Закон отражения света – это физическое явление, при котором свет, падающий из одной среды на границу раздела с другой средой, возвращается назад в первую среду.

Отражение света.

Человек видит источник света, когда луч, исходящий из этого источника, попадает в глаз. Если же тело не является источником, то глаз может воспринимать лучи от какого-либо источника, отраженные этим телом, то есть, упавшие на поверхность этого тела и изменившие при этом направление дальнейшего распространения. Тело, отражающее лучи, становится источником отраженного света. Упавшие на поверхность тела лучи изменяют направление дальнейшего распространения. При отражении свет возвращается в ту же среду, из которой он упал на поверхность тела. Тело, отражающее лучи, становится источником отраженного света.

Когда мы слышим это слово "отражение", прежде всего, нам вспоминается зеркало. В быту чаще всего используются плоские зеркала. С помощью плоского зеркала можно провести простой опыт, чтобы установить закон, по которому происходит отражение света.  При падении света на зеркальную поверхность свет отражается, причем луч падающий, луч отраженный и нормаль к отражающей поверхности лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения: q1 = q'1. Закон отражения справедлив как для плоских, так и для искривленных поверхностей. S1 - отражающая поверхность; S2 - плоскость падения; АО - падающий луч; ОВ - отраженный луч; ON - нормаль к отражающей поверхности. Закон отражения (q1 = q'1) определяет также направление отраженного луча при пересечении светом границы раздела прозрачных сред. Интенсивность и состояние поляризации отраженного света в этом случае определяется формулами Френеля. Пучок лучей, выходящих из точечного источника (т. е. гомоцентрический пучок), после отражения в плоском зеркале остается гомоцентрическим: если отраженные лучи мысленно продолжить назад, эти продолжения лучей пересекутся за зеркалом в одной точке, которую можно считать мнимым изображением источника. Источник и его изображение расположены симметрично относительно зеркала. Наблюдателю кажется, что отраженные от зеркала лучи выходят из точки S', расположенной за зеркалом симметрично точке S.   При отражении от плоской зеркальной поверхности световых лучей, исходящих от некоторого предмета, возникает мнимое изображение предмета. Предмет и его мнимое изображение располагаются симметрично относительно зеркальной поверхности. Изображение предмета в плоском зеркале равно по размеру самому предмету.   Мнимое изображение пространственного (трехмерного) предмета в плоском зеркале отличается от самого предмета как правая система координат отличается от левой (т.е. как правая рука отличается от левой).

Рис.1. Принцип Ферма и закон отражения

Действительно, на рис. 1 DADC=DFDC, тогда согласно постулату Герона:

min(AC+CB)=min(FC+CВ)=FВ=FO+OB=AO+OB => a=b

Здесь учтено, что кратчайший путь между двумя точками (F и B) будет по прямой FB через точку О.

Заметим, что аналогичным образом из принципа Ферма можно вывести закон преломления света.

   Закон отражения света.

Луч падающий, нормаль к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в однойплоскости (рис. 2), причем углы между лучами и нормалью равны между собой:угол падения i равен углу отражения i'. Этот закон также упоминается всочинениях Евклида. Установление его связано с употреблением полированныхметаллических поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную эпоху. Рис. 2 Закон отражения.                                                 Рис. 3 Закон преломления.

   Закон преломления света.

Преломление света – изменение направления распространения оптического излучения(света) при его прохождении через границу раздела однородных изотропныхпрозрачных (не поглощающих) сред с показателем преломления n₁ и n₂. Преломление света определяется следующими двумя закономерностями :преломленный луч лежит в плоскости , проходящей через падающий луч и нормаль(перпендикуляр) к поверхности раздела; углы падения φ ипреломления χ (рис.3) связаны законом преломления Снелля :

sinφ sinχ

n₁sinφ = n₂sinχ или        = n,где n – постоянная , не зависящая от углов φ и χ. Величина n –показатель преломления, определяется свойствами обеих сред, через границураздела которых проходит свет, и зависит также от цвета лучей.Преломление света сопровождается также отражением света.На рис. 3 ход лучей света при преломлении на плоской поверхности , разделяющейдве прозрачные среды. Пунктиром обозначен отраженный луч. Угол преломленияχ больше угла падения φ; это указывает, что в данном случаепроисходит преломление из оптически более плотной первой среды в оптическименее плотную вторую (n₁ > n₂), n – нормаль кповерхности раздела.Явление преломления света было известно уже Аристотелю. Попытка установитьколичественный закон принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г.н.э.), который предпринял измерение углов падения и преломления. Закон отражения и закон преломления также справедливы лишь при соблюденииизвестных условий. В том случае, когда размер отражающего зеркала или поверхности, разделяющей две среды, мал , мы наблюдаем заметные отступленияот указанных выше законов. Однако для обширной области явлений,  наблюдаемые в обычных оптических приборах, все перечисленные законы соблюдаются достаточно строго.

 

                  Отражение света при любых зеркалах.         

СФЕРИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА

Исходя, из закона отражения можно также решать задачи о кривых зеркалах, не только тех, что вешают в комнате смеха, но о сферических зеркалах используемых на транспорте, в фонариках и прожекторах, зеркале гиперболоида инженера Гарина.

На рис. 3, 4 показаны примеры построения изображения предмета в виде стрелки в вогнутом и выпуклом сферических зеркалах. Методы построения изображений аналогичны, применяемым к тонким линзам. Так, например, параллельный пучок лучей падающих, на вогнутое зеркало, собирается в одной точке - фокусе, который находится на фокусном расстоянии f от линзы, равном половине радиуса кривизны R зеркала.

Рис. 3. Построение изображения в вогнутом сферическом зеркале

В вогнутом зеркале действительное изображение - перевернутое, оно может быть увеличенным или уменьшенным в зависимости от расстояния между предметом и зеркалом, а мнимое - прямое и увеличенное, как в собирающей линзе. В выпуклом зеркале изображение всегда мнимое, прямое и уменьшенное, как в рассеивающей линзе.

Рис. 4. Построение изображения в выпуклом сферическом зеркале

К сферическим зеркалам применима формула, аналогичная формуле тонкой линзы:

1/a+1/b=1/f=2/R,

1/a-1/b=-1/f=-2/R,

где a и b - расстояния от предмета и изображения до линзы [1]. Первая из этих формул верна для вогнутого зеркала, вторая - для выпуклого.

 

                         

ЭЛЛИПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО

В этом случае точки Р и Р1 находятся внутри зеркальной поверхности. Принцип Ферма требует выполнения следующих равенств: Кривая, для каждой точки которой сумма расстояний до двух заданных точек (фокусов) имеет одно и то же значение, представляет собой эллипс. Поэтому фокусировка выходящих из точки Р лучей в заданной точке Р1 обеспечивается зеркалом в форме эллипсоида вращения с фокусами в точках Р и Р1.

 

При конструировании лазеров рубиновый стержень P и лампу оптической накачки располагают в фокусах зеркального оптического цилиндра. А этом случае свет, излученный лампой Л, весь попадет на стержень Р.

 

Если применяется несколько ламп, то используются совмещенные эллиптические отражатели.     ПАРАБОЛИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО

В этом случае параллельные лучи света идущие от бесконечно удаленного источника Р, должны собраться в одной точке Р1. Принцип Ферма требует выполнения следующих равенств: Из математики известно, что таким свойством обладает парабола, где точка Р1 - её фокус.

 

Параболическое зеркало - основной элемент телескопов- рефлекторов

При помощи таких телескопов удается изучать самые удаленные уголки Вселенной.

Спиральные галактики в созвездии Андромеды.

 

Для локации планет солнечной системы используют радиолокаторы, в основе которых лежит параболическое зеркало.

Радиолокация дает возможность "прощупать" рельеф поверхности планет, даже окутанных густыми облаками, сквозь которые в обычный телескоп поверхность не видна.

Радиолокационная карта Венеры.

                                             ПЛОСКОЕ ЗЕРКАЛО

Когда два зеркала расположены под углом друг к другу, образуется множество изображений предмета.

 

Уголковый отражатель обладает тем свойством, что под каким бы углом ни падал на него луч света, отраженный луч всегда будет параллелен падающему лучу.

 

Многократные отражения света  параллельными зеркалами используется в интерферометре Фабри-Перо, где зеркалами служат параллельные кварцевые пластины с нанесенными на них металлическими или многослойными диэлектрическими отражающими покрытиями.

 

 

Плоские зеркала используют в таком приборе, как перископ.

Перископ

(от греч. periskopéo - смотрю вокруг, осматриваю), оптический прибор для наблюдения из укрытий (окопов, блиндажей и др.), танков, подводных лодок. Многие П. позволяют измерять горизонтальные и вертикальные углы на местности и определять расстояние до наблюдаемых объектов. Устройство и оптические характеристики П. обусловлены его назначением, местом установки и глубиной укрытия, из которого ведётся наблюдение. Простейшим является вертикальный перископ, состоящий из вертикальной зрительной трубы и 2 зеркал, установленных под углом 45° к оси трубы и образующих оптическую систему, которая преломляет световые лучи, идущие от наблюдаемого предмета, и направляет их в глаз наблюдателя. Распространены призменные перископы, в трубе которых вместо зеркал установлены прямоугольные призмы, а также телескопическая линзовая система и оборачивающая система, с помощью которых можно получать увеличенное прямое изображение. Поле зрения перископ при малом увеличении (до 1,5 раза) составляет около 40°; оно обычно уменьшается с ростом увеличения. Некоторые типы перископ позволяют вести круговой обзор.

                                   

 

                                          Оптическая схема перископа

 

Впервые прототип перископа использовал Ливчак Иосиф Николаевич.  Ливчак Иосиф Николаевич [1839, с. Тисовы, близ г. Перемышль, - 27.10 (9.11).1914, Петроград], русский изобретатель в области полиграфии, военного дела и транспорта. С 1863 жил в Вене, где издавал сатирический журнал "Страхопуд" (1863-68), а также участвовал в издании журналов "Золотая грамота" (1864-1868) и "Славянская заря" (1867-68). Л. призывал к освобождению славянских земель из-под власти Австро-Венгрии и объединению их вокруг России. В начале 70-х гг. переехал в Россию, где занялся изобретательской деятельностью. Создал матрицевыбивательную наборную машину, которая в 1875 использовалась при наборе газеты "Виленский вестник". Изобрёл прицельный станок (1886), оптический прибор диаскоп (прототип перископа), отмеченный большой золотой медалью Парижской академии. Сконструировал указатель пути и скорости движения локомотива; за эту работу Русским техническим обществом награжден золотой медалью им. А. П. Бородина (1903).

               Заключение.

Изучив научную литературу и создав собственную модель перископа, я считаю, мне удалось достигнуть поставленных мною задач.

Также я считаю, что знать и применять в быту знания об отражении в плоском зеркале очень важно. Теперь я намного лучше разбираюсь в отражении света. Теперь мне будет намного проще изучать тему ”Оптика” в 11 классе.

 

 

                                    Список литературы.

 

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учебник для 11 кл. ОУ – М.:Просвещение, 2004.

2. Пинский А.А. Физика. Углубленно изучение физики: учеб. пособие. – М.:Просвещение, 1994.

3. Хилькевич С.С. Физика вокруг нас. – М.: Наука,1985 

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука,1980

5. Учебный справочник школьника. – Москва, Дрофа, 2005

6.  http://www.edu.yar.ru:8100/~pcollege/discover/99/s8/1b.html