Природна властивість світла відбиватися від різних поверхонь була цікава ще в далекому минулому. Свого часу нею займалися такі філософи, як Архімед і Галілей. Але перше теоретичне обґрунтування поведінки променя зустрічається тільки в XVII столітті в роботах П’єра Фермі. Мабуть, одним з найцікавіших і корисних ефектів для людства є закон відбиття світла. Формула закону досить проста і легко підтверджується на практиці.
Загальні відомості
При побудові храму Зевса в Олімпії давньогрецькому скульптору Фідію була замовлена статуя висота, якої становила близько 14 метрів. У ті часи про електрику ще навіть не підозрювали, тому освітлення в храмі виконувалося природним шляхом або за допомогою факелів. Для того, щоб висвітлити статую Зевса Фідій придумав перед нею вирити басейн, заповнивши його оливковою олією. Промені світла, що проникають з верхніх Ніш храму, потрапляли на поверхню рідини і відбиваючись висвітлювали скульптуру.
Вивченням природи світла і його правилами поширення займається спеціальний розділ фізики – оптика. Існує таке явище, як теплопередача. Це зміна енергії тіла без здійснення роботи. Характеризується воно теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням. При збільшенні температури можна помітити, що тіла починають світитися. При цьому чим вона вища, тим яскравіше відбувається випромінювання. Іншими словами, зростає перенесення енергії. Як виявилося, важливу роль в цьому відіграє світло.
Довести це твердження досить легко. Для цього можна взяти надутий повітряну кульку і направити на нього промінь лазера (світлового джерела). В результаті гума розплавиться, і куля лопне. Таким чином, можна сформулювати визначення для світла. Звучить воно так: це вид випромінювання, який може сприйматися людським оком. Відрізняються ж світлові промені від теплових тільки кількісно. Тому світло може поширюватися і в абсолютній порожнечі.
Існує безліч джерел видимого випромінювання. Наприклад, Місяць, Сонце, Галактика, Полярне сяйво, Світлячок, вогонь. Залежно від їх походження джерела поділяють на природні і штучні. Поширюється світло за допомогою пучка, що являє собою потік енергії.
Його траєкторія руху – пряма лінія. Але це твердження справедливе для однорідного середовища. Якщо ж світловий пучок потрапляє на кордон розділу двох поверхонь з ним може статися три явища:
- вібдиття;
- заломлення;
- поглинання.
При цьому, як виявилося, світло володіє дуалізмом. При поширенні він може поводитися як хвиля і як частинка. Таким чином, одні оптичні явища описуються за допомогою корпускулярної теорії, а інші — хвильової. За частку ж світла взяли фотон, що представляє квант електромагнітного випромінювання.
Закономірність відбиття
Відбиття світла від різних поверхонь було помічено людьми досить давно. Існує історія про те, що Архімед зміг, використовуючи явище захистити своє місто при нападі римського флоту. За допомогою мідних начищених щитів він направляв промені світла на локальні місця кораблів, тим самим викликаючи їх займання. У наш час був проведений досвід для перевірки легенди. На відстані близько 30 метрів розташували макет корабля і за допомогою дзеркал промені звели в одну точку. Судно загорілося.
Під поверхнею, що відбиває, розуміють середу, яка не пропускає в себе світло, а повністю відбиває його. Насправді реально існуючих таких тіл немає. Але поглинена і заломлена енергія їх настільки нікчемна, що їй можна знехтувати. Як виявилося, відбивання променя від поверхні відбувається не хаотично, а підпорядковується суворому закону. Його формулювання звучить так: кут падіння дорівнює куту відбиття.
Іншими словами, якщо зобразити графічно на площині падаючий і відбитий пучок у вигляді прямої лінії, то місце в якому відбувається зміна шляху поширення можна уявити, як точку. Через неї можна провести перпендикуляр. Так ось, кут падіння (a), побудований між перпендикуляром і падаючим променем, дорівнює відбиттю, куту (b) між прямою лінією і відбитим від поверхні пучком: ∠a = ∠ b.
Явище може бути двох видів:
- дзеркальним – при падінні світла всі відбиті промені зберігають властивість паралельності по відношенню один до одного;
- дифузним – після падіння світлового пучка траєкторія поширення перестає бути паралельною, тобто промені відбиваються в різні боки.
Друге явище пов’язане з нерівностями поверхневого шару речовини. Якщо його розглянути під мікроскопом, то можна побачити безліч горбків — шорсткостей. Саме тому одні тіла є матовими, а інші блискучими (дзеркальними).
Слід зазначити, що повний опис явища відбиття світла звучить так: перпендикуляр, падаючий промінь і відбитий до поверхні проведеної через точку падіння лежать в одній площині. Причому це твердження справедливе як для першого, так і другого явища.
Дзеркальне зображення
Для отримання малюнка в плоскому дзеркалі потрібно розглянути, як відбувається відбиття від точки, що світиться. Від неї на всі боки розходиться світло. Отримати зображення предмета в дзеркалі можна за допомогою двох променів. Один – падає на поверхню довільно, а інший — перпендикулярно. Щоб побудувати шлях першого потрібно намалювати лінію під кутом 900 до точки відбиття поверхні, а потім провести промінь відповідно до закону поширення. У другому ж випадку світловий потік буде йти по траєкторії падіння, але у зворотний бік.
Як виявилося, зображення предмета можливо бачити через перетин відбитих променів. При розглянутому поширенні у видимій частині шляху лінії світла не перетинаються. Для того ж щоб їх знайти потрібно продовжити їх шлях за поверхнею дзеркала. Точку, в якій вони перетнуться можна позначити як S1. Вона являє собою не справжнє зображення, а продовження світлових променів. Таку картину в оптиці називають уявною.
Плоске дзеркало дає уявне зображення. Щоб його побачити потрібно дивитися уздовж перпендикуляра побудованого до точки відображення. Причому відстані від джерела до дзеркала, дорівнюватиме довжині від нього до точки S1. Це є головною особливістю зображення дзеркальної поверхні.
Але реалістичні зображення найчастіше протяжні. Наприклад, нехай є предмет довжиною AB. Щоб побудувати його відображення, потрібно окремо намалювати поширення променів для його початкової і кінцевої точок. В результаті вийде два уявних місця: A1 і B1. Після їх з’єднання вийде лінія, що повторює зображення предмета в плоскому дзеркалі, де AB — це предмет, а A1B1 — його відображення.
Що цікаво, зображення предмета в плоскому дзеркалі, таке ж за розміром, як і предмет. При цьому воно пряме, а не перевернуте. Відстані ж від поверхні як в одну, так і іншу сторону однакові. Отже, можна виділити властивості зображення предмета в плоскому дзеркалі. Вони будуть полягати в наступному:
- уявний;
- той, що збігається за розміром;
- прямий;
- знаходиться на рівновіддаленій відстані від поверхні у порівнянні з реальним тілом.
Виходить, що насправді відображення і сам предмет — це різні зображення. Але через те, що вони однакові за розміром і прямі воно сприймається як реальне. Ці ефекти відображення часто використовуються в побуті. Наприклад, з їх допомогою можна візуально збільшувати приміщення.
Принцип Гюйгенса
Згідно з принципом вченого, кожна точка середовища, до якої дійшла хвиля сама стає джерелом вторинних відображень. Відкрити закономірність фізику дозволили наступні міркування. Нехай є прилад, який створює хвилю, при цьому її передній фронт дійшов до будь-якого місця. Можна припустити, що кожна точка випромінювання буде джерелом вторинних коливань. Ці хвилі сферичні. Така ситуація відповідає моменту часу t0.
Через Δt хвиля пройде відстань Δt * С. кожен з джерел вторинних хвиль створює свою сферичну смолу. Коротко кажучи, Гюйгенс запропонував взяти огинаючу фронтів, яка і буде новим положення поширення світла і відповідати часу:
t = Δt + t0.
Цю процедуру можна продовжувати для будь-якого моменту.
Саме Гюйгенс став тим, чий принцип допоміг довести справедливість закону відображення. Нехай є горизонтальна плоска поверхня, на яку падає хвиля. Її ширина визначається першим і другим граничним променем. Місце зустрічі їх з поверхнею відповідно можна позначити точками A і B. хвильовий фронт перпендикулярний променям. Поширюється він зі швидкістю хвилі до поверхні, що відбиває. У певний час фронт стосується поверхні в точці A. протилежна точка його зіткнення нехай буде C.
Як тільки, хвильовий фронт торкнувся A вона перетворюється в джерело сферичних хвиль. Вони перестануть виходити лише в тому випадку, коли C також досягне поверхні. Можна записати, що Δt = CB / C. виходить, що можна побудувати огинає сферичних хвиль безлічі точок, що стали вторинними джерелами. Перпендикуляр до відбитого фронту буде відбитим променем. Фактично вийшли два трикутники ABC і ABD.
Вони обидва прямокутні при цьому у них є спільна сторона AB. AD ж відстань, яку можна знайти як добуток швидкості поширення хвиль ні зміна часу, тобто: AD = CB. За теоремою рівності трикутники рівні, значить, і кути у них однакові. Отже, нахил падіння дорівнює відображенню. Такий доказ часто показують в середній школі при навчанні оптиці в старших класів. Воно просте до розуміння і легко читається, оскільки не використовує формули і складні терміни.
