Датируемой примерно 300 до н. э.

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики . Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света , он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

Механизм отражения

При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникает ток, электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.

Виды отражения

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.

Зеркальное О. с. отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности; 2) угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая отражения коэффициентом) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения преломления показателей n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды - диэлектрика) выражают формулы Френеля . Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен

(n2 - n1)²/(n2 + n1)²

В очень важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (nвозд " 1,0; nст = 1,5) он составляет " 4 %.

Характер поляризации отражённого света меняется с изменением j и различен для компонент падающего света, поляризованных параллельно (р-компонента) и перпендикулярно (s-компонента) плоскости падения. Под плоскостью поляризации при этом понимается, как обычно, плоскость колебаний электрического вектора световой волны. При углах j, равных так называемому углу Брюстера (см. Брюстера закон), отражённый свет становится полностью поляризованным перпендикулярно плоскости падения (р-составляющая падающего света полностью преломляется в отражающую среду; если эта среда сильно поглощает свет, то преломленная р-составляющая проходит в среде очень малый путь). Эту особенность зеркального О. с. используют в ряде поляризационных приборов. При j, больших угла Брюстера, коэффициент отражения от диэлектриков растет с увеличением j, стремясь в пределе к 1, независимо от поляризации падающего света. При зеркальном О. с., как явствует из формул Френеля, фаза отражённого света в общем случае скачкообразно изменяется. Если j = 0 (свет падает нормально к границе раздела), то при n2 > n1 фаза отражённой волны сдвигается 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 угла Брюстера, а также от соотношения n2 и n1. О. с. от поверхности оптически менее плотной среды (n2 < n1) при sin j ³ n2 / n1 является полным внутренним отражением, при котором вся энергия падающего пучка лучей возвращается в 1-ю среду. Зеркальное О. с. от поверхностей сильно отражающих сред (например, металлов) описывается формулами, подобными формулам Френеля, с тем (правда, весьма существенным) изменением, что n2 становится комплексной величиной, мнимая часть которой характеризует поглощение падающего света.

Поглощение в отражающей среде приводит к отсутствию угла Брюстера и более высоким (в сравнении с диэлектриками) значениям коэффициента отражения - даже при нормальном падении он может превышать 90% (именно этим объясняется широкое применение гладких металлических и металлизированных поверхностей в зеркалах).Отличаются и поляризационные характеристики отражённых от поглощающей среды световых волн (вследствие иных сдвигов фаз р- и s-составляющих падающих волн). Характер поляризации отражённого света настолько чувствителен к параметрам отражающей среды, что на этом явлении основаны многочисленные оптические методы исследования металлов (см. Магнитооптика, Металлооптика).

Диффузное О. с. - его рассеивание неровной поверхностью 2-й среды по всем возможным направлениям. Пространственное распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, свойствами отражающей среды. Предельный, строго не выполняющийся в природе случай пространственного распределения диффузно отражённого света описывается Ламберта законом. Диффузное О. с. наблюдается также от сред, внутренняя структура которых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в 1-ю среду. Закономерности диффузного О. с. от таких сред определяются характером процессов однократного и многократного рассеяния света в них. И поглощение, и рассеяние света могут обнаруживать сильную зависимость от l. Результатом этого является изменение спектрального состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом)визуально воспринимается как окраска тел.

Полное внутреннее отражение

При увеличении угла падения i , угол преломления тоже увеличивается, при этом интенсивность отраженного луча растет, а преломленного - падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При каком-то значении i = i k угол r = π / 2 , интенсивность преломленного луча станет равной нулю, весь свет отразится. При дальнейшем увеличении угла i > i k преломленного луча не будет, происходит полное отражение света.

Значение критического угла падения, при котором начинается полное отражение найдем, положим в законе преломления r = π / 2 , тогда sinr = 1 , значит:

sini k = n 2 / n 1

Диффузное рассеяние света

θ i = θ r .
Угол падения равен углу отражения

Принцип действия уголкового отражателя

Wikimedia Foundation . 2010 .

Следует отметить, что изображение, которое мы видим по ту сторону зеркала, создано не самими лучами, а их мысленным продолжением. Такое изображение называется мнимым. Его глазом видно, но на экране его невозможно получить, так как оно создано не лучами, а их мысленным продолжением.

При отражении также соблюдается принцип наименьшего времени распространения света. Для того, чтобы попасть после отражения в глаз наблюдателя, свет должен прийти именно тот путь, который указывает ему закон отражения. Именно распространяясь по такому пути, свет на свой путь потратит наименьшее время из всех возможных вариантов.

Закон преломления света

Как нам уже известно, свет может распространяться не только в вакууме, но и в других прозрачных средах. В этом случае свет будет испытать преломление. При переходе из менее плотной среды в более плотную, луч света при преломлении прижимается к перпендикуляру, проведённому к точке падения, а при переходе из более плотной среды в менее плотную, он наоборот: отклоняется от перпендикуляра.

При этом имеются два закона преломления:

Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый к точке падения, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синусов углов падения и преломления равно обратному отношению показателей преломления:

sin a = n2

sin g n1

Представляет интерес прохождения луча света через трёхгранную призму. При этом, в любом случае наблюдается отклонение луча после прохождения через призму от первоначального направления:

У различных прозрачных тел показатель преломления различен. У газов он очень мало отличается от единицы. С повышением давления он возрастает, следовательно, показатель преломления газов зависит и от температуры. Вспомним, что если смотреть на отдалённые предметы сквозь горячий воздух, поднимающийся от костра, то видим, что всё, что вдали выглядит как колышащееся марево. У жидкостей показатель преломления зависит не только от самой жидкости, но и от концентрации растворённых в ней веществ. Ниже приводится небольшая таблица показателей преломления некоторых веществ.

Полное внутреннее отражение света.

Волоконная оптика

Следует отметить, что световой луч, распространяясь в пространстве, обладает свойством обратимости. Это значит, что по какому пути луч распространяется от источника в пространстве, по такому же пути он пойдёт обратно, если источник и точку наблюдения поменять местами.

Представим себе, что луч света распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Тогда, по закону преломления, он при преломлении должен выйти, отклонившись от перпендикуляра. Рассмотрим лучи, исходящие от точечного источника света, находящегося в оптически более плотной среде, например, в воде.

Из данного рисунка видно, что первый луч падает на поверхность раздела перпендикулярно. При этом луч от первоначального направления не отклоняется. Часто его энергии отражается от границы раздела и возвращается на источник. Остальная часть его энергии выходит наружу. Остальные лучи частично отражаются, частично выходят наружу. При увеличении угла падения растёт соответственно и угол преломления, что соответствует закону преломления. Но когда угол падения принимает такое значение, что, согласно закону преломления, угол выхода луча должен составить 90 градусов, то луч на поверхность вообще не выйдет: все 100% энергии луча отразятся от границы раздела. Все остальные лучи, падающие на поверхность раздела под углом, большим, чем этот, будут полностью отражены от поверхности раздела. Этот угол называется предельным углом , а явление называется полным внутренним отражением. То есть, поверхность раздела в данном случае выступает как идеальное зеркало. Значение предельного угла для границы с вакуумом или воздухом можно подсчитать по формуле:

Sin aпр = 1/n Здесь n – показатель преломления более плотной среды.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в различных оптических приборах. В частности, используется в приборе для определения концентрации растворённых веществ в воде (рефрактометр). Там измеряется предельный угол полного внутреннего отражения, по которому определяется показатель преломления и потом по таблице определяют концентрацию растворённых веществ.

Особенно ярко проявляется явление полного внутреннего отражения в волоконной оптике. Ниже на рисунке изображено одно стекловолокно в разрезе:

Возьмём тонкое стеклянное волокно и в один из торцов запустим луч света. Поскольку волокно очень тонкое, то любой луч, вошедший в торец волокна, будет падать на его боковую поверхность под углом, значительно превышающий предельный угол и будет полностью отражён. Таким образом, вошедший луч будет многократно отражаться от боковой поверхности и выйдет из противоположного конца практически без потерь. Внешне это будет выглядеть так, как будто противоположный торец волокна ярко светится. К тому же совсем необязательно, чтобы стекловолокно было прямолинейным. Оно может изгибаться как угодно, причём, никакие изгибы не повлияют распространению света по волокну.

В связи с этим, учёным пришла идея: а что, если взять не одно волокно, а целый их пучок. Но при этом надо, чтобы все волокна в жгуте находились в строгом взаимном порядке и на обеих сторонах жгута торцы всех волокон находились в одной плоскости. И если при этом на один торец жгута с помощью линзы подать изображение, то каждое волокно в отдельности передаст на противоположный торец жгута одну маленькую частичку изображения. Все вместе волокна на противоположном торце жгута воспроизведут то же самое изображение, что было создано линзой. Причём, изображение будет в естественном свете. Таким образом, был создан прибор, названный позже фиброгастроскопом . Этим прибором можно осмотреть внутреннюю поверхность желудка, не производя оперативного вмешательства. Фиброгастроскоп вводят через пищевод в желудок и осматривают внутреннюю поверхность желудка. В принципе, данным прибором можно осмотреть не только желудок, но и другие органы изнутри. Данный прибор используется не только в медицине, но и в различных областях техники для осмотра недоступных областей. И при этом сам жгут может иметь всевозможные изгибы, которые при этом никак не влияют на качество изображения. Единственный недостаток данного прибора – это растровая структура изображения: то есть изображение состоит из отдельных точек. Для того, чтобы изображение было более чётким, нужно иметь ещё большее количество стекловолокон, причём они должны быть ещё более тонкими. А это значительно увеличивает стоимость прибора. Но с дальнейшим развитием технических возможностей данная проблема вскоре будет решена.

Линза

Для начала рассмотрим линзу. Линза – это прозрачное тело, ограниченное либо двумя сферическими поверхностями, либо сферической поверхностью и плоскостью.

Рассмотрим линзы в поперечном разрезе. Линза искривляет прошедший через неё световой пучок. Если пучок, после полхождения через линзу будет собираться в точку, то такая линза называется собирающей. Если же падающий параллельный световой пучок после прохождении через линзу будет расходиться, то такая линза называется рассеивающей.

Ниже изображены собирающие и рассеивающие линзы и их условные обозначения:

Из данного рисунка видно, что все параллельно падающие на линзу лучи сходятся в одной точке. Эта точка называется фокусом (F ) линзы. Расстояние от фокуса до самой линзы называется фокусным расстоянием линзы. Оно в системе СИ измеряется в метрах. Но существует ещё одна единица, характеризующая линзу. Эта величина называется оптической силой и является величиной, обратной фокусному расстоянию и называетсядиоптрией . (Дп ). Обозначается буквой D. D = 1/F. У собирающей линзы значение оптической силы имеет знак плюс. Если на линзу пустить свет, отражённый от какого-либо протяжённого объекта, то каждый элемент объекта отобразится в плоскости, проходящей через фокус в виде изображения. При этом изображение будет перевёрнутым. Поскольку это изображение будет создано самими лучами, то оно будет называться действительным.

Это явление используют в современных фотоаппаратах. Действительное изображение создаётся на фотоплёнке.

Рассеивающая линза действует противоположно собирающей линзе. Если на неё по нормали падает параллельный пучок света, то после прохождении через линзу, пучок света будет расходиться так, как будто все лучи выходят из некоторой мнимой точки, расположенной по другую сторону линзы. Эта точка называется мнимым фокусом и фокусное расстояние будет со знаком минус. Следовательно, оптическая сила такой линзы будет выражаться также в диоптрия, но её значение будет со знаком минус. При рассматривании окружающих предметов через рассеивающую линзу, все предметы, видимые через линзу, будут казаться уменьшенными в размерах

На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается , а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется . Луч АО носит название падающий луч , а луч OD – отраженный луч (см. рис. 1.3). Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света .

Рис. 1.3. Отражение и преломление света.

Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения .

Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения .

Каждая среда в определённой степени (то есть по своему) отражает и поглощает световое излучение. Величина, которая характеризует отражательную способность поверхности вещества, называется коэффициент отражения . Коэффициент отражения показывает, какую часть принесённой излучением на поверхность тела энергии составляет энергия, унесённая от этой поверхности отражённым излучением. Этот коэффициент зависит от многих причин, например, от состава излучения и от угла падения. Свет полностью отражается от тонкой плёнки серебра или жидкой ртути, нанесённой на лист стекла.

Законы отражения света

Законы отражения света были найдены экспериментально ещё в 3 веке до нашей эры древнегреческим учёным Евклидом. Также эти законы могут быть получены как следствие принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Волновая поверхность (фронт волны) в следующий момент представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным волнам. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим.

На гладкую отражательную поверхность КМ (рис. 1.4) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.

Рис. 1.4. Построение Гюйгенса.

А 1 А и В 1 В – лучи падающей волны, АС – волновая поверхность этой волны (или фронт волны).

Пока фронт волны из точки С переместится за время t в точку В, из точки А распространится вторичная волна по полусфере на расстояние AD = CB, так как AD = vt и CB = vt, где v – скорость распространения волны.

Волновая поверхность отражённой волны – это прямая BD, касательная к полусферам. Дальше волновая поверхность будет двигаться параллельно самой себе по направлению отражённых лучей АА 2 и ВВ 2 .

Прямоугольные треугольники ΔАСВ и ΔADB имеют общую гипотенузу АВ и равные катеты AD = CB. Следовательно, они равны.

Углы САВ = = α и DBA = = γ равны, потому что это углы со взаимно перпендикулярными сторонами. А из равенства треугольников следует, что α = γ .

Из построения Гюйгенса также следует, что падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности, восстановленным в точке падения луча.

Законы отражения справедливы при обратном направлении хода световых лучей. В следствие обратимости хода световых лучей имеем, что луч, распространяющийся по пути отражённого, отражается по пути падающего.

Большинство тел лишь отражают падающее на них излучение, не являясь при этом источником света. Освещённые предметы видны со всех сторон, так как от их поверхности свет отражается в разных направлениях, рассеиваясь. Это явление называется диффузное отражение или рассеянное отражение . Диффузное отражение света (рис. 1.5) происходит от всех шероховатых поверхностей. Для определения хода отражённого луча такой поверхности в точке падения луча проводится плоскость, касательная к поверхности, и по отношению к этой плоскости строятся углы падения и отражения.

Рис. 1.5. Диффузное отражение света.

Например, 85% белого света отражается от поверхности снега, 75% — от белой бумаги, 0,5% — от чёрного бархата. Диффузное отражение света не вызывает неприятных ощущений в глазу человека, в отличие от зеркального.

– это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 1.6). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркало (или зеркальная поверхность ). Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм). Для таких поверхностей выполняется закон отражения света.

Рис. 1.6. Зеркальное отражение света.

Плоское зеркало – это зеркало, отражающая поверхность которого представляет собой плоскость. Плоское зеркало даёт возможность видеть предметы, находящиеся перед ним, причём эти предметы кажутся расположенными за зеркальной плоскостью. В геометрической оптике каждая точка источника света S считается центром расходящегося пучка лучей (рис. 1.7). Такой пучок лучей называется гомоцентрическим . Изображением точки S в оптическом устройстве называется центр S’ гомоцентрического отражённого и преломлённого пучка лучей в различных средах. Если свет, рассеянный поверхностями различных тел, попадает на плоское зеркало, а затем, отражаясь от него, падает в глаз наблюдателя, то в зеркале видны изображения этих тел.

Рис. 1.7. Изображение, возникающее с помощью плоского зеркала.

Изображение S’ называется действительным, если в точке S’ пересекаются сами отражённые (преломлённые) лучи пучка. Изображение S’ называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые (преломлённые) лучи, а их продолжения. Световая энергия в эту точку не поступает. На рис. 1.7 представлено изображение светящейся точки S, возникающее с помощью плоского зеркала.

Луч SO падает на зеркало КМ под углом 0°, следовательно, угол отражения равен 0°, и данный луч после отражения идёт по пути OS. Из всего множества попадающих из точки S лучей на плоское зеркало выделим луч SO 1 .

Луч SO 1 падает на зеркало под углом α и отражается под углом γ (α = γ ). Если продолжить отражённые лучи за зеркало, то они сойдутся в точке S 1 , которая является мнимым изображением точки S в плоском зеркале. Таким образом, человеку кажется, что лучи выходят из точки S 1 , хотя на самом деле лучей, выходящих их этой точки и попадающих в глаз, не существует. Изображение точки S 1 расположено симметрично самой светящейся точке S относительно зеркала КМ. Докажем это.

Луч SB, падающий на зеркало под углом 2 (рис. 1.8), согласно закону отражения света отражается под углом 1 = 2.

Рис. 1.8. Отражение от плоского зеркала.

Из рис. 1.8 видно, что углы 1 и 5 равны – как вертикальные. Суммы углов 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Следовательно, углы 3 = 4 и 2 = 5.

Прямоугольные треугольники ΔSOB и ΔS 1 OB имеют общий катет ОВ и равные острые углы 3 и 4, следовательно, эти треугольники равны по стороне и двум прилежащим к катету углам. Это означает, что SO = OS 1 , то есть точка S 1 расположена симметрично точке S относительно зеркала.

Для того чтобы найти изображение предмета АВ в плоском зеркале, достаточно опустить перпендикуляры из крайних точек предмета на зеркало и, продолжив их за пределы зеркала, отложить за ним расстояние, равное расстоянию от зеркала до крайней точки предмета (рис. 1.9). Это изображение будет мнимым и в натуральную величину. Размеры и взаимное расположение предметов сохраняются, но при этом в зеркале левая и правая стороны у изображения меняются местами по сравнению с самим предметом. Параллельность падающих на плоское зеркало световых лучей после отражения также не нарушается.

Рис. 1.9. Изображение предмета в плоском зеркале.

В технике часто применяют зеркала со сложной кривой отражающей поверхностью, например, сферические зеркала. Сферическое зеркало – это поверхность тела, имеющая форму сферического сегмента и зеркально отражающая свет. Параллельность лучей при отражении от таких поверхностей нарушается. Зеркало называют вогнутым , если лучи отражаются от внутренней поверхности сферического сегмента. Параллельные световые лучи после отражения от такой поверхности собираются в одну точку, поэтому вогнутое зеркало называют собирающим . Если лучи отражаются от наружной поверхности зеркала, то оно будет выпуклым . Параллельные световые лучи рассеиваются в разные стороны, поэтому выпуклое зеркало называют рассеивающим .