Закон отражения используется для всех типов зеркал (плоские зеркала, вогнутые зеркала, выпуклые зеркала, параболические зеркала) и их применения (например, прожекторы, светильники, эстетические зеркала).
Основные законы геометрической оптики
Оптика — это отрасль физики, которая занимается изучением свойств и физической природы света, а также его взаимодействий с веществом.
Этот отдел разделен на три области, перечисленные ниже:
- геометрическая или, как ее еще называют, лучевая оптика, которая базируется на понятии о световых лучах, откуда и исходит ее название;
- волновая оптика, исследует явления, в которых проявляются волновые свойства света;
- квантовая оптика, рассматривает такие взаимодействия света с веществами, в которых выражены свойства, подобные частицам. света.
В этой главе мы рассмотрим две области оптики. Свойства частиц света будет рассмотрена в пятой главе.
Геометрическая оптика. Основные законы геометрической оптики
Задолго до того, как пришло понимание реальной физической природы света Человечество уже знало основные законы геометрической оптики.
Закон прямолинейного распространения света
Закон линейного распространения света утверждает, что в оптически однородной среде свет он распространяется по прямой линии.
Это можно увидеть в интенсивных тенях, отбрасываемых непрозрачными телами при освещении источником света света с относительно небольшими размерами, т.е. так называется «точечным источником».
Еще одно доказательство можно найти в довольно известном эксперименте по прохождению далекого источника света удаленного источника через маленькую апертуру, что приводит к узкому световылуч. Этот эксперимент приводит нас к представлению световолуча как геометрической линии, вдоль которой лучи являются свет.
Следует отметить, что само понятие геометрической линии светового луча вместе с законом линейного распространения света не имеют никакого значения в случае радиуса свет проходит через отверстие, размеры которого соответствуют длине волны.
Поэтому геометрическая оптика основана на определении световыРентгеновские лучи являются предельным случаем волновой оптики при λ → 0, пределы которой рассматриваются в разделе о дифракции. света.
На границе раздела между двумя прозрачными средами свет может быть частично отражена таким таким образом, что часть световоi энергия рассеивается на отражения в новом направлении, а другая часть пересечет границу и распространится дальше во второй среде.
Закон отражения света
Закон отражения света Предполагается, что инцидент и отраженный лучи, а также перпендикулярные к границе, которые восстанавливаются в точке падения, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Таким образом, углы отражения и углы падения γ и α, соответственно, равны.
Закон преломления света
Закон преломления света Это предположение основано на том, что падающий и преломленный лучи являются также перпендикулярные граничной поверхности, восстановленные в точке падения, лежат в одной плоскости. Отношение между синусом угла падения α и синусом угла преломления β является константой для двух приведенных сред:
Ученый В. Снеллиус установил закон преломления экспериментально в 1621 году.
Константа n — это относительный показатель преломления второй среды по сравнению с первой.
Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления.
Относительный показатель преломления двух сред представляет собой отношение абсолютных показателей преломления сред, т.е:
Законы преломления и отражения Законы дифракции содержатся в физике волн. Согласно их определению, преломление — это результат изменения скорости распространения волн при прохождении между двумя средами.
Физический смысл показателя преломления — это отношение скорости волн в первой среде u 1 к скорости во второй среде u 2 :
Абсолютный показатель преломления равен отношению скоростей света в вакууме c до скорости света υ в среде:
Рисунок 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.
Практическое применение явления полного отражения
Феномен полного внутреннего отражения используется во многих оптических устройствах. A из таких волоконно-оптическое устройство световоe — тонкие, произвольно изогнутые нити оптически прозрачного материала, в котором свет, они могут распространяться на большие расстояния. Это изобретение стало возможным только благодаря правильному применению феномена полного внутреннего отражения с боковых поверхностей (Рисунок 3. 1. 3 ).
Оптическое волокно — это научно-техническая область, которая занимается разработкой и использованием оптических световодов.
Рисунок 3.1.3: Распространение света в волоконном световоde. Когда волокно сильно изогнуто, закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.
Еще одно доказательство можно найти в довольно известном эксперименте по прохождению далекого источника света удаленного источника через маленькую апертуру, что приводит к узкому световылуч. Этот эксперимент приводит нас к представлению световолуча как геометрической линии, вдоль которой лучи являются свет.
Содержание
Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 300 годом до н.э.
Закон отражения света — Он определяет изменение направления светового луча в результате столкновения с отражающей (зеркальная) поверхность: падающий и отраженный лучи лежат в той же плоскости, что и их нормаль к отражающей в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко используемая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения»не дает точного направления отражения луча. Однако в нем говорится следующее:
Этот закон является следствием применения принципа Ферма. к отражающей Закон основан на принципе поверхности Ферми и, как и все законы геометрической оптики, вытекает из волновой оптики. Этот закон применим не только к идеальным поверхностям, но и ко всем законам геометрической физики и всем законам оптической физики. отражающих поверхностей, но и для границы между двумя средами, в частности отражающей свет. В этом случае, в дополнение к закону преломления света, ничего не говорит об интенсивности отражённого света.
Механизм отражения
Когда электромагнитная волна попадает на проводящую поверхность, возникает ток, а электромагнитное поле стремится компенсировать этот эффект, что приводит к почти полной отражению света.
Отражение света отражение (т.е. электромагнитное поле может быть сведено к почти идеальному отражению). таким, как это наблюдается с помощью зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении путь луча от объекта не сохраняется, а только энергетическая составляющая световоВ зависимости от характера поверхности.
Зеркало O.S. характеризуется особым соотношением между положениями падающего луча и отражённого лучей: 1) отражённый Падающий луч расположен в плоскости, определяемой падающим лучом и нормалью к отражающей поверхность; 2. угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая отражения коэффициент) зависит от j и поляризации падающего луча (см. поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 второй и первой среды. Количественно, эта зависимость (для отражающей диэлектрической среды) выражается формулами Френеля. Они показывают, в частности, что в случае света вдоль перпендикуляра к поверхностному коэффициенту отражения не зависит от поляризации падающего луча и равна
В очень важном специальном случае нормального падения воздуха или стекла на их границе раздела (nvcd » 1,0; nst = 1,5) составляет » 4 %.
Характер поляризации отражённого света изменяется с изменением j и отличается для случая света, поляризованные параллельно (p-компонента) и перпендикулярно (s-компонента) плоскости падения. Плоскость поляризации, как обычно, следует понимать как плоскость колебаний электрического вектора световоy волна. Для углов j, равных так называется углом Брюстера (см. закон Брюстера), отражённый свет полностью поляризован перпендикулярно плоскости падения (p-компонента падающего света света полностью преломляется в отражающую среда; если эта среда сильно поглощает свет, преломленная компонента p проходит очень короткое расстояние в среде). Эта особенность зеркального О.С. используется во многих поляризационных устройствах. Для j, который больше угла Брюстера, коэффициент составляет отражения из диэлектрика увеличивается с ростом j и стремится к предельному значению 1, независимо от поляризации падающего света. света. С зеркалом O.S., как показывает формула Френеля, фаза составляет отражённого света в общем случае изменяется скачкообразно. Когда j = 0 (свет падает нормально к границе раздела), то при n2 > n1 фаза отражённой волна смещается на p, при n2 < n1 — остаётся неизменной. Сдвиг фазы при О. с. в случае j ¹ 0 может быть различен для р- и s-составляющих падающего света в зависимости от того, больше или меньше j, чем угол Брюстера, а также в зависимости от соотношения n2 и n1. О.с. с поверхности оптически менее плотной среды (n2 < n1) при sin j ³ n2 / n1 является полным внутренним отражением, где вся энергия падающего пучка возвращается в среду 1. Отражение О.С. от поверхностей с сильным отражающих среды (например, металлы) описываются формулами, аналогичными формулам Френеля, с одним (но весьма существенным) изменением, где n2 становится комплексной величиной, мнимая часть которой характеризует поглощение падающего луча движущейся частицей. света.
Поглощение в отражающей приводит к отсутствию угла Брюстера и более высоким значениям коэффициента (по сравнению с диэлектриками) отражения — может превышать 90 % даже при нормальном падении (этим объясняется широкое использование гладких металлических и металлических поверхностей в зеркалах). отражённых из абсорбирующей среды световыПоляризационные характеристики падающих волн отличаются от характеристик поглощающих сред (из-за различных фазовых сдвигов p- и s-волн). Характер поляризации отражённого света настолько чувствительна к параметрам среды отражающей Природа поляризации настолько чувствительна к параметрам среды, что многие оптические методы в исследовании металлов основаны на этом явлении (см. магнитооптика, оптика металлов).
