярной теории, а другие — волновой. За частицу же света приняли фотон, представляющий квант электромагнитного излучения.

Закономерность отражения

Отражение света от различных поверхностей было подмечено людьми довольно давно. Существует история о том, что Архимед смог, используя явление защитить свой город при нападении римского флота. При помощи медных начищенных щитов он направлял лучи света на локальные места кораблей, тем самым вызывая их воспламенение. В наше время был проведён опыт для проверки легенды. На расстоянии около 30 метров расположили макет корабля и с помощью зеркал лучи свели в одну точку. Судно загорелось.

Под отражающей поверхностью понимают среду, которая не пропускает в себя свет, а полностью отбивает его. На самом деле реально существующих таких тел нет. Но поглощённая и преломлённая энергия их настолько ничтожна, что ей можно пренебречь. Как оказалось, отбивание луча от поверхности происходит не хаотично, а подчиняется строгому закону. Его формулировка звучит так: угол падения равен углу отражения.

Закон отражения света

Другими словами, если изобразить графически на плоскости падающий и отражённый пучок в виде прямой линии, то место в котором происходит изменение пути распространения можно представить, как точку. Через неё можно провести перпендикуляр. Так вот, угол падения (a), построенный между перпендикуляром и падающим лучом, равен отражению, углу (b) между прямой линией и отбитым от поверхности пучком: ∠a = ∠ b.

Явление может быть двух видов:

Закон отражения угол падения равен углу отражения

  • зеркальным — при падении света все отражённые лучи сохраняют свойство параллельности по отношению друг к другу;
  • диффузным — после падения светового пучка траектория распространения перестаёт быть параллельной, то есть лучи отражаются в разные стороны.

Второе явление связано с неровностями поверхностного слоя вещества. Если его рассмотреть под микроскопом, то можно увидеть множество бугорков — шероховатостей. Именно поэтому одни тела являются матовыми, а другие блестящими (зеркальными).

Следует отметить, что полное описание явления отражения света звучит так: перпендикуляр, падающий луч и отражённый к поверхности проведённой через точку падения лежат в одной плоскости. Причём это утверждение справедливо как для первого, так и второго явления.

Зеркальное изображение

Для получения рисунка в плоском зеркале нужно рассмотреть, как происходит отражение от светящейся точки. От неё во все стороны расходится свет. Получить изображение предмета в зеркале можно с помощью двух лучей. Один — падает на поверхность произвольно, а другой — перпендикулярно. Чтобы построить путь первого нужно нарисовать линию под углом 900 к точке отражения поверхности, а затем провести луч согласно закону распространения. Во втором же случае световой поток будет идти по траектории падения, но в обратную сторону.

Как читается закон отражения света

Как оказалось, изображение предмета возможно видеть из-за пересечения отражённых лучей. При рассматриваемом распространении в видимой части пути линии света не пересекаются. Для того же чтобы их найти нужно продолжить их путь за поверхностью зеркала. Точку, в которой они пересекутся можно обозначить как S1. Она представляет собой не настоящее изображение, а продолжение световых лучей. Такую картину в оптике называют мнимой.

Плоское зеркало даёт мнимое изображение. Чтобы его увидеть нужно смотреть вдоль перпендикуляра построенного к точке отражения. Причём расстояния от источника до зеркала, будет равно длине от него к точке S1. Это является главной особенностью изображения зеркальной поверхности.

Но реалистичные изображения чаще всего протяжённые. Например, пусть есть предмет длиной AB. Чтобы построить его отражение, нужно отдельно нарисовать распространение лучей для его начальной и конечной точек. В результате получится два мнимых места: A1 и B1. Поcле их соединения получится линия, повторяющая изображение предмета в плоском зеркале, где AB — это предмет, а A1B1 — его отражение.

Сформулируйте закон отражения света

Что интересно, изображение предмета в плоском зеркале, такое же по размеру, как и предмет. При этом оно прямое, а не перевёрнутое. Расстояния же от поверхности как в одну, так и другую сторону одинаковые. Итак, можно выделить свойства изображения предмета в плоском зеркале. Они будут заключаться в следующем:

  • мнимое;
  • совпадать по размеру;
  • прямое;
  • находится на равноудалённом расстоянии от поверхности при сравнении с реальным телом.

Получается, что на самом деле отражение и сам предмет — это разные изображения. Но из-за того, что они одинаковые по размеру и прямые оно воспринимается как реальное. Эти эффекты отражения часто используются в быту. Например, с их помощью можно визуально увеличивать помещение.

Принцип Гюйгенса

Согласно принципу учёного, каждая точка среды, до которой дошла волна сама становится источником вторичных отражений. Открыть закономерность физику позволили следующие рассуждения. Пусть имеется прибор, который создаёт волну, при этом её передний фронт дошёл до какого-либо места. Можно предположить, что каждая точка излучения будет источником вторичных колебаний. Эти волны сферические. Такая ситуация соответствует моменту времени t0.

Через Δt волна пройдёт расстояние Δt * с. Каждый из источников вторичных волн создаёт свою сферическую вону. Кратко говоря Гюйгенс предложил взять огибающую фронтов, которая и будет новым положение распространения света и соответствовать времени: t = Δt + t0. Эту процедуру можно продолжать для любого момента.

Угол отражения это

Именно Гюйгенс стал тем, чей принцип помог доказать справедливость закона отражения. Пусть есть горизонтальная плоская поверхность, на которую падает волна. Её ширина определяется первым и вторым граничным лучом. Место встречи их с поверхностью соответственно можно обозначить точками A и B. Волновой фронт перпендикулярен лучам. Распространяется он со скоростью волны к отражающей поверхности. В определённое время фронт касается поверхности в точке A. Противолежащая точка его соприкосновения пусть будет C.

Как только, волновой фронт коснулся A она превращается в источник сферических волн. Они перестанут исходить лишь в том случае, когда C также достигнет поверхности. Можно записать, что Δt = CB / c. Получается, что можно построить огибающую сферических волн множества точек, ставших вторичными источниками. Перпендикуляр к отражённому фронту будет являться отражённым лучом. Фактически получились два треугольника ABC и ABD.

Они оба прямоугольные при этом у них есть общая сторона AB. AD же расстояние, которое можно найти как произведение скорости распространения волн ни изменение времени, то есть: AD = CB. По теореме равенства треугольники равные, значит, и углы у них одинаковые. Следовательно наклон падения равен отражению. Такое доказательство часто показывают в средней школе при обучении оптике в старших классов. Оно простое к пониманию и легко читается, так как не использует формулы и сложные термины.

Автор статьи
Алексей Гузанов
Репетитор, закончил Куровскую гимназию, которая входит в топ-100 школ Московской области, с золотой медалью. Являюсь победителем олимпиад по математике и информатике. Успешно сдал ЕГЭ на высокие баллы.
Задать вопрос
Оцените статью
Na5.club
Добавить комментарий

− 6 = 3

Adblock
detector