Zákony odrazu světla a historie jejich objevů

Pozorováním a experimenty byl objeven zákon odrazu světla. Samozřejmě to lze odvodit teoreticky, ale všechny principy, které se nyní používají, byly definovány a podloženy v praxi. Znalost hlavních rysů tohoto jevu pomáhá při plánování osvětlení a výběru vybavení. Tento princip funguje i v jiných oblastech – rádiové vlny, rentgenové záření atd. chovat se v odrazu úplně stejně.

Jaký je odraz světla a jeho odrůdy, mechanismus

Zákon je formulován následovně: dopadající a odražené paprsky leží ve stejné rovině, mající kolmici k odrazné ploše, která vychází z místa dopadu. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

V podstatě je odraz fyzikální proces, při kterém paprsek, částice nebo záření interagují s rovinou. Směr vln se mění na rozhraní dvou prostředí, protože mají různé vlastnosti.Odražené světlo se vždy vrací do média, ze kterého přišlo. Nejčastěji při odrazu je pozorován i jev lomu vlnění.

Toto je schematické vysvětlení zákona odrazu světla.

Zrcadlový odraz

V tomto případě existuje jasný vztah mezi odraženými a dopadajícími paprsky, to je hlavní rys této odrůdy. Existuje několik hlavních bodů specifických pro zrcadlení:

1. Odražený paprsek je vždy v rovině, která prochází dopadajícím paprskem a normálou k odrazné ploše, která je v místě dopadu rekonstruována.
2. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu světelného paprsku.
3. Charakteristiky odraženého paprsku jsou úměrné polarizaci paprsku paprsku a jeho úhlu dopadu. Indikátor je také ovlivněn charakteristikami obou prostředí.

Při zrcadlovém odrazu jsou úhly dopadu a odrazu vždy stejné.

V tomto případě indexy lomu závisí na vlastnostech roviny a charakteristikách světla. Tento odraz lze nalézt všude tam, kde jsou hladké povrchy. Ale pro různá prostředí se podmínky a principy mohou změnit.

Totální vnitřní odraz

Typické pro zvukové a elektromagnetické vlny. Vyskytuje se v místě, kde se setkávají dvě prostředí. V tomto případě musí vlny padat z prostředí, ve kterém je rychlost šíření nižší. Pokud jde o světlo, můžeme říci, že indexy lomu se v tomto případě velmi zvyšují.

Pro vodní hladinu je charakteristický úplný vnitřní odraz.

Úhel dopadu světelného paprsku ovlivňuje úhel lomu. S nárůstem jeho hodnoty se intenzita odražených paprsků zvyšuje a lomených zmenšuje.Při dosažení určité kritické hodnoty indexy lomu klesají k nule, což vede k úplnému odrazu paprsků.

Kritický úhel se vypočítá individuálně pro různá média.

Difúzní odraz světla

Tato možnost se vyznačuje tím, že při dopadu na nerovný povrch se paprsky odrážejí v různých směrech. Odražené světlo se jednoduše rozptyluje a na nerovném nebo matném povrchu svůj odraz nevidíte. Jev difúze paprsku je pozorován, když jsou nepravidelnosti stejné nebo větší než vlnová délka.

V tomto případě může být jedna a tatáž rovina difúzně odrazivá pro světlo nebo ultrafialové záření, ale zároveň dobře odrážet infračervené spektrum. Vše závisí na vlastnostech vln a vlastnostech povrchu.

Difúzní odraz je chaotický kvůli nepravidelnostem na povrchu.

Zpětný odraz

Tento jev je pozorován, když se paprsky, vlny nebo jiné částice odrážejí zpět, tedy směrem ke zdroji. Tuto vlastnost lze využít v astronomii, přírodních vědách, medicíně, fotografii a dalších oblastech. Díky systému konvexních čoček v dalekohledech je možné vidět světlo hvězd, které nejsou viditelné pouhým okem.

Zpětný odraz lze ovládat kulovým tvarem odrazné plochy.

Je důležité vytvořit určité podmínky pro návrat světla ke zdroji, toho se dosahuje nejčastěji optikou a směrováním paprsků. Tento princip se využívá například při ultrazvukových studiích, díky odraženým ultrazvukovým vlnám se na monitoru zobrazí obraz zkoumaného orgánu.

Historie objevu zákonů odrazu

Tento jev je znám již dlouhou dobu.Poprvé byl odraz světla zmíněn v díle „Katoptrik“, které pochází z roku 200 před naším letopočtem. a napsaný starověkým řeckým učencem Eukleidem. První pokusy byly jednoduché, takže se v té době neobjevily žádné teoretické základy, ale byl to on, kdo tento fenomén objevil. V tomto případě byl použit Fermatův princip pro zrcadlové plochy.

Přečtěte si také

Jak rychle se světlo šíří ve vakuu

 

Fresnelovy vzorce

Auguste Fresnel byl francouzský fyzik, který vyvinul řadu vzorců, které jsou široce používány dodnes. Používají se při výpočtu intenzity a amplitudy odražených a lomených elektromagnetických vln. Zároveň musí procházet jasnou hranicí mezi dvěma prostředími s různými hodnotami lomu.

Všechny jevy, které odpovídají vzorcům francouzského fyzika, se nazývají Fresnelův odraz. Ale je třeba mít na paměti, že všechny odvozené zákony jsou platné pouze tehdy, když jsou média izotropní a hranice mezi nimi je jasná. V tomto případě je úhel dopadu vždy roven úhlu odrazu a hodnotu lomu určuje Snellův zákon.

Je důležité, že když světlo dopadá na rovný povrch, mohou existovat dva typy polarizace:

1. p-polarizace se vyznačuje tím, že vektor elektromagnetického pole leží v rovině dopadu.
2. s-polarizace se od prvního typu liší tím, že vektor intenzity elektromagnetického vlnění je umístěn kolmo k rovině, ve které leží dopadající i odražený paprsek.

Fresnel odvodil celou řadu vzorců, které umožňují provádět všechny potřebné výpočty.

Vzorce pro situace s různou polarizací se liší.To je způsobeno tím, že polarizace ovlivňuje vlastnosti paprsku a ten se odráží různými způsoby. Když světlo dopadá pod určitým úhlem, může být odražený paprsek zcela polarizován. Tento úhel se nazývá Brewsterův úhel, závisí na lomových charakteristikách média na rozhraní.

Mimochodem! Odražený paprsek je vždy polarizován, i když dopadající světlo bylo nepolarizované.

Huygensův princip

Huygens je holandský fyzik, kterému se podařilo odvodit principy, které umožňují popsat vlny jakékoli povahy. Právě s jeho pomocí nejčastěji dokazují jak zákon odrazu, tak zákon lomu světla.

Toto je nejjednodušší schematické znázornění Huygensova principu.

Světlo je v tomto případě chápáno jako vlna plochého tvaru, to znamená, že všechny vlnové plochy jsou ploché. V tomto případě je vlnová plocha množinou bodů s oscilacemi ve stejné fázi.

Formulace zní takto: každý bod, ke kterému došlo k poruchám, se následně stává zdrojem kulových vln.

Ve videu je velmi jednoduchými slovy pomocí grafiky a animace vysvětlen zákon z fyziky 8. třídy.

Fedorovova směna

Říká se mu také Fedorov-Emberův efekt. V tomto případě dochází k posunutí světelného paprsku s úplným vnitřním odrazem. V tomto případě je posun nevýznamný, vždy je menší než vlnová délka. Kvůli tomuto posunutí neleží odražený paprsek ve stejné rovině jako dopadající paprsek, což je v rozporu se zákonem odrazu světla.

Diplom za vědecký objev byl udělen F.I. Fedorov v roce 1980.

Boční posun paprsků teoreticky dokázal sovětský vědec v roce 1955 díky matematickým výpočtům. Pokud jde o experimentální potvrzení tohoto efektu, francouzská fyzička Amber to udělala o něco později.

Využití práva v praxi

Příklady odrazu světla jsou všudypřítomné.

Dotyčný zákon je mnohem běžnější, než se zdá. Tento princip je široce používán v různých oblastech:

1. Zrcadlo je nejjednodušší příklad. Jde o hladký povrch, který dobře odráží světlo a další druhy záření. Používají se jak ploché verze, tak prvky jiných tvarů, například kulové plochy umožňují oddalování předmětů, což je činí nepostradatelnými jako zpětná zrcátka v autě.
2. Různá optická zařízení funguje také díky uvažovaným principům. To zahrnuje vše od brýlí, které se nacházejí všude, až po výkonné dalekohledy s vypouklými čočkami nebo mikroskopy používané v medicíně a biologii.
3. Ultrazvukové přístroje také použít stejný princip. Ultrazvukové zařízení umožňuje přesné vyšetření. Rentgenové záření se šíří podle stejných principů.
4. mikrovlnné trouby - Další příklad aplikace předmětného zákona v praxi. Zahrnuje také všechna zařízení, která fungují díky infračervenému záření (například přístroje pro noční vidění).
5. konkávní zrcadla umožnit baterkám a lampám zvýšit výkon. V tomto případě může být výkon žárovky mnohem menší než bez použití zrcadlového prvku.

Mimochodem! Prostřednictvím odrazu světla vidíme měsíc a hvězdy.

Zákon odrazu světla vysvětluje mnoho přírodních jevů a znalost jeho vlastností umožnila vytvořit zařízení, které je v naší době široce používané.