Zákon reflexe světla: definice a formulace

Sluneční světlo je elektromagnetické záření, proto je charakterizováno takovými jevy, jako je odraz a lom. Zvažte zákon odrazu světla během jeho přechodu z jednoho média na druhé, přičemž použijte reprezentaci viditelných elektromagnetických vln ve formě paprsků.

Reflexe a lom světla

Jak je dobře známo, světlo se propaguje přímočaře v jakémkoliv homogenním průhledném médiu. Jakmile paprsek světla dosáhne rozhraní dvou průhledných médií, objeví se s ním dva jevy:

1. Jedna část světelného paprsku se odráží zpět do prvního průhledného média pod určitým úhlem, to znamená, že se odráží.
2. Druhá část světelného paprsku proniká do druhého média a dále se v něm rozšiřuje, ale současně mění směr šíření světelného paprsku o určitý úhel, to znamená, že je přemostěn.

Oba jevy jsou popsány pomocí zákonů reflexe a refrakce světla.

Tyto fyzikální jevy jsou znázorněny na následujícím obrázku, ve kterém lze vidět, že dopadající paprsek světla při průchodu hranicí dvou průhledných médií je rozdělen do dvou paprsků, jeden z nich (menší) se odráží a druhý paprsek (větší) se dále šíří a prochází do druhého média.

Zákony odrazu světla

Odraz světla ve fyzice se chápe jako změna ve směru šíření vlny poté, co spadá na hranici mezi dvěma médii, v níž se vlna vrací do média, ze kterého pochází.

Poté, co byl formulován zákon reflexe světla, poznamenáváme, že díky existenci tohoto jevu lze obrazy různých objektů vidět v zrcadle, na povrchu vody nebo na nějakém jiném lesklém povrchu. Fyzicky se odraz světla objevuje, když světlo dopadá na povrch, srazí se s ním a vrací se do původního prostředí jeho šíření, tvořící úhel přesně rovný úhlu paprsku dopadaného na tento povrch. Tento povrch se nazývá reflexní. Na rozdíl od fenoménu lomu je fenomén odrazu změnou ve směru šíření vln ve stejném médiu.

Ve fyzice jsou zákony reflexe světla formulovány takto:

1. Trám dopadaný na povrch rozhraní média, odražený paprsek a normální na tento povrch leží ve stejné rovině.
2. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Vzorec pro zákon o odrazu světla je: θ _pad. = θ _Ref. .

Zrcadlový a difúzní odraz

Reflexní povrch může být hladký, ale může mít i nárazy. V tomto ohledu existují dva typy odrazu světla:

1. Zrcadlo. Pokud jsou nepravidelnosti na odrazné ploše malé ve srovnání s délkou incidentní vlny, světelný paprsek se odráží v určitém směru. Zde můžete uvést příklad povrchu plochého zrcadla, zákon o odrazu světla, pro který můžete aplikovat.
2. Difúze Pokud jsou povrchové nepravidelnosti srovnatelné s vlnovou délkou světla, pak se každá část dopadajícího paprsku odráží od různých nepravidelností a zákon odrazu světla zůstává pravdivý pro každou skutečnost odrazu, ale protože odražené světelné paprsky se začínají šířit různými směry, ukazuje se, že počáteční paprsek se rozdělí do mnoha malé strapce. V takových případech se říká, že světlo je rozptýlené. Příkladem difúzního odrazu je odraz světla z dřevěného povrchu.

Tak, pokud po zrcadlový odraz světlo se šíří v určitém směru, pak po difúzním odrazu se světlo "stříká".

Kvantově-mechanické ospravedlnění procesu reflexe

Světlo je paprsek fotonů různých frekvencí. Jakákoli interakce fotonů s hmotou je popsána procesy absorpce a emise. Když foton dosáhne molekuly látky, okamžitě ji vstřebá, přenáší svůj elektronový plášť na excitovaný stav, tj. Do stavu se zvýšenou energií. Téměř bezprostředně po absorpci fotonu proniká elektronový systém do základního stavu a tento proces je doprovázen emisí fotonu v libovolném směru. Zákon odrazu světla z kvantově-mechanického hlediska je vysvětlen jako nejpravděpodobnější směr emise fotonů, který je pozorován ve formě reflexe.

Fenomén zpětného odrazu

Fenomén retroreflexe nebo retroreflexe je schopnost některých povrchů nebo objektů odrážet paprsek světla, který na ně dopadá, zpět na zdroj, ze kterého pochází, bez ohledu na úhel, na němž na ně dopadá světlo.

Toto chování lze pozorovat v případě plochého zrcadla, ale pouze tehdy, když na něj dopadá svislý paprsek kolmo, to znamená, že úhel dopadu je 90 °.

Jednoduchý zpětný reflektor lze provést spojením dvou zrcadel kolmo k sobě. Obraz, který dává takové zařízení, vždy stejnou velikost jako originál, ale bude obrácený. Nezáleží na tom, na jakém úhlu dopadnou světelné paprsky na tento odrazový reflektor, vždy to odráží o 180 °. Níže uvedený obrázek ukazuje tento odrazek a jeho fyzikální vlastnosti jsou demonstrovány.

Omezená retroreflekce a její použití

Fenomén obráceného odrazu je nyní široce používán ve výrobě automobilů, zejména při výrobě povrchu kovových desek, na kterých jsou čísla zapsána.

Pokud na povrchu položíte spoustu malých reflexních koulí, můžete se ujistit, že odráží světlo, které není přesně vzadu, ale v malém úhlu. V tomto případě se říká o omezené schopnosti retroreflektoru. Stejný efekt lze dosáhnout, pokud jsou na povrchu naneseny malé pyramidy namísto odrazu koulí.

Při výrobě místností pro automobily nepotřebuje reflektovat světlo dokonale dozadu, ale je nutné, aby odražený paprsek světla byl téměř paralelní s dopadajícím paprskem. Kvůli tomu se z těchto čísel odráží světlo, které spadá na čísla auta od světlometů jiného automobilu za ním, do očí řidiče a vidí číslo, které se pohybuje před vozem.

Retroreflekce a optické odchylky

Optická aberace je fenomén ve fyzice, ve kterém obraz získaný v optickém systému je fuzzy. K tomu dochází, protože světelný paprsek vystupující z určitého místa objektu se nevrací přesně na jeden bod. Důvody pro aberaci mohou být geometrické nedokonalosti optických systémů, stejně jako různá odrazivost pro různé vlnové délky viditelného světla.

Retroreflekce slouží k vyrovnání optických odchylek. Jednoduše se to dělá, obraz objektu získaného v optickém systému přes zpětný reflektor je přesměrován do tohoto systému. Funkcí retroreflektoru je nejen to, že vrací všechny paprsky, které na něj spadají, ale také mění přední vlnu elektromagnetické vlny na opačné.

Refrakce a zákon úplného odrazu světla

Refrakcí světla rozumíme změnu ve směru jeho šíření při průchodu hranicemi média s různými optickými vlastnostmi. Zejména rychlost šíření světla v různých průhledných médiích je odlišná a je vždy méně rychlost světla ve vakuu.

Popisuje jev vstřikování refrakce světla index lomu střední n, která se rovná poměru rychlostí světla ve vakuu a médiu, tj. n = c / v. Zákon refrakce světla je matematicky vyjádřen následovně: sin (θ _pad ) / Sin (θ _pref. ) = N ₂ / n ₁ = v ₁ / v ₂ , zde θ _pad. - úhel mezi dopadajícím paprskem a normálem k povrchu, θ _ref. - úhel mezi lomem lomu a normálem k povrchu, n ₁ , v ₁ a n ₂ , v ₂ - index lomu a rychlost šíření světla pro první médium a pro druhé médium.

Jak bylo uvedeno výše, když světlo prochází okrajem dvou průhledných médií, dochází k odrazům a lomím. Je-li _předem. = 90 °, pak přemostěný paprsek bude rovnoběžně s povrchem, jinými slovy, nebude pozorován. Tato situace je možná za předpokladu, že úhel θ _pad. větší než nějaký kritický úhel θ _cr. , a n ₁ > n ₂ . Kritický úhel se určuje takto: θ _cr. = arcsin (n ₂ / n ₁ ). Každý paprsek světla dopadá na tento povrch pod úhlem větším než θ _cr. , zažívá plné reflexe.

Aplikace fenoménu celkové reflexe

Fenomén úplné reflexe používá člověk v různých oblastech života. Nejoblíbenějším používáním je optické vlákno používané v telekomunikacích a lékařství.

Jednoduše řečeno, optické vlákno je ohebný kabel vyrobený z průhledného materiálu, jehož index lomu je větší než index lomu média obklopujícího tento kabel. Výsledkem je, že paprsek světla vypáleného pod určitým úhlem uvnitř takového vlákna dosáhne svého opačného konce prakticky bez ztráty své intenzity, protože na jeho cestě dochází pouze k plným odrazům.