Prawo odbicia światła: definicja i sformułowanie

Światło słoneczne jest promieniowaniem elektromagnetycznym, dlatego charakteryzuje się takimi zjawiskami jak odbicie i załamanie. Rozważ prawo odbicia światła podczas przejścia od jednego medium do drugiego, korzystając z reprezentacji widocznych fal elektromagnetycznych w postaci promieni.

Odbicie i załamanie światła

Jak wiadomo, światło rozchodzi się prostoliniowo w dowolnym homogenicznym przezroczystym ośrodku. Gdy tylko wiązka światła dociera do interfejsu dwóch przezroczystych mediów, pojawiają się dwa zjawiska:

1. Jedna część wiązki światła jest odbijana z powrotem do pierwszego przezroczystego medium pod pewnym kątem, to jest odbijane.
2. Druga część wiązki światła przenika do drugiego ośrodka i nadal się w nim rozpościera, ale jednocześnie zmienia kierunek jej propagacji o pewien kąt, czyli jest załamany.

Oba zjawiska opisane są odpowiednio za pomocą praw odbicia i załamania światła.

Te fizyczne zjawiska są pokazane na poniższym rysunku, na którym można zauważyć, że padający promień światła przechodząc przez granicę dwóch przezroczystych mediów jest podzielony na dwie wiązki, jedna z nich (mniejsza) jest odbijana, a druga wiązka (większa) dalej się dalej propaguje, przechodząc do innego ośrodka.

Prawa odbicia światła

Odbicie światła w fizyce rozumiane jest jako zmiana kierunku propagacji fal po upadku na granicy dwóch mediów, w której fala powraca do ośrodka, z którego pochodzi.

Po sformułowaniu prawa odbicia światła zauważamy, że dzięki istnieniu tego zjawiska obrazy różnych obiektów można zobaczyć w lustrze, na powierzchni wody lub na innej lśniącej powierzchni. Fizycznie odbicie światła następuje, gdy światło pada na powierzchnię, zderza się z nim i powraca do pierwotnego medium jego propagacji, tworząc kąt dokładnie równy kątowi wiązki padającej na tę powierzchnię. Ta powierzchnia nazywa się refleksyjną. W przeciwieństwie do zjawiska refrakcji, zjawisko odbicia jest zmianą kierunku propagacji fali w tym samym medium.

W fizyce prawa odbicia światła są sformułowane w następujący sposób:

1. Padająca wiązka na powierzchni interfejsu ośrodka, odbita wiązka i normalna do tej powierzchni leżą w tej samej płaszczyźnie.
2. Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Formuła prawa odbicia światła to: θ _podkładka. = θ _Ref. .

Odbicie lustrzane i dyfuzyjne

Powierzchnia odbijająca światło może być gładka, ale może również mieć guzy. W związku z tym istnieją dwa rodzaje odbicia światła:

1. Lustro. Jeśli nierówności na powierzchni odbijającej są niewielkie w porównaniu z długością fali padającej, wówczas wiązka światła jest odbijana w określonym kierunku. Tutaj możesz podać przykład powierzchni płaskiego lustra, prawa odbicia światła, dla którego możesz zastosować.
2. Dyfuzja Jeśli nierówności powierzchniowe są porównywalne do długości fali światła, to każda część wiązki padającej jest odbijana od różnych nieregularności, a prawo odbicia światła pozostaje prawdziwe dla każdego faktu odbicia, ale ponieważ odbite wiązki światła zaczynają rozprzestrzeniać się w różnych kierunkach, okazuje się, że początkowa wiązka dzieli się na wiele małe pęczki. W takich przypadkach mówi się, że światło jest rozproszone. Przykładem rozproszonego odbicia jest odbijanie światła od drewnianej powierzchni.

Tak więc, jeśli po odbicie lustrzane światło rozchodzi się w określonym kierunku, a następnie po rozproszonym odbiciu światło jest "rozpylane".

Kwantowo-mechaniczne uzasadnienie procesu refleksji

Światło jest wiązką fotonów o różnych częstotliwościach. Jakakolwiek interakcja fotonów z materią jest opisana poprzez procesy absorpcji i emisji. Gdy foton dociera do cząsteczki substancji, jest natychmiast absorbowany przez nią, przenosząc jej powłokę elektronową do stanu wzbudzonego, to znaczy do stanu o zwiększonej energii. Niemal natychmiast po absorpcji fotonu układ elektronów przechodzi w stan podstawowy, a procesowi temu towarzyszy emisja fotonu w dowolnym kierunku. Prawo odbicia światła z punktu widzenia mechaniki kwantowej jest wyjaśnione jako najbardziej prawdopodobny kierunek emisji fotonów, obserwowany w postaci odbicia.

Zjawisko odbicia wstecznego

Zjawisko odblasku lub odblasku jest zdolnością niektórych powierzchni lub przedmiotów do odbijania wiązki światła padającego na nie z powrotem do źródła, z którego przybyło, niezależnie od kąta, w którym światło pada na nie.

Takie zachowanie można zaobserwować w przypadku płaskiego lustra, ale tylko wtedy, gdy wiązka światła pada na nie prostopadle, to znaczy kąt padania wynosi 90 °.

Prosty retroreflektor można uzyskać, łącząc dwa lustra prostopadle do siebie. Obraz, który daje takie urządzenie, zawsze taki sam rozmiar jak oryginał, ale zostanie odwrócony. Nie ma znaczenia, pod jakim kątem promienie światła padają na ten retroreflektor, zawsze odbija je o 180 °. Poniższy rysunek pokazuje ten odblask retro, a jego właściwości fizyczne są zademonstrowane.

Ograniczone odblaski i ich wykorzystanie

Zjawisko odwróconego odbicia jest obecnie szeroko stosowane w produkcji samochodów, w szczególności przy wytwarzaniu powierzchni metalowych płyt, na których zapisane są liczby.

Jeśli umieścisz wiele małych odblaskowych kul na powierzchni, możesz upewnić się, że odbijają światło nie dokładnie z powrotem, ale pod niewielkim kątem. W tym przypadku mówią o ograniczonej zdolności retroreflektora. Ten sam efekt można osiągnąć, jeśli na powierzchni zostaną zastosowane małe piramidy zamiast odbijających sfer.

W produkcji pomieszczeń samochodowych nie trzeba dokładnie odbijać światła, ale konieczne jest, aby odbita wiązka światła była prawie równoległa do wiązki padającej. Z tego powodu światło padające na numery samochodu z reflektorów innego samochodu za nim jest odbijane od tych liczb, dostaje się do oczu kierowcy i widzi numer poruszający się przed samochodem.

Odbicia retro i aberracje optyczne

Aberracja optyczna jest zjawiskiem w fizyce, w którym obraz uzyskany w układzie optycznym jest niewyraźny. Dzieje się tak, ponieważ wiązka światła wychodząca z pewnego punktu obiektu nie powraca dokładnie do jednego punktu. Przyczyną aberracji mogą być niedoskonałości geometryczne układów optycznych, a także odmienny współczynnik odbicia dla różnych długości fali światła widzialnego.

Odbicie retro służy do wyrównania aberracji optycznych. Dokonuje się tego w prosty sposób, obraz obiektu uzyskanego w układzie optycznym przez reflektor jest przekierowywany do tego układu. Funkcja retroreflektora polega nie tylko na tym, że zwraca wszystkie promienie padające na nią, ale także zmienia front fal elektromagnetycznych na przeciwny.

Załamanie i prawo całkowitego odbicia światła

Przez refrakcję światła rozumiemy zmianę kierunku jej propagacji, gdy przechodzimy przez granicę mediów o różnych właściwościach optycznych. W szczególności prędkość propagacji światła w różnych przezroczystych mediach jest różna i zawsze jest mniejsza prędkość światła w próżni.

Aby opisać zjawisko refrakcji światła wstrzykniętego współczynnik załamania światła średni n, który jest równy stosunkowi prędkości światła w próżni i medium, to jest n = c / v. Prawo refrakcji światła jest matematycznie wyrażone następująco: sin (θ _pad. ) / Sin (θ _pref. ) = N ₂ / n ₁ = v ₁ / v ₂ , tutaj θ _pad. - kąt pomiędzy wiązką padającą a normalną do powierzchni, θ _odn. - kąt między załamanym promieniem a normalną powierzchnią, n ₁ , v ₁ i n ₂ , v ₂ - współczynnik załamania światła i prędkość propagacji światła odpowiednio dla pierwszego ośrodka i dla drugiego ośrodka.

Jak wspomniano powyżej, gdy światło przechodzi przez granicę dwóch przezroczystych mediów, występują odbite i załamane promienie. Jeśli θ jest _pre. = 90 °, następnie załamana wiązka będzie równoległa do powierzchni, innymi słowy, nie będzie obserwowana. Ta sytuacja jest możliwa pod warunkiem, że kąt θ _pad. większy niż jakiś kąt krytyczny θ _kr. , i n ₁ > n ₂ . Kąt krytyczny określa się w następujący sposób: θ _cr. = arcsin (n ₂ / n ₁ ). Każdy promień światła padający na tę powierzchnię pod kątem większym niż θ _cr. , przeżywa pełną refleksję.

Zastosowanie zjawiska całkowitej refleksji

Zjawisko całkowitej refleksji jest używane przez człowieka w różnych dziedzinach życia. Jego najpopularniejszym zastosowaniem jest światłowód stosowany w telekomunikacji i medycynie.

Mówiąc prosto, światłowód jest elastycznym kablem wykonanym z przeźroczystego materiału, którego współczynnik załamania jest większy niż współczynnik załamania światła otaczającego ten kabel. W rezultacie, wiązka światła wystrzelona pod określonym kątem wewnątrz takiego włókna osiąga swój przeciwny koniec praktycznie bez utraty jego intensywności, ponieważ po drodze odczuwa jedynie pełne odbicia.