Почему свет отражается от предметов. A

отражение света

возвращение световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления "обратно" в первую среду. Различают отражение света зеркальное (размеры l неровностей на поверхности раздела меньше длины световой волны?) и диффузное (l ? ?). Наблюдаемое отражение света - комбинация этих двух предельных случаев. Благодаря отражению света мы видим объекты, не излучающие свет.

Отражение света

явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из одной среды на границу её раздела со 2-й средой взаимодействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела «обратно» в 1-ю среду. (При этом по крайней мере 1-я среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучения.) Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей. Пространственное распределение интенсивности отражённого света определяется отношением размеров неровностей поверхности (границы раздела) к длине волны l падающего излучения. Если неровности малы по сравнению с l, имеет место правильное, или зеркальное, О. с. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей беспорядочно, О. с. диффузно. Возможно также смешанное О. с., при котором часть падающего излучения отражается зеркально, а часть ≈ диффузно. Если же неровности с размерами ~ l и более расположены закономерно (регулярно), распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при О. с. от дифракционной решётки. О. с. тесно связано с явлениями преломления света (при полной или неполной прозрачности отражающей среды) и поглощения света (при её неполной прозрачности или непрозрачности). Зеркальное О. с. отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей:

отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности;

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 Френеля формулы. 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; ncт = 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 n2и 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 n2становится 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.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т.

; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ.,2 изд., М., 1973; Дитчбёрн Р., Физическая оптика, пер. с англ., М., 1965; Миннарт М., Свет и цвет в природе, пер. с англ., М., 1958; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, М., 1957; Толанский С., Удивительные свойства света, пер. с англ., М., 1969.

Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение 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.) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.

Рис. 1 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. Вследствие 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. 2.) 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. 2. 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.

Зеркальное отражение света – это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 3.). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркалом (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. 3. 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. 4.). 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. 4. Изображение, возникающее с помощью плоского зеркала.

Изображение S’ называется действительным, если в точке S 1 пересекаются сами отражённые (преломлённые) лучи пучка. Изображение S 1 называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые (преломлённые) лучи, а их продолжения. Световая энергия в эту точку не поступает. На рис. 4 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. 5.), согласно закону отражения света отражается под углом 1 = 2.

Рис. 5. 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. 6.). 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. 6. 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 .

Преломление На границе раздела двух сред падающий световой поток делится на две части: одна часть отражается, другая – преломляется.
В. Снелл (Снеллиус) до X. Гюйгенса и И. Ньютона в 1621 г. экспериментально открыл закон преломления света, однако не получил формулу, а выразил его в виде таблиц, т.к. к этому времени в математике еще не были известны функции sin и cos.
Преломление света подчиняется закону: 1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восставленным в точке падения луча к поверхности раздела двух сред. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная (для монохроматического света).

Причиной преломления является различие скоростей распространения волн в различных средах.
Величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде, называется абсолютным показателем преломления среды. Это табличная величина – характеристика данной среды.
Величина, равная отношению скорости света в одной среде к скорости света в другой, называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Доказательство закона преломления. Распространение падающих и преломленных лучей: ММ" - граница раздела двух сред. Лучи А 1 А и В 1 В - падающие лучи; α - угол падения;. АС – волновая поверхность в момент, когда луч А 1 А достигнет границы раздела сред. Воспользовавшись принципом Гюйгенса построим волновую поверхность в тот момент, когда луч В 1 Вдостигнет границы раздела сред. Построим преломленные лучи АА 2 и ВВ 2 . β - угол преломления. АВ – общая сторона треугольников АВС и АВD. Т.к. лучи и волновые поверхности взаимно перпендикулярны, то угол ABD= α и угол BAC=β. Тогда получим:

В призме или плоскопараллельной пластине преломление происходит на каждой грани в соответствие с законом преломления света. Не забудьте, что всегда существует отражение. Кроме того, реальный ход лучей зависит и от показателя преломления, и от преломляющего угла – угла при вершине призмы.)

Полное отражение Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при определенном для каждой среды угле падения, преломленный луч исчезает. Наблюдается только преломление. Это явление называется полным внутренним отражением.

Угол падения, которому соответствует угол преломления 90°, называют предельным углом полного внутреннего отражения (a 0). Из закона преломления следует, что при переходе света из какой-либо среды в вакуум (или воздух)
Если мы пытаемся из-под воды взглянуть на то, что находится в воздухе, то при определенном значении угла, под которым мы смотрим, можно увидеть отраженное от поверхности воды дно. Это важно учитывать для того, чтобы не потерять ориентировку.
В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение. Этим и объясняется "игра камней".
Полным внутренним отражением объясняется и явление миража.

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА - возникновение вторичных световых волн, распространяющихся от границы раздела двух сред "обратно" в первую среду, из к-рой первоначально падал свет. При этом по крайней мере первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучений. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.
Пространств. распределение интенсивности отражённого света зависит от соотношения между размерами неровностей h поверхности (границы раздела) и длиной волныпадающего излучения. Если h то О. с. направленное, или зеркальное. Когда размеры неровностей h или превышают её (шероховатые, матовые поверхности) и расположение неровностей стохастическое, О. с. - диффузное. Возможно также смешанное О. с., при к-ром часть падающего излучения отражается зеркально, а часть диффузно. Если же неровности с размерами расположены к--л. регулярным образом, то распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при О. с. от . решётки.

Зеркальное О. с . характеризуется связью положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый, преломлённый и падающий лучи и нормаль к плоскости падения компланарны; 2) угол падения равен углу отражения. Совместно с законом прямолинейного распространения света эти законы составляют основу геометрической оптики . Для понимания физ. особенностей, возникающих при О. с., таких, как изменение амплитуды, фазы, используется эл--магн. теория света, в основе к-рой лежат ур-ния Максвелла. Они устанавливают связь параметров отражённого света с оптич. характеристиками вещества - оптич. постоянными п и составляющими комплексного показателя преломленияп - отношение скорости в вакууме к фазовой скорости волны в веществе, - гл. безразмерный показатель поглощения. Параметры отражённого света могут быть получены из ур-ния волны, к-рое удовлетворяет решению ур-ний Максвелла:

где Е 0 - нач. амплитуда волны, распространяющейся в поглощающей среде, - круговая частота, - длина волны, z - направление распространения волны, t - время.
Величина связана с натуральным показателем поглощения к-рый обычно определяется из традиц. фотометрич. измерений (см. Бугера - Ламберта - Бера закон) . Параметр характеризует затухание амплитуды световой волны, к-рая при прохождении расстояния, равного ослабляется в е раз.
Это расстояние может служить мерой глубины проникновения света в приграничный слой поглощающего вещества, где происходит формирование отражённой волны. В слабо поглощающем веществе (< 0,1) свет проникает на глубину порядка, а при сильном поглощении ( 0,1) глубина проникновения намного меньше. При О. с. от границы с сильно поглощающим веществом эл--магн. волна не может проникнуть в эту среду на значит. глубину, в результате чего поглощается только малая часть энергии и на малом участке пути, а большая часть отражается.
При падении световой волны по нормали к идеально плоской поверхности амплитуды отражённой и преломлённой световых волн могут быть получены из ур-ния волны в предположении непрерывности тангенциальных составляющих электрич. вектора при переходе из одной среды в другую. С учётом оптич. свойств границы раздела сред непосредственно получают связь между амплитудами волн падающей, отражённой и прошедшей. При нормальном падении света амплитудный коэф. отражения

где n 1 и - показатели преломления граничащих сред.

Энергетич. коэф. отражения, характеризующий мощность отражённой волны R = | r | 2 , а для границы воздух - среда

Рис. 3. Спектры коэффициентов отражения диэлектрика (-кварц), металла (Аu) и монокристаллического графита.

В поглощающих средах (хорошо проводящих металлах) падающая волна поглощается практически полностью с тонком (~10 нм) слое; энергия её превращается в энергию движения электронной плазмы. Движущиеся электроны излучают, в результате чего формируется отражённая волна, уносящая до 99% энергии (подробнее см. Металлооптика ).
Спектры отражения в УФ-, видимой и ИК-областях типичного представителя металлов (Аu) и диэлектриков ("-кварц) представлены на рис. 3. Хорошо виден общий резонансный характер О. с. в УФ-области у -кварца и золота, тогда как в ИК-области обнаруживаются качеств. различия: у-кварца no-прежпему ярко выражена резонансная структура полос в спектре О. с., а у золота - неселективиое отражение, характерное для свободных носителей электрич. заряда. В промежуточной - видимой области в спектре О. с. золота с ростом происходит быстрое нарастание коэф. отражения. Спектр О. с. полуметалла (графит) в УФ-области имеет те же общие черты, а в ИК-области носит промежуточный характер, приближаясь с ростом к спектру металлов. Резонансные колебания кристаллич. решётки графита выражены в спектре О. с. в виде весьма слабых полос на фоне интенсивного неселективного отражения, обусловленного свободными носителями.
При рассмотренном выше О. с. предполагалось наличие идеально гладкой плоской отражающей границы. Реальная поверхность имеет микронеровности конечной высоты, трещины, адсорбиров. воду и т. п. Для точного измерения параметров отражённого света, на к-рые влияют тончайшие поверхностные слои, необходимы исключительно тщательная хим. очистка поверхности и устранение дефектов и нарушений структуры, вызванных обработкой. Наличие микрорельефа приводит к нерегулярному рассеянию света по разным направлениям, причём для высококачеств. полировки потери на рассеяние могут составлять ~ 2 х 10 -5 от мощности падающего света. Если высота микронеровностей h то отражение диффузное; при h отражение зеркальное. Коэф. зеркального О. с. от поверхности при нормальном падении в хорошем приближении описывается ф-лой где R 0 - отражение идеально гладкой поверхности. Металлич. зеркало, у к-рого потери на диффузное отражение составляют не более 0,1%, должно иметь h в видимом диапазоне. При наклонном падении и при переходе в ИК-область требования к качеству полировки снижаются.
Диффузное О. с. представляет собой рассеивание света во всевозможных направлениях телом, к-рое имеет шероховатую поверхность либо обладает внутр. неоднородной структурой, ведущей к в его объёме. О. с. от шероховатой поверхности, представляющей собой совокупность различным образом ориентированных площадок с размерами сводится к отражению света этими площадками в соответствии с ф-лами Френеля; угл. распределение яркости и поляризации диффузно отражённого света целиком определяется характером стохастич. распределения площадок по ориентациям.
Если О. с. обусловлено рассеянием на неоднородно-стях внутр. структуры самого тела (порошки, эмульсии, облака и т. п.), то явление носит объёмный характер и его закономерности определяются эффектами многократного рассеяния света, проникшего в тело. В этом случае даже слабое поглощение внутри тела приводит к резкому ослаблению многократно рассеянного света и уменьшению отражат. способности. Для очень тонких или сильно поглощающих сред существенно только однократное рассеяние, b вследствие чего отражат. способность пропори,. (и - объёмные коэф. рассеяния и поглощения). Т. к. и зависят от степени дисперсности рассеивающего вещества, то и отражат. способность зависит от дисперсности: увеличивается по мере измельчения рассеивающих частиц. Поляризация отражённого света также зависит от величины Угл. распределение отражённого света определяется видом матрицы рассеяния и меняется с изменением и оптич. толщины слоя.
Для поверхностей, равномерно рассеивающих свет, часто пользуются (напр., при светотехн. расчётах) Ламберта законом ,согласно к-рому яркость диффузио отражающего тела пропорц. его освещённости и не зависит от направления, в к-ром она рассматривается. Однако закон этот выполняется очень приближённо, лишь для тел с высокой отражат. способностью и под углами наблюдения < 60°.

О. с. от нелинейных сред . При больших мощностях световых (лазерных) полей (10 8 - 10 10 Вт/см 2) обнаруживается нелинейность среды, к-рая может сказаться на О. с. Так, напр.. при отражении от нелинейной среды (монокристалл CaAs) может возникать 2-я гармоника, если среда прозрачна для осн. частоты, но поглощает гармонику. При падении на нелинейную среду двух волн с частотами и возникает отражённая волна на суммарной частоте (кроме обычных отражённых волн и). Интенсивность гармоники в отражённом свете имеет заметную величину при соблюдении фазового синхронизма . Необходимые условия синхронизма могут осуществляться разными способами. Напр., при отражении от кристалла подбирают условия (выбором ориентации осей), когда осн. волна - обыкновенная, а 2-я гармоника - необыкновенная; тогда в нек-ром направлении скорость гармоники необыкновенной волны равна скорости основной обыкновенной. Благоприятные условия для синхронизма получаются при полном внутр. отражении, когда направление согласования фаз в кристалле лежит в отражающей плоскости, а угол падения соответствует для 2-й гармоники. При отражении мощной падающей волны наблюдается ряд параметрич. эффектов, связанных с оптич. Керра эффектом ,с электрострикцией , с локальными нагревами и т. п. и приводящих к отступлению от ф-л Френеля (см. Нелинейная оптика ).
Все несветящиеся предметы видны благодаря диффузному О. с. Если поверхность отражает зеркально, то видна не сама граница раздела, а изображения предметов, полученные при отражении от этой поверхности. О. с. может оказывать и вредное воздействие, приводя, напр., к появлению "бликов", уменьшению яркости и контрастности изображения. В этих случаях стараются уменьшить О. с., нанося на поверхность оптич. деталей спец. тонкие слои (см. Просветление оптики ).
О. с. широко используется для определения оптич. характеристик вещества, выяснения его структуры, свойств, особенно в тех случаях, когда исследования на пропускание трудны или невозможны; в , напр. в методе нарушенного полного внутр. отражения, к-рый даёт информацию о структуре поверхностных слоев, что важно для теории адсорбции, поверхностных и граничных явлений, катализа и т. п.

Лит.: Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Борн М., Вольф Э. . Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Кизель В. А., Отражение света , М., 1973; Золотарев В. М., Морозов В. Н., Смирнова Е. В.. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник, Л., 1984.

В. М. Золотарёв .

Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, происходит отражение света: луч изменяет направление своего хода и возвращается в исходную среду.

На рис. 4.2 изображены падающий луч AO, отражённый луч OB, а также перпендикуляр OC, проведённый к отражающей поверхности KL в точке падения O.

Рис. 4.2. Закон отражения

Угол AOC называется углом падения. Обратите внимание и запомните: угол падения отсчитывается от перпендикуляра к отражающей поверхности, а не от самой поверхности! Точно так же угол отражения это угол BOC, образованный отражённым лучом и перпендикуляром к поверхности.

4.2.1 Закон отражения

Сейчас мы сформулируем один из самых древних законов физики. Он был известен грекам ещё в античности!

Закон отражения.

1) Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точке падения, лежат в одной плоскости.

2) Угол отражения равен углу падения.

Таким образом, \AOC = \BOC, что и показано на рис. 4.2 .

Закон отражения имеет одно простое, но очень важное геометрическое следствие. Давайте посмотрим на рис. 4.3 . Пусть из точки A исходит световой луч. Построим точку A0 , симметричную точке A относительно отражающей поверхности KL.

Рис. 4.3. Отражённый луч выходит из точки A0

Из симметрии точек A и A0 ясно, что \AOK = \A0 OK. Кроме того, \AOK + \AOC = 90 . Поэтому \A0 OB = 2(\AOK + \AOC) = 180 , и, следовательно, точки A0 , O и B лежат на одной прямой! Отражённый луч OB как бы выходит из точки A0 , симметричной точке A

относительно отражающей поверхности. Данный факт нам чрезвычайно пригодится в самом скором времени.

Закон отражения описывает ход отдельных световых лучей узких пучков света. Но во многих случаях пучок является достаточно широким, то есть состоит из множества параллельных лучей. Картина отражения широкого пучка света будет зависеть от свойств отражающей поверхности.

Если поверхность является неровной, то после отражения параллельность лучей нарушится. В качестве примера на рис. 4.4 показано отражение от волнообразной поверхности. Отражённые лучи, как видим, идут в самых разных направлениях.

Рис. 4.4. Отражение от волнообразной поверхности

Но что значит ¾неровная¿ поверхность? Какие поверхности являются ¾ровными¿? Ответ таков: поверхность считается неровной, если размеры её неровностей не меньше длины световых волн. Так, на рис. 4.4 характерный размер неровностей на несколько порядков превышает величину длин волн видимого света.

Поверхность с микроскопическими неровностями, соизмеримыми с длинами волн видимого света, называется матовой. В результате отражения параллельного пучка от матовой поверхности получается рассеянный свет лучи такого света идут во всевозможных направлениях3 . Само отражение от матовой поверхности называется поэтому рассеянным или диффузным4 .

Если же размер неровностей поверхности меньше длины световой волны, то такая поверхность называется зеркальной. При отражении от зеркальной поверхности параллельность пучка сохраняется: отражённые лучи также идут параллельно (рис. 4.5 ).

Рис. 4.5. Отражение от зеркальной поверхности

Приблизительно зеркальной является гладкая поверхность воды, стекла или отполированного металла. Отражение от зеркальной поверхности называется соответственно зеркальным. Нас будет интересовать простой, но важный частный случай зеркального отражения отражение в плоском зеркале.

4.2.2 Плоское зеркало

Плоское зеркало это часть плоскости, зеркально отражающая свет. Плоское зеркало привычная вещь; таких зеркал несколько в вашем доме. Но теперь мы сможем разобраться, почему, смотрясь в зеркало, вы видите в нём отражение себя и находящихся рядом с вами предметов.

Точечный источник света S на рис. 4.6 испускает лучи в разных направлениях; давайте возьмём два близких луча, падающих на плоское зеркало. Мы уже знаем, что отражённые лучи

3 Именно поэтому мы видим окружающие предметы: они отражают рассеянный свет, который мы и наблюдаем с любого ракурса.

4 Латинское слово di usio как раз и означает распространение, растекание, рассеивание.

пойдут так, будто они исходят из точки S0 , симмметричной точке S относительно плоскости зеркала.

Рис. 4.6. Изображение источника света в плоском зеркале

Самое интересное начинается, когда расходящиеся отражённые лучи попадают к нам в глаз. Особенность нашего сознания состоит в том, что мозг достраивает расходящийся пучок, продолжая его за зеркало до пересечения в точке S0 . Нам кажется, что отражённые лучи исходят из точки S0 мы видим там светящуюся точку!

Эта точка служит изображением источника света S. Конечно, в реальности ничего за зеркалом не светится, никакая энергия там не сосредоточена это иллюзия, обман зрения, порождение нашего сознания. Поэтому точка S0 называется мнимым изображением источника S. В точке S0 пересекаются не сами световые лучи, а их мысленные продолжения ¾в зазеркалье¿.

Ясно, что изображение S0 будет существовать независимо от размеров зеркала и от того, находится ли источник непосредственно над зеркалом или нет (рис.4.7 ). Важно только, чтобы отражённые от зеркала лучи попадали в глаз а уж глаз сам сформирует изображение источника.

Рис. 4.7. Источник не над зеркалом: изображение есть всё равно

От расположения источника и размеров зеркала зависит область видения пространственная область, из которой видно изображение источника. Область видения задаётся краями K и L зеркала KL. Построение области видения изображения S0 ясно из рис.4.8 ; искомая область видения выделена серым фоном.

Темы кодификатора ЕГЭ: закон отражения света, построение изображений в плоском зеркале.

Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, происходит отражение света: луч изменяет направление своего хода и возвращается в исходную среду.

На рис. 1 изображены падающий луч , отражённый луч , а также перпендикуляр , проведённый к отражающей поверхности в точке падения .

Рис. 1. Закон отражения

Угол называется углом падения. Обратите внимание и запомните: угол падения отсчитывается от перпендикуляра к отражающей поверхности, а не от самой поверхности! Точно так же угол отражения - это угол , образованный отражённым лучом и перпендикуляром к поверхности.

Закон отражения.

Сейчас мы сформулируем один из самых древних законов физики. Он был известен грекам ещё в античности!

Закон отражения.
1) Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Угол отражения равен углу падения.

Таким образом, , что и показано на рис. 1 .

Закон отражения имеет одно простое, но очень важное геометрическое следствие. Давайте посмотрим на рис. 2 . Пусть из точки исходит световой луч. Построим точку , симметричную точке относительно отражающей поверхности .

Из симметрии точек и ясно, что . Кроме того, . Поэтому , и, следовательно, точки лежат на одной прямой! Отражённый луч как бы выходит из точки , симметричной точке относительно отражающей поверхности. Данный факт нам чрезвычайно пригодится в самом скором времени.

Закон отражения описывает ход отдельных световых лучей - узких пучков света. Но во многих случаях пучок является достаточно широким, то есть состоит из множества параллельных лучей. Картина отражения широкого пучка света будет зависеть от свойств отражающей поверхности.

Если поверхность является неровной, то после отражения параллельность лучей нарушится. В качестве примера на рис. 3 показано отражение от волнообразной поверхности. Отражённые лучи, как видим, идут в самых разных направлениях.

Но что значит "неровная" поверхность? Какие поверхности являются "ровными"? Ответ таков: поверхность считается неровной, если размеры её неровностей не меньше длины световых волн. Так, на рис. 3 характерный размер неровностей на несколько порядков превышает величину длин волн видимого света.

Поверхность с микроскопическими неровностями, соизмеримыми с длинами волн видимого света, называется матовой. В результате отражения параллельного пучка от матовой поверхности получается рассеянный свет - лучи такого света идут во всевозможных направлениях. (Именно поэтому мы видим окружающие предметы: они отражают рассеянный свет, который мы и наблюдаем с любого ракурса.)
Само отражение от матовой поверхности называется поэтому рассеянным или диффузным . (Латинское слово diffusio как раз и означает распространение, растекание, рассеивание.)

Если же размер неровностей поверхности меньше длины световой волны, то такая поверхность называется зеркальной . При отражении от зеркальной поверхности параллельность пучка сохраняется: отражённые лучи также идут параллельно (рис. 4 )

Приблизительно зеркальной является гладкая поверхность воды, стекла или отполированного металла. Отражение от зеркальной поверхности называется соответственно зеркальным . Нас будет интересовать простой, но важный частный случай зеркального отражения - отражение в плоском зеркале.

Плоское зеркало.

Плоское зеркало - это часть плоскости, зеркально отражающая свет. Плоское зеркало - привычная вещь; таких зеркал несколько в вашем доме. Но теперь мы сможем разобраться, почему, смотрясь в зеркало, вы видите в нём отражение себя и находящихся рядом с вами предметов.

Точечный источник света на рис. 5 испускает лучи в разных направлениях; давайте возьмём два близких луча, падающих на плоское зеркало. Мы уже знаем, что отражённые лучи пойдут так, будто они исходят из точки , симметричной точке относительно плоскости зеркала.

Самое интересное начинается, когда расходящиеся отражённые лучи попадают к нам в глаз. Особенность нашего сознания состоит в том, что мозг достраивает расходящийся пучок, продолжая его за зеркало до пересечения в точке . Нам кажется, что отражённые лучи исходят из точки - мы видим там светящуюся точку!

Эта точка служит изображением источника света Конечно, в реальности ничего за зеркалом не светится, никакая энергия там не сосредоточена - это иллюзия, обман зрения, порождение нашего сознания. Поэтому точка называется мнимым изображением источника . В точке пересекаются не сами световые лучи, а их мысленные продолжения "в зазеркалье".

Ясно, что изображение будет существовать независимо от размеров зеркала и от того, находится ли источник непосредственно над зеркалом или нет (рис. 6 ). Важно только, что-бы отражённые от зеркала лучи попадали в глаз - а уж глаз сам сформирует изображение источника.

От расположения источника и размеров зеркала зависит область видения - пространственная область, из которой видно изображение источника. Область видения задаётся краями и зеркала . Построение области видения изображения ясно из рис. 7 ; искомая область видения выделена серым фоном.

Как построить изображение произвольного предмета в плоском зеркале? Для этого достаточно найти изображение каждой точки этого предмета. Но мы знаем, что изображение точки симметрично самой точке относительно зеркала. Следовательно, изображение предмета в плоском зеркале симметрично предмету относительно плоскости зеркала (рис. 8 ).

Расположение предмета относительно зеркала и размеры самого зеркала не влияют на изображение (рис. 9 ).