Zákony odrazu svetla a história ich objavovania

Pozorovaním a experimentmi bol objavený zákon odrazu svetla. Samozrejme, dá sa to odvodiť teoreticky, ale všetky princípy, ktoré sa teraz používajú, boli definované a podložené v praxi. Poznanie hlavných čŕt tohto javu pomáha pri plánovaní osvetlenia a výbere vybavenia. Tento princíp funguje aj v iných oblastiach – rádiové vlny, röntgen atď. správať sa presne rovnako pri odraze.

Aký je odraz svetla a jeho odrody, mechanizmus

Zákon je formulovaný takto: dopadajúce a odrazené lúče ležia v rovnakej rovine, ktorá je kolmá na odraznú plochu, ktorá vychádza z bodu dopadu. Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu.

Odraz je v podstate fyzikálny proces, pri ktorom lúč, častice alebo žiarenie interagujú s rovinou. Smer vĺn sa mení na hranici dvoch prostredí, keďže majú rozdielne vlastnosti.Odrazené svetlo sa vždy vracia do média, z ktorého prišlo. Najčastejšie pri odraze sa pozoruje aj fenomén lomu vĺn.

Toto je schematické vysvetlenie zákona odrazu svetla.

Zrkadlový odraz

V tomto prípade existuje jasný vzťah medzi odrazenými a dopadajúcimi lúčmi, to je hlavný znak tejto odrody. Existuje niekoľko hlavných bodov špecifických pre zrkadlenie:

1. Odrazený lúč je vždy v rovine, ktorá prechádza dopadajúcim lúčom a normálou k odrazovej ploche, ktorá je v mieste dopadu rekonštruovaná.
2. Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu svetelného lúča.
3. Charakteristiky odrazeného lúča sú úmerné polarizácii lúča lúča a jeho uhlu dopadu. Indikátor je tiež ovplyvnený charakteristikami týchto dvoch prostredí.

Pri zrkadlovom odraze sú uhly dopadu a odrazu vždy rovnaké.

V tomto prípade indexy lomu závisia od vlastností roviny a vlastností svetla. Tento odraz možno nájsť všade tam, kde sú hladké povrchy. Ale pre rôzne prostredia sa podmienky a princípy môžu zmeniť.

Totálny vnútorný odraz

Typické pre zvukové a elektromagnetické vlny. Vyskytuje sa v bode, kde sa stretávajú dve prostredia. V tomto prípade musia vlny padať z média, v ktorom je rýchlosť šírenia nižšia. Pokiaľ ide o svetlo, môžeme povedať, že indexy lomu sa v tomto prípade výrazne zvyšujú.

Úplný vnútorný odraz je charakteristický pre vodnú hladinu.

Uhol dopadu svetelného lúča ovplyvňuje uhol lomu. S nárastom jeho hodnoty sa intenzita odrazených lúčov zvyšuje a lomené zmenšujú.Po dosiahnutí určitej kritickej hodnoty sa indexy lomu znížia na nulu, čo vedie k úplnému odrazu lúčov.

Kritický uhol sa vypočíta individuálne pre rôzne médiá.

Difúzny odraz svetla

Táto možnosť sa vyznačuje tým, že pri dopade na nerovný povrch sa lúče odrážajú v rôznych smeroch. Odrazené svetlo sa jednoducho rozptýli a práve preto nevidíte svoj odraz na nerovnom alebo matnom povrchu. Fenomén difúzie lúčov sa pozoruje, keď sú nepravidelnosti rovnaké alebo väčšie ako vlnová dĺžka.

V tomto prípade môže byť jedna a tá istá rovina difúzne odrážajúca svetlo alebo ultrafialové žiarenie, ale zároveň dobre odrážať infračervené spektrum. Všetko závisí od charakteristík vĺn a vlastností povrchu.

Difúzny odraz je chaotický kvôli nerovnostiam na povrchu.

Spätný odraz

Tento jav sa pozoruje, keď sa lúče, vlny alebo iné častice odrážajú späť, teda smerom k zdroju. Túto vlastnosť je možné využiť v astronómii, prírodných vedách, medicíne, fotografii a iných oblastiach. Vďaka systému konvexných šošoviek v ďalekohľadoch je možné vidieť svetlo hviezd, ktoré nie sú viditeľné voľným okom.

Spätný odraz je možné ovládať guľovým tvarom odrazovej plochy.

Je dôležité vytvoriť určité podmienky pre návrat svetla do zdroja, najčastejšie sa to dosahuje optikou a smerovaním lúčov. Tento princíp sa používa napríklad pri ultrazvukových štúdiách, vďaka odrazeným ultrazvukovým vlnám sa na monitore zobrazí obraz skúmaného orgánu.

História objavovania zákonov odrazu

Tento jav je známy už dlho.Prvýkrát bol odraz svetla spomenutý v diele „Katoptrik“, ktoré sa datuje do roku 200 pred Kristom. a napísal ju starogrécky učenec Euklides. Prvé pokusy boli jednoduché, takže sa v tom čase neobjavili žiadne teoretické základy, no bol to on, kto tento jav objavil. V tomto prípade bol použitý Fermatov princíp pre zrkadlové povrchy.

Prečítajte si tiež

Ako rýchlo sa šíri svetlo vo vákuu

 

Fresnelove vzorce

Auguste Fresnel bol francúzsky fyzik, ktorý vyvinul množstvo vzorcov, ktoré sa bežne používajú dodnes. Používajú sa pri výpočte intenzity a amplitúdy odrazených a lomených elektromagnetických vĺn. Zároveň musia prechádzať cez jasnú hranicu medzi dvoma médiami s rôznymi hodnotami lomu.

Všetky javy, ktoré zodpovedajú vzorcom francúzskeho fyzika, sa nazývajú Fresnelova reflexia. Treba si však uvedomiť, že všetky odvodené zákony platia len vtedy, keď sú médiá izotropné a hranica medzi nimi je jasná. V tomto prípade sa uhol dopadu vždy rovná uhlu odrazu a hodnotu lomu určuje Snellov zákon.

Je dôležité, že keď svetlo dopadá na rovný povrch, môžu existovať dva typy polarizácie:

1. p-polarizácia je charakteristická tým, že vektor elektromagnetického poľa leží v rovine dopadu.
2. s-polarizácia sa od prvého typu líši tým, že vektor intenzity elektromagnetického vlnenia je umiestnený kolmo na rovinu, v ktorej leží dopadajúci aj odrazený lúč.

Fresnel odvodil celý rad vzorcov, ktoré umožňujú vykonávať všetky potrebné výpočty.

Vzorce pre situácie s rôznou polarizáciou sa líšia.Je to spôsobené tým, že polarizácia ovplyvňuje vlastnosti lúča a ten sa odráža rôznymi spôsobmi. Keď svetlo dopadne pod určitým uhlom, odrazený lúč môže byť úplne polarizovaný. Tento uhol sa nazýva Brewsterov uhol, závisí od refrakčných charakteristík média na rozhraní.

Mimochodom! Odrazený lúč je vždy polarizovaný, aj keď dopadajúce svetlo bolo nepolarizované.

Huygensov princíp

Huygens je holandský fyzik, ktorému sa podarilo odvodiť princípy, ktoré umožňujú opísať vlny akejkoľvek povahy. S jeho pomocou najčastejšie dokazujú zákon odrazu a zákon lomu svetla.

Toto je najjednoduchšie schematické znázornenie Huygensovho princípu.

Svetlo sa v tomto prípade chápe ako vlna plochého tvaru, to znamená, že všetky vlnové plochy sú ploché. V tomto prípade je povrch vlny súborom bodov s osciláciami v rovnakej fáze.

Znenie znie takto: každý bod, do ktorého došlo k poruche, sa následne stáva zdrojom sférických vĺn.

Vo videu je veľmi jednoduchými slovami pomocou grafiky a animácie vysvetlený zákon z fyziky 8. ročníka.

Fedorovova zmena

Nazýva sa aj Fedorov-Emberov efekt. V tomto prípade dochádza k posunu svetelného lúča s úplným vnútorným odrazom. V tomto prípade je posun nevýznamný, vždy je menší ako vlnová dĺžka. V dôsledku tohto posunutia neleží odrazený lúč v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč, čo je v rozpore so zákonom odrazu svetla.

Diplom za vedecký objav bol udelený F.I. Fedorov v roku 1980.

Bočný posun lúčov teoreticky dokázal sovietsky vedec v roku 1955 vďaka matematickým výpočtom. Pokiaľ ide o experimentálne potvrdenie tohto efektu, francúzsky fyzik Amber to urobil o niečo neskôr.

Využitie zákona v praxi

Príklady odrazu svetla sú všadeprítomné.

Predmetný zákon je oveľa bežnejší, ako sa zdá. Tento princíp je široko používaný v rôznych oblastiach:

1. Zrkadlo je najjednoduchší príklad. Ide o hladký povrch, ktorý dobre odráža svetlo a iné druhy žiarenia. Používajú sa ploché verzie aj prvky iných tvarov, napríklad guľové plochy umožňujú odsúvanie predmetov, vďaka čomu sú nepostrádateľné ako spätné zrkadlá v aute.
2. Rôzne optické zariadenia funguje aj vďaka uvažovaným princípom. To zahŕňa všetko od okuliarov, ktoré sa nachádzajú všade, až po výkonné teleskopy s vypuklými šošovkami alebo mikroskopy používané v medicíne a biológii.
3. Ultrazvukové prístroje tiež použiť rovnaký princíp. Ultrazvukové zariadenia umožňujú presné vyšetrenia. Röntgenové lúče sa šíria podľa rovnakých princípov.
4. mikrovlnné rúry - Ďalší príklad aplikácie predmetného zákona v praxi. Zahŕňa tiež všetky zariadenia, ktoré fungujú vďaka infračervenému žiareniu (napríklad prístroje na nočné videnie).
5. konkávne zrkadlá umožniť baterkám a lampám zvýšiť výkon. V tomto prípade môže byť výkon žiarovky oveľa menší ako bez použitia zrkadlového prvku.

Mimochodom! Cez odraz svetla vidíme mesiac a hviezdy.

Zákon odrazu svetla vysvetľuje mnohé prírodné javy a znalosť jeho vlastností umožnila vytvoriť zariadenie, ktoré je v našej dobe široko používané.