Что это отражение света: виды отражения, законы, явление полного внутреннего отражения

Физическое явление отражения наблюдал каждый человек в мире, когда смотрел на себя в зеркало. Это эффект проявляется, когда мы видим небеса на поверхности лужи или озера и слепящий свет от капотов машин. В статье с физической точки зрения рассмотрим, что это — отражение, а также расскажем, в каких устройствах оно применяется.

Суть физического явления

Отражение - это процесс резкого изменения направления распространения световой волны в некоторой прозрачной среде, когда эта волна на своем пути встречает препятствие больших размеров. Здесь под большими размерами имеются в виду геометрические параметры препятствия, намного превосходящие длину падающей волны.

Это явление, в отличие от преломления, для своего существования нуждается только в одном прозрачном материале. Препятствием может служить совершенно любой объект, например, металлическая пластина, зеркало, лист бумаги и так далее, а также поверхность раздела двух прозрачных сред.

Если препятствие изготовлено из непрозрачного материала, то часть света поглощается, а вторая часть - отражается. Если же свет падает на поверхность раздела прозрачных сред, тогда часть луча преломляется, а часть - отражается.

Виды отражения

В общем случае выделяют два вида:

• зеркальное;
• диффузное.

Первый вид отражения - это процесс, при котором толщина падающего и отраженного световых пучков не изменяется. В случае же диффузного отражения происходит рассеивание отраженного пучка. Причина такого поведения кроется в структуре поверхностного слоя препятствия. Если поверхность является гладкой (зеркало, водная гладь), тогда имеет место зеркальное отражение. Если же на поверхности препятствия есть шероховатости различных размеров, тогда наблюдается диффузное отражение.

Объединяет оба вида то, что подчиняются они одним и тем же физическим законам.

Законы отражения

Установлены они были еще в античное время (работы Герона Александрийского и Птолемея), однако физическое обоснование получили только в середине XVII века, когда француз Пьер Ферма сформулировал свой принцип.

Если через точку, где падающий луч встречает препятствие, провести нормаль N к поверхности этого препятствия обозначить углы между нормалью и падающим лучом и нормалью и лучом отраженным как θ1 и θ2, тогда физические законы для рассматриваемого явления формулируются так:

• Отражение луча происходит в той же плоскости, в которой находятся луч падающий и нормаль N.
• Углы θ1 и θ2 всегда равны друг другу.

Упомянутый принцип Ферма утверждает, что свет всегда движется по такой траектории между двумя точками, чтобы время движения было минимально. Применяя этот принцип, можно легко показать справедливость сформулированных законов отражения луча света.

Отражение в сферических зеркалах

Оказывается, явление отражения - это процесс, который можно использовать для увеличения или уменьшения реальных объектов. Осуществляется это с помощью выпуклых и вогнутых зеркал. Эти предметы представляют собой зеркальную поверхность, расположенную на сферическом сегменте.

Чтобы построить изображение в этих зеркалах, следует знать поведение трех лучей:

• отражение луча совпадает с самим лучом, если он падает на зеркало, проходя через его центр C;
• пройдя через фокус F, луч всегда отражается параллельно оси зеркала;
• все параллельные пучки света отражаются в фокус F.

Как строить изображения в разных типах зеркал, показано на рисунке ниже.

Выпуклые зеркала в настоящее время используются для увеличения угла обзора для водителей автомобилей, а также при изготовлении рефракторных телескопов.

Внутреннее полное отражение

Как было сказано выше, отражение всегда сопровождается потерей интенсивности падающего пучка. Даже в случае отражения в зеркале, около 5-10 % энергии теряется. Однако в природе существует явление, при котором отражение является 100 %, поэтому оно и называется полным.

Полное отражение возникает только на границе между прозрачными средами, причем оптическая плотность первой должна быть больше, чем второй. Более того, угол падения света должен превышать критическое значение, которое зависит от показателей преломления обеих сред. Например, для пары вода-воздух критический угол равен 48,75o.

Полное отражение используется в оптических волокнах. Благодаря им электромагнитную энергию можно передавать без потерь на любые расстояния.