Закон відбиття світла — формула, формулювання, умови

У III ст. до н. е. вчений зі Стародавньої Греції Евклід дослідним шляхом знайшов закони відбиття світла. Формули, які геометрично пояснювали ці явища, теоретично були виведені Гюйгенсом.

Він став першим вченим, який зміг сформулювати висновки, засновані на хвильовій природі випромінювання. При цьому він використовував докази, що спираються на аксіоми про рівнобедрені трикутники.

Сутність закону відбиття світла

Якщо коротко, то закономірність цього явища полягає у відбитті світлового променя при контакті з будь-якою речовиною. Наприклад, потік світла, що проходить через повітря і стикається з поверхнею дзеркала, обов’язково повертається.

При контакті з прозорим середовищем повернення потоку непомітне, оскільки світло проходить крізь нього. Людина візуально сприймає світло від джерела або предметів, які його відбивають. Тобто для очей об’єктами випромінювання стають не тільки джерела, а й навколишні предмети.

Існує два закони, які описують суть геометричної оптики. Їх формулювання наступні:

• Світловий промінь, його відбиття і перпендикулярна лінія, яка проходить через точку повернення потоку від поверхні, розташовані в одній площині.
• Значення кута падіння світла і його відбиття щодо перпендикуляра рівні.

На малюнку:

• α – це кут падіння,
• β – це кут відбиття.

Згідно з принципами Гюйгенса, формула закону відбиття світла:

∠α = ∠β

Існує поняття повного повернення світлового променя, коли енергія потоку не заломлюється і повністю відбивається.

Перерозподіл енергії світлового потоку

У 1815 році французький фізик Френель доповнив теорію Гюйгенса, додавши до геометричного принципу фізичні пояснення поширення світлових хвиль. При поверненні променя відбувається перерозподіл енергії потоку.

Це здійснюється за рахунок:

• Відбиття – взаємодії світлових хвиль з поверхнею, в результаті чого відбувається їх повернення.
• Заломлення – явища, яке полягає у зміні напрямку поширення оптичного випромінювання при перетині кордону двох середовищ.
• Поглинання – зменшення інтенсивності світлового потоку за допомогою взаємодії його з частинками речовини, через яку він проходить. В результаті процесу випромінювання енергія переходить в інші види.

Рекомбінація потоку, зазвичай, буває продиктована необхідністю координації на конкретних ділянках простору. Наприклад, для освітлення предметів, які слід виділити або, навпаки, для зменшення яскравості певної області.

Різновиди відбиття

Розрізняють кілька видів повернення світлового потоку:

• дзеркальне;
• складне;
• розсіяне;
• повністю дифузне.

Для дзеркального характерно рівність кутів падіння і повернення або заломлення. Якщо на поверхню направити паралельні промені світла, то вони відбиваються і заломлюються в формі паралельних пучків.

Цей спосіб застосовується при напиленні металу алюмінієм або сріблом. При складному поверненні світлового потоку відбувається одночасно дзеркальне і дифузне відбиття світла. Такі явища відбуваються при напрямку оптичного пучка на предмети, виконані з кераміки. Об’єднане заломлення здійснюється склом з матовим покриттям і деякими сортами оргскла.

Повністю дифузне випромінювання походить від предмета з поверхнею, яка відбивається з однаковою яскравістю в усіх напрямках. При цьому неважливо звідки падає світловий промінь. Такі характеристики мають предмети, пофарбовані білою фарбою.

Крім того, ці параметри характерні для предметів, зроблених з різних матеріалів, оскільки в них відбувається досить багато відбивань і заломлень всередині тіла. Розсіяний вид відрізняється збільшеним кутом відбитого пучка.

Основною характеристикою поверхонь вважається коефіцієнт яскравості, чий показник дорівнює відношенню енергії випромінювання в конкретному напрямку до інтенсивності світла при повному дифузному поверненні променя.

Правда, цей коефіцієнт недостатньо описує “відбивальну” властивості матеріалів, оскільки більшість з них мають селективні характеристики.