Czym jest odbicie światła: rodzaje refleksji, prawa, zjawisko całkowitej wewnętrznej refleksji

Fizyczne zjawisko odbicia obserwowała każda osoba na świecie, gdy patrzył na siebie w lustrze. Efekt ten pojawia się, gdy widzimy niebo na powierzchni kałuży lub jeziora i blask z okapów samochodów. W artykule z fizycznego punktu widzenia rozważymy, co to jest - refleksja, a także powiemy, jakie urządzenia są używane.

Istota zjawiska fizycznego

Odbicie jest procesem gwałtownej zmiany kierunku propagacji fali świetlnej w pewnym przezroczystym medium, gdy ta fala napotyka dużą przeszkodę na swojej drodze. Tutaj przez duże wymiary rozumiemy geometryczne parametry przeszkody, znacznie przekraczające długość fali padającej.

Zjawisko to, w przeciwieństwie do refrakcji, wymaga tylko jednego przezroczystego materiału do jego istnienia. Przeszkodą może być absolutnie dowolny obiekt, na przykład metalowa płytka, lustro, arkusz papieru itp., Jak również interfejs między dwoma przezroczystymi nośnikami.

Jeśli przeszkoda jest wykonana z nieprzejrzystego materiału, wówczas część światła zostaje pochłonięta, a druga część zostaje odbita. Jeśli światło pada na styku mediów przezroczystych, część wiązki zostaje załamana, a część odbita.

Rodzaje refleksji

Zasadniczo istnieją dwa typy:

• lustro;
• rozproszone.

Pierwszy rodzaj odbicia to proces, w którym grubość padającego i odbitego światła nie ulega zmianie. W przypadku odbicia rozproszonego odbita wiązka jest rozproszona. Przyczyna tego zachowania leży w strukturze powierzchniowej warstwy przeszkody. Jeśli powierzchnia jest gładka (lustro, powierzchnia wody), to jest odbicie lustrzane. Jeśli na powierzchni przeszkody występują nierówności o różnych rozmiarach, obserwowane jest odbicie rozproszone.

Tym, co łączy oba rodzaje, jest przestrzeganie tych samych praw fizycznych.

Prawa do refleksji

Powstały w czasach starożytnych (dzieła Czapli Aleksandryjskiej i Ptolemeusza), ale otrzymały fizyczne uzasadnienie dopiero w połowie XVII wieku, kiedy to Francuz Pierre Fermat sformułował swoją zasadę.

Jeśli przez punkt, w którym wiązka pada napotka przeszkodę, narysuj normalne N na powierzchni tej przeszkody, oznacz to kąty między promieniem normalnym i padającym, a normalne i promień odzwierciedlone jako θ ₁ i θ ₂ , to prawa fizyczne rozpatrywanego zjawiska są sformułowane w następujący sposób:

• Promień jest odbijany w tej samej płaszczyźnie co wiązka padająca i normalna N.
• Kąty θ ₁ i θ _{2 są} zawsze sobie równe.

Wspomniana zasada Fermat stwierdza, że ​​światło porusza się zawsze po takiej trajektorii między dwoma punktami, aby czas ruchu był minimalny. Stosując tę ​​zasadę, można łatwo pokazać ważność sformułowanych praw odbicia promienia światła.

Odbicie w sferycznych lusterkach

Okazuje się, że zjawisko odbicia jest procesem, który można wykorzystać do zwiększenia lub zmniejszenia rzeczywistych obiektów. Odbywa się to za pomocą wypukłych i wklęsłych lusterek. Obiekty te są lustrzaną powierzchnią znajdującą się na sferycznym segmencie.

Aby zbudować obraz w tych lustrach, należy znać zachowanie trzech promieni:

• odbicie promienia pokrywa się z samym promieniem, jeśli pada na lustro, przechodząc przez jego środek C;
• przechodząc przez ognisko F, ​​wiązka jest zawsze odbijana równolegle do osi lustra;
• wszystkie równoległe wiązki światła odbijają się w ognisku F.

Jak budować obrazy w różnych typach luster pokazano na poniższym rysunku.

Zwierciadła wypukłe są obecnie stosowane w celu zwiększenia kąta widzenia kierowców, a także w produkcji teleskopów refraktorowych.

Wewnętrzna pełna refleksja

Jak wspomniano powyżej, odbiciom zawsze towarzyszy utrata intensywności wiązki padającej. Nawet w przypadku odbicia w lustrze traci się około 5-10% energii. Jednak w przyrodzie istnieje zjawisko, w którym odbicie jest w 100%, więc nazywa się ono pełne.

Pełne odbicie występuje tylko na granicy między przezroczystymi mediami, a gęstość optyczna pierwszego powinna być większa niż druga. Co więcej, kąt padania światła musi przekraczać wartość krytyczną, która zależy od współczynników załamania obu mediów. Na przykład dla pary woda-powietrze kąt krytyczny wynosi 48,75.

Pełne odbicie jest stosowane w światłowodach. Dzięki nim energia elektromagnetyczna może być transmitowana bez strat na dowolną odległość.