Законът на отражението на светлината: дефиниране и формулиране

Слънчевата светлина е електромагнитно излъчване, затова се характеризира с такива явления като отражение и пречупване. Разгледайте закона на отражението на светлината по време на неговия преход от една среда към друга, като използвате представянето на видими електромагнитни вълни под формата на лъчи.

Отражение и пречупване на светлината

Както е добре известно, светлината се разпространява праволинейно във всяка хомогенна прозрачна среда. Веднага щом светлинният лъч достигне до интерфейса на две прозрачни среди, се появяват две явления:

1. Една част от светлинния лъч се отразява обратно в първата прозрачна среда под определен ъгъл, т.е. отразява се.
2. Втората част на светлинния лъч прониква във втората среда и продължава да се разпространява вече в нея, но в същото време променя посоката на нейното разпространение с определен ъгъл, т.е. пречупва се.

И двата феномена са описани съответно чрез законите за отражение и пречупване на светлината.

Тези физични явления са показани на фигурата по-долу, в която може да се види, че падащият лъч на светлината при преминаване през границата на две прозрачни среди е разделен на две греди, едната от тях (по-малката) се отразява, а вторият лъч (по-голям) продължава да се разпространява в другата среда.

Закони на отражение на светлината

Отражението на светлината във физиката се разбира като промяна в посоката на разпространение на вълната, след като тя попадне на границата между две медии, в която вълната се връща към средата, от която идва.

След формулирането на закона за отражението на светлината отбелязваме, че благодарение на съществуването на този феномен, изображения на различни обекти могат да се видят в огледало, на повърхността на водата или на някаква друга лъскава повърхност. Физически, отражението на светлината се случва, когато светлината пада върху повърхността, сблъсква се с нея и се връща към оригиналната среда на нейното разпространение, образувайки ъгъл, точно равен на ъгъла на гредата, падаща върху тази повърхност. Тази повърхност се нарича отразяваща. За разлика от явлението рефракция, явлението отражение е промяна в посоката на разпространение на вълната в същата среда.

Във физиката законите на отражението на светлината са формулирани както следва:

1. Гредата, падаща върху повърхността на повърхността на средата, отразения лъч и нормалната към тази повърхност лежат в една и съща равнина.
2. Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение. Формулата за закона на отражението на светлината е: θ _{подложка.} = θ _Реф. ,

Огледално и дифузионно отражение

Отразяващата повърхност може да бъде гладка, но може да има и неравности. В това отношение има два вида отражение на светлината:

1. Mirror. Ако неравностите на отразяващата повърхност са малки в сравнение с дължината на вълната, тогава светлинният лъч се отразява в определена посока. Тук можете да дадете пример за повърхността на плоско огледало, закона за отражение на светлината, за който можете да приложите.
2. Diffusion. Ако повърхностните неравности са сравними с дължината на светлинната светлина, тогава всяка част от падащия лъч се отразява от различни неравности и законът на отражението на светлината остава верен за всеки факт на отражението, но тъй като отразените светлинни лъчи започват да се разпространяват в различни посоки, се оказва, че първоначалният лъч се разделя на много. малки букети. В такива случаи се казва, че светлината е разпръсната. Пример за дифузно отражение е отражението на светлината от дървена повърхност.

Така, ако след огледално отражение светлината се разпространява в определена посока, след дифузно отражение светлината се „пръска”.

Квантово-механична обосновка на процеса на размисъл

Светлината е лъч от фотони с различни честоти. Всяко взаимодействие на фотони с материята се описва чрез процесите на абсорбция и емисия. Когато фотон достигне молекула на веществото, той веднага се абсорбира от него, като прехвърля електронната си обвивка в възбудено състояние, т.е. в състояние с повишена енергия. Почти веднага след абсорбцията на фотона електронната система преминава в основното си състояние и този процес се съпровожда от излъчването на фотон в произволна посока. Законът за отражение на светлината от квантово-механична гледна точка се обяснява като най-вероятната посока на излъчване на фотони, която се наблюдава под формата на отражение.

Явление на обратното отражение

Явлението ретроотражение, или ретроотражение, е способността на някои повърхности или обекти да отразяват лъч светлина, падащ върху тях обратно към източника, от който е дошъл, независимо от ъгъла, при който тази светлина пада върху тях.

Това поведение може да се наблюдава при плоско огледало, но само когато светлинният лъч пада върху него перпендикулярно, т.е. ъгълът на падане е 90 °.

Един обикновен ретроотражател може да бъде направен чрез свързване на две огледала, перпендикулярни един на друг. Изображението, което дава такова устройство, винаги е със същия размер като оригинала, но ще бъде обърнато. Няма значение при какъв ъгъл светлинните лъчи попадат върху този светлоотражател, той винаги ги отразява с 180 °. Фигурата по-долу показва този светлоотражател и неговите физически свойства се демонстрират.

Ограничено ретроотражение и неговата употреба

Сега феноменът на обратното отражение се използва широко в производството на автомобили, по-специално при производството на повърхността на метални плочи, върху които се пишат цифри.

Ако поставите много малки отразяващи сфери на повърхността, можете да се уверите, че тя отразява светлината не точно назад, а под някакъв малък ъгъл. В този случай те казват за ограничената способност на ретроотражателя. Същият ефект може да се постигне, ако върху повърхността се нанасят малки пирамиди, вместо отразяващи сфери.

В производството на помещения за автомобили не е необходимо да отразяват светлината перфектно обратно, но е необходимо, че отразеният светлинен лъч е почти успореден на падащия лъч. Благодарение на това светлината, която пада върху номерата на автомобила от фаровете на друга кола зад него, се отразява от тези цифри, попада в очите на шофьора и вижда номера, който се движи пред колата.

Ретроотразяване и оптични аберации

Оптичната аберация е явление във физиката, при което полученото в оптичната система изображение е размито. Това се случва, защото светлинният лъч, излизащ от определена точка на даден обект, не се връща точно до една точка. Причините за аберацията могат да бъдат геометрични несъвършенства на оптичните системи, както и различна отразяваща способност за различни дължини на вълната на видимата светлина.

Retrereflection се използва за изравняване на оптичните аберации. Това се прави по прост начин, образът на обекта, получен в оптичната система през светлоотражателя, се пренасочва към тази система. Функцията на светлоотражателя е не само, че тя връща всички падащи върху нея лъчи, но и променя вълновия фронт на електромагнитната вълна на противоположния.

Пречупване и закон на тотално отражение на светлината

Под пречупване на светлината имаме предвид промяна в посоката на нейното разпространение при преминаване през границата на средата с различни оптични свойства. По-специално, скоростта на разпространение на светлината в различни прозрачни среди е различна и винаги е по-малка скоростта на светлината във вакуум.

За да се опише явлението на рефракция на светлината се инжектира индекс на пречупване среда n, която е равна на съотношението на скоростите на светлината във вакуум и среда, т.е. n = c / v. Законът на пречупването на светлината е математически изразен по следния начин: sin (θ _pad. ) / Sin (θ _pref. ) = N ₂ / n ₁ = v ₁ / v ₂ , тук θ _{подложка.} - ъгълът между падащия лъч и нормалната повърхност, θ _реф. - ъгълът между пречупения лъч и нормалата към повърхността, n ₁ , v ₁ и n ₂ , v ₂ - съответно коефициентът на пречупване и скоростта на разпространение на светлината за първата среда и за втората среда.

Както бе споменато по-горе, когато светлината минава през границата на две прозрачни среди, има отразени и пречупени лъчи. Ако θ е _{предварително.} = 90 °, тогава пречупеният лъч ще върви успоредно на повърхността, с други думи, няма да се наблюдава. Тази ситуация е възможна при условие, че ъгълът θ _{подложка.} по-голям от критичен θ _cr. и n ₁ > n ₂ . Критичният ъгъл се определя, както следва: θ _cr. = arcsin (n2 / n1). Всеки лъч светлина, който пада върху тази повърхност под ъгъл, по-голям от θ _cr. , преживява пълно размишление.

Приложение на явлението тотално отражение

Феноменът на тоталното отражение се използва от човека в различни области на живота. Най-популярната му употреба е оптичното влакно, използвано в телекомуникациите и медицината.

С прости думи, оптични влакна е гъвкав кабел, направен от прозрачен материал, чийто индекс на пречупване е по-голям от коефициента на пречупване на средата около този кабел. В резултат на това лъч светлина, стрелян под определен ъгъл във вътрешността на такова влакно, достига противоположния си край с малко или никаква загуба на интензивност, тъй като по пътя си той изпитва само пълни отражения.