Legile reflexiei luminii și istoria descoperirii lor

Legea reflexiei luminii a fost descoperită prin observație și experiment. Desigur, poate fi dedusă și teoretic, dar toate principiile care sunt folosite acum au fost determinate și justificate prin mijloace practice. Cunoașterea caracteristicilor de bază ale acestui fenomen ajută la planificarea iluminatului și la selectarea echipamentului. Acest principiu funcționează și în alte domenii - undele radio, razele X etc. se comportă exact în același mod atunci când sunt reflectate.

Ce este reflecția luminii și varietățile sale, mecanismul

Legea se formulează astfel: razele incidente și reflectate se află în același plan cu o perpendiculară la suprafața reflectantă care iese din punctul de incidență. Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie.

În esență, reflexia este un proces fizic prin care un fascicul, o particulă sau o radiație interacționează cu un plan. Direcția undelor se schimbă la granița dintre cele două medii, deoarece acestea au proprietăți diferite. Lumina reflectată se întoarce întotdeauna în mediul din care a venit. De cele mai multe ori, reflexia implică și fenomenul de refracție a undelor.

Aceasta este o explicație schematică a legii reflexiei luminii.

Reflecție în oglindă

În acest caz, există o relație clară între razele reflectate și cele incidente, aceasta fiind principala caracteristică a acestei varietăți. Există câteva puncte principale caracteristice reflexiei speculare:

1. Fascicululul reflectat se află întotdeauna într-un plan care trece prin fascicululul incident și prin normala la suprafața reflectantă, care este refăcută în punctul de incidență.
2. Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie al fasciculului de lumină.
3. Caracteristicile fasciculului reflectat sunt proporționale cu polarizarea fasciculului și cu unghiul său de incidență. De asemenea, caracteristicile celor două medii au un efect asupra indicelui.

În cazul reflexiei speculare, unghiurile de incidență și de reflexie sunt întotdeauna aceleași.

Indicele de refracție depinde de proprietățile planului și de caracteristicile luminii. Această reflexie poate fi întâlnită oriunde există suprafețe netede. Dar condițiile și principiile pot varia în funcție de mediu.

Reflexia internă totală

Caracteristică a undelor sonore și electromagnetice. Are loc în cazul în care două medii se întâlnesc. În acest caz, undele trebuie să cadă din mediul în care viteza de propagare este mai mică. În cazul luminii, putem spune că indicii de refracție cresc foarte mult în acest caz.

Reflexia internă totală este caracteristică suprafeței apei.

Unghiul de incidență al fasciculului de lumină afectează indicele de refracție. Pe măsură ce unghiul de incidență crește, intensitatea luminii reflectate crește, iar intensitatea luminii refractate scade. Atunci când se atinge o anumită valoare critică, indicii de refracție scad la zero, ceea ce duce la reflectarea completă a razelor.

Unghiul critic este calculat individual pentru diferite medii.

Reflectarea luminii difuze

Această variantă se caracterizează prin faptul că, atunci când razele ating o suprafață neuniformă, ele sunt reflectate în direcții diferite. Lumina reflectată se împrăștie pur și simplu și din această cauză nu se poate vedea reflecția pe un plan neuniform sau mat. Fenomenul de difuzie a razelor se observă atunci când neregularitățile sunt egale sau mai mari decât lungimea de undă.

Același plan poate avea o reflexie difuză pentru lumină sau ultraviolete, dar poate reflecta bine spectrul infraroșu. Totul depinde de caracteristicile valurilor și de proprietățile suprafeței.

Reflexia difuză este haotică din cauza neregulilor de pe suprafață.

Reflexie inversă

Acest fenomen se observă atunci când razele, undele sau alte particule sunt reflectate înapoi, adică spre sursă. Această proprietate poate fi utilizată în astronomie, științe naturale, medicină, fotografie și alte domenii. Datorită sistemului de lentile convexe din telescoape, este posibil să se vadă lumina stelelor care nu sunt vizibile cu ochiul liber.

Reflexia inversă poate fi controlată prin forma sferică a suprafeței reflectante.

Este important să se creeze anumite condiții pentru ca lumina să se întoarcă la sursă, ceea ce se realizează cel mai adesea prin intermediul opticii și al direcționării fasciculului. De exemplu, acest principiu este utilizat în examinările cu ultrasunete; undele ultrasonore reflectate determină afișarea pe monitor a imaginii organului examinat.

Istoria descoperirii legilor reflexiei

Acest fenomen era cunoscut de mult timp. Reflecția luminii a fost menționată pentru prima dată în lucrarea "Katoptrika", care datează din anul 200 î.Hr. și care a fost scrisă de omul de știință grec antic Euclid. Primele experimente au fost simple, așa că nu a apărut nicio bază teoretică la acea vreme, dar el a fost cel care a descoperit fenomenul. A fost utilizat principiul lui Fermat pentru suprafețe oglindite.

Citește și

Cu ce viteză se propagă lumina în vid?

 

Formulele Fresnel

Auguste Fresnel a fost un fizician francez care a derivat o serie de formule care sunt utilizate pe scară largă și astăzi. Acestea sunt utilizate la calcularea intensității și amplitudinii undelor electromagnetice reflectate și refractate. În acest fel, ele trebuie să treacă printr-o limită clară între două medii cu puteri de refracție diferite.

Toate fenomenele care se încadrează în formulele fizicianului francez se numesc reflexie fresneliană. Dar trebuie reamintit că toate legile deduse sunt adevărate numai atunci când mediile sunt izotrope și granița dintre ele este clară. În acest caz, unghiul de incidență este întotdeauna egal cu unghiul de reflexie, iar valoarea refracției este determinată de legea lui Snellius.

Este important faptul că, atunci când lumina cade pe o suprafață plană, pot exista două tipuri de polarizare:

1. Polarizarea p se caracterizează prin faptul că vectorul intensității câmpului electromagnetic se află în planul de incidență.
2. Polarizarea s diferă de primul tip prin faptul că vectorul de intensitate al undelor electromagnetice este perpendicular pe planul în care se află atât fasciculul incident, cât și cel reflectat.

Fresnel a derivat un întreg set de formule care permit efectuarea tuturor calculelor necesare.

Formulele diferă pentru situații cu polarizare diferită. Acest lucru se datorează faptului că polarizarea afectează caracteristicile fasciculului și acesta este reflectat în mod diferit. Atunci când lumina cade la un anumit unghi, fasciculul reflectat poate fi complet polarizat. Acest unghi se numește unghiul Brewster și depinde de caracteristicile de refracție ale mediilor de la interfață.

Apropo! Fasciculul reflectat este întotdeauna polarizat, chiar dacă lumina incidentă era nepolarizată.

Principiul Huygens

Huygens a fost un fizician olandez care a reușit să deducă principii pentru a descrie undele de orice natură. El a fost cel care a fost cel mai des folosit pentru a demonstra atât legea reflexiei, cât și ...legea refracției luminii....

Iată cum arată cea mai simplă reprezentare schematică a principiului Huygens.

În acest caz, lumina este înțeleasă ca o undă de formă plană, adică toate suprafețele undelor sunt plane. În acest caz, suprafața de undă este un set de puncte cu oscilații în aceeași fază.

Formularea sună în felul următor: orice punct la care ajunge o perturbație devine ulterior o sursă de unde sferice.

Videoclipul explică legea din clasa a 8-a de fizică în cuvinte foarte simple, folosind grafică și animație.

Schimbarea Fedorov

Acesta se mai numește și efectul Fedorov-Ember. În acest caz, există o deplasare a fasciculului de lumină cu reflexie internă totală. Deplasarea nu este semnificativă și este întotdeauna mai mică decât lungimea de undă. Din cauza acestei deplasări, fasciculul reflectat nu se află în același plan cu fascicululul incident, ceea ce contravine legii reflexiei luminii.

Diploma pentru descoperiri științifice a fost acordată lui F.I. Fedorov în 1980.

Deplasarea laterală a razelor a fost demonstrată teoretic de un om de știință sovietic în 1955, datorită calculelor matematice. În ceea ce privește confirmarea experimentală a acestui efect, aceasta a fost făcută puțin mai târziu de către fizicianul francez Embert.

Utilizarea legii în practică

Exemple de reflectare a luminii pot fi găsite peste tot.

Legea în cauză este mult mai frecventă decât pare. Principiul este utilizat pe scară largă în multe domenii diferite:

1. Oglindă - este cel mai simplu exemplu. Este o suprafață netedă care reflectă bine lumina și alte tipuri de radiații. Se folosesc atât versiuni plane, cât și elemente de alte forme, de exemplu, suprafețele sferice permit distragerea atenției asupra obiectelor, ceea ce le face indispensabile ca oglinzi retrovizoare în mașini.
2. Diverse echipamente optice funcționează, de asemenea, datorită principiilor discutate mai sus. Aceasta include totul, de la ochelarii de vedere, care se găsesc peste tot, la telescoapele puternice cu lentile convexe sau microscoapele utilizate în medicină și biologie.
3. Aparate cu ultrasunete utilizează, de asemenea, principiul în cauză. Echipamentul cu ultrasunete permite examinări precise. Razele X sunt distribuite folosind aceleași principii.
4. Cuptoare cu microunde - Un alt exemplu de aplicare a legii în practică. Toate echipamentele care funcționează cu radiații infraroșii (de exemplu, echipamentele de vedere pe timp de noapte) pot fi, de asemenea, incluse aici.
5. Oglinzi concave permit torțelor și corpurilor de iluminat să își îmbunătățească performanțele. În acest caz, puterea becului poate fi mult mai mică decât fără elementul oglindă.

Apropo! Vedem luna și stelele datorită reflexiei luminii.

Legea reflexiei luminii explică multe fenomene naturale, iar cunoașterea caracteristicilor sale a făcut posibilă crearea unor echipamente care sunt utilizate pe scară largă în prezent.