Закон отражения света: определение и формулировка

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение, поэтому для него характерны такие феномены, как отражение и преломление. Рассмотрим закон отражения света при его переходе из одной среды в другую, при этом будем использовать представление видимых электромагнитных волн в виде лучей.

Отражение и преломление света

Как известно, свет распространяется прямолинейно во всякой однородной прозрачной среде. Как только луч света достигает поверхности раздела двух прозрачных сред, то с ним происходят два явления:

1. Одна часть светового пучка отражается обратно в первую прозрачную среду под определенным углом, то есть отражается.
2. Вторая часть светового пучка проникает во вторую среду и продолжает распространяться уже в ней, но при этом изменяет на некоторый угол направление своего распространения, то есть преломляется.

Оба явления описываются с помощью законов отражения и преломления света соответственно.

Эти физические явления демонстрирует рисунок ниже, на котором видно, что падающий луч света при переходе через границу двух прозрачных сред разделяется на два пучка, один из них (меньший) отражается, а второй пучок (больший) продолжает распространяться дальше, переходя в другую среду.

Законы отражения света

Под отражением света в физике понимают такое изменение направления распространения волны, после того как она падает на границу между двумя средами, при котором волна снова возвращается в среду, откуда она пришла.

После того как сформулирован закон отражения света, отметим, что благодаря существованию этого явления можно видеть изображения разных предметов в зеркале, на поверхности воды или на какой-либо другой блестящей поверхности. Физически отражение света происходит, когда свет падает на какую-либо поверхность, сталкивается с ней и снова возвращается в первоначальную среду своего распространения, образуя угол, в точности равный углу падающего на эту поверхность луча. Эта поверхность называется отражающей. В отличие от явления преломления, феномен отражения – это изменение направления распространения волны в той же самой среде.

В физике законы отражения света формулируются следующим образом:

1. Падающий на поверхность раздела сред луч, отраженный луч и нормаль к этой поверхности лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения. Формула закона отражения света имеет вид: θ_пад. = θ_отр..

Зеркальное и диффузионное отражение

Отражающая поверхность может быть гладкой, но также может иметь и неровности. В связи с этим различают два типа отражения света:

1. Зеркальное. Если неровности на отражающей поверхности малы по сравнению с длиной падающей волны, тогда пучок света отражается в определенном направлении. Здесь можно привести пример поверхности плоского зеркала, закона отражения света для которой можно применять.
2. Диффузионное. Если неровности поверхности сравнимы с длиной световой волны, тогда каждая часть падающего пучка отражается от различных неровностей, при этом закон отражения света остается справедливым для каждого факта отражения, но поскольку отраженные пучки света начинают распространяться в различных направлениях, получается, что начальный пучок распадается на множество мелких пучков. В таких случаях говорят, что свет рассеивается. Примером диффузионного отражения является отражение света от деревянной поверхности.

Таким образом, если после зеркального отражения свет распространяется в конкретном направлении, то после диффузионного отражения свет "распыляется".

Квантовомеханическое обоснование процесса отражения

Свет – это пучок фотонов различной частоты. Любое взаимодействие фотонов с материей описывается через процессы поглощения и испускания. Когда фотон достигает молекулы вещества, то он сразу же ею поглощается, переводя ее электронную оболочку в возбужденное состояние, то есть в состояние с повышенной энергией. Практически мгновенно после поглощения фотона электронная система переходит в свое основное состояние, и этот процесс сопровождается испусканием фотона в произвольном направлении. Закон отражения света с квантовомеханической точки зрения объясняется как наиболее вероятное направление испускания фотонов, которое наблюдается в виде отражения.

Явление обратного отражения

Феномен обратного отражения, или ретроотражения, заключается в способности некоторых поверхностей или объектов отражать падающий на них пучок света обратно к источнику, от которого он пришел, независимо от того, под каким углом на них падает этот свет.

Такое поведение можно наблюдать в случае плоского зеркала, но только тогда, когда световой пучок падает на него перпендикулярно, то есть угол падения равен 90°.

Простой ретрорефлектор можно изготовить, если соединить два зеркала перпендикулярно друг к другу. Изображение, которое дает такой прибор, всегда того же размера, что и оригинальное, но будет перевернутым. При этом не важно, под какими углами на этот ретрорефлектор падают световые лучи, он всегда их отражает на 180°. Ниже на рисунке приведен этот ретрорефлектор, и продемонстрированы его физические свойства.

Ограниченное ретроотражение и его использование

Явление обратного отражения в настоящее время широко используется при производстве автомобилей, в частности при изготовлении поверхности металлических пластин, на которых пишутся номера.

Если на поверхность нанести много маленьких отражающих сфер, то можно добиться того, чтобы она отражала свет не точно обратно, а под некоторым небольшим углом. В таком случае говорят об ограниченной способности ретроотражателя. Такого же эффекта можно добиться, если нанести на поверхности вместо отражающих сфер маленькие пирамидки.

При изготовлении номеров для автомобилей не нужно, чтобы они отражали свет идеально обратно, а необходимо, чтобы отраженный пучок света был почти параллельным к падающему пучку. Благодаря этому свет, падающий на номера автомобиля из фар находящегося сзади него другого автомобиля, отражается от этих номеров, попадает в глаза водителю, и он видит номер движущейся впереди машины.

Ретроотражение и оптические аберрации

Под оптической аберрацией понимают явление в физике, при котором полученное в какой-либо оптической системе изображение оказывается нечетким. Происходит это потому, что выходящий из определенной точки объекта луч света не возвращается точно в одну точку. Причинами аберрации могут быть геометрические несовершенства оптических систем, а также различная отражающая способность для разных длин волн видимого света.

Ретроотражение используется для нивелирования оптических аберраций. Делается это простым образом, полученное в оптической системе изображение объекта через ретроотражатель заново направляется в эту систему. Функция ретроотражателя заключается не только в том, что он обратно возвращает все падающие на него лучи, но и меняет волновой фронт электромагнитной волны на противоположный.

Преломление и закон полного отражения света

Под преломлением света понимают изменение направления его распространения при переходе через границу сред, имеющих различные оптические свойства. В частности скорость распространения света в различных прозрачных средах отличается, и она всегда меньше скорости света в вакууме.

Для описания явления преломления света вводят показатель преломления среды n, который равен отношению скоростей света в вакууме и среде, то есть n = c/v. Закон преломления света математически выражается следующим образом: sin(θ_пад.)/sin(θ_прел.) = n₂/n₁ = v₁/v₂, здесь θ_пад. – угол между падающим лучом и нормалью к поверхности, θ_прел. – угол между преломленным лучом и нормалью к поверхности, n₁, v₁ и n₂, v₂ – показатель преломления и скорость распространения света для первой среды и для второй среды соответственно.

Как было выше сказано, когда свет проходит через границу двух прозрачных сред, существует отраженный и преломленный лучи. Если θ_прел.= 90°, то преломленный луч будет идти параллельно поверхности, иными словами, он не будет наблюдаться. Такая ситуация возможна при условии, что угол θ_пад. больше некоторого критического угла θ_кр., а n₁ > n₂. Критический угол определяется так: θ_кр. = arcsin(n₂/n₁). Всякий луч света, который падает на эту поверхность под углом большим, чем θ_кр., испытывает полное отражение.

Применение явления полного отражения

Феномен полного отражения используется человеком в различных областях жизнедеятельности. Наиболее популярным его использованием является оптическое световолокно, применяемое в телекоммуникациях и медицине.

Если говорить простыми словами, то оптическое волокно представляет собой гибкий кабель, сделанный из прозрачного материала, показатель преломления которого больше, чем показатель преломления среды, окружающей этот кабель. В результате пущенный под определенным углом пучок света внутрь такого волокна достигает противоположного его конца практически без потери своей интенсивности, поскольку на своем пути он испытывает только полные отражения.