Отражение света. Зеркала и их применение

Мы уже с вами говорили о том, что в прозрачных однородных средах свет распространяется по прямой линии. Но что же происходит, если на пути света встречается какое-либо препятствие? В таком случае часть света проходит через объект, если он прозрачен, другая часть поглощается, а оставшаяся часть обязательно отражается обратно в исходную среду. Это явление называется отражением света. Именно благодаря этому процессу мы можем видеть окружающие нас объекты, различать цвета и наслаждаться произведениями искусства.

Свет способен отражаться от различных поверхностей, будь то белая стена или зеркало. Вспомним, что Луна сама не испускает свет, мы видим её лишь благодаря отражению солнечного света. Если солнечные лучи не попадают на Луну (например, во время новолуния), она становится невидимой.

Но почему именно в зеркале мы видим собственное отражение, тогда как само зеркало остаётся практически незаметным? Какие виды отражения существуют и какие законы управляют этими процессами? Как много вопросов. Но мы постараемся найти на них ответы с помощью простых экспериментов.

Для начала воспользуемся специальным устройством – оптической шайбой. Этот прибор оснащён источником света (лампа в корпусе с отверстием), который создаёт узкий пучок света. Свет направляется вдоль круглого экрана, называемого диском, где по краю нанесены градусы. В центре диска устанавливается преграда, от которой свет будет отражаться.

Укрепим в центре диска отполированную металлическую полоску. И направим на эту поверхность световой пучок. Видим, что луч света, попадая на гладкое (зеркальное) покрытие, отражается. Далее опускаем в точку падения перпендикуляр к поверхности зеркала.

Угол между падающим лучом и этим перпендикуляром называется углом падения. Чаще всего обозначается этот угол малой греческой буквой α.

Угол, образующийся между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, именуется углом отражения. Он обычно обозначается малой греческой буквой γ.

Сравнивая эти два угла, можно заметить, что они равны: γ = α.

Теперь будем менять угол падения, перемещая осветитель по краю диска. Видим, что при изменении угла падения, угол отражения также изменяется. Однако каждый раз измерения показывают, что углы падения и отражения остаются равными друг другу. Кроме того, на оптическом диске мы видим одновременно и падающий, и отражённый лучи. Это свидетельствует о том, что они находятся в одной плоскости – плоскости диска.

Итак, процесс отражения света подчиняется следующим законам:

Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, проведённый к отражающей поверхности в точке падения, расположены в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.

Эти законы были впервые сформулированы древнегреческим учёным Евклидом ещё в ІІІ в. до н. э.

С использованием зеркала на оптической шайбе можно продемонстрировать принцип обратимости световых лучей. Если направить падающий луч по траектории отражённого, то отражённой луч пойдёт по пути падающего.

А одинаково ли отражают свет различные поверхности?

Предположим, что на зеркальную поверхность падают параллельные лучи света. Тогда, следуя закону отражения, отражённые лучи сохранят свою параллельность. А это значит, что ширина светового пучка остаётся неизменной. После отражения свет попадает в глаз наблюдателя только в том случае, если тот находится непосредственно на пути отражённых лучей.

Если же глаз расположен иначе, отражённые лучи не попадут в него и изображение мы не увидим. Такой тип отражения света от гладких поверхностей называется зеркальным отражением. Примером такой поверхности является спокойная водная гладь.

А что произойдёт, если поверхность будет шероховатой? Давайте разберёмся с помощью эксперимента. Установим на оптической шайбе неровную поверхность (например, полоску белой бумаги или ткани). Если теперь включить освещение, мы заметим, что отражённой световой луч исчезает. Вместо этого образуется световое пятно, которое распространяется во всех направлениях от точки соприкосновения светового луча с поверхностью.

Это явление известно как диффузное или рассеянное отражение. В случае такого типа отражения поверхность остаётся видимой независимо от положения наблюдателя, поскольку световые лучи распространяются во всех направлениях.

В повседневной жизни мы намного чаще сталкиваемся с рассеянным отражением света, нежели с зеркальным. Это явление имеет огромное значение, ведь именно оно позволяет свету, отражённому от различных предметов, попадать в наши глаза и формировать зрительное восприятие. Без рассеянного отражения мы могли бы наблюдать только самосветящиеся объекты – источники света.

Поверхности, способные к диффузному отражению, называют матовыми, а зеркально отражающие – блестящими.

Чем больше света отражает поверхность (и чем меньше она его поглощает), тем она кажется светлее. К примеру, белая бумага отражает больше света, чем бурый картон. Но этот же картон отражает больше света, чем чёрный уголь.

Мы часто сталкиваемся с ситуацией, когда свет отражается от плоской поверхности, такой как плоское зеркало. Давай рассмотрим, каким образом формируется изображение в таком зеркале и какими особенностями оно обладает.

Сначала проведём небольшой эксперимент. Установим на стол вертикальную стеклянную пластину, под которую подложим линейку и поставим зажжённую свечу. Эта пластина будет служить нам плоским зеркалом. В стекле мы ясно видим изображение свечи. Однако, заглянув за пластину, мы её там не обнаружим.

Далее возьмём вторую, точно такую же по размеру, но незажжённую свечу. Будем передвигать её с обратной стороны стеклянной пластины до тех пор, пока она не сольётся с изображением (создастся впечатление, что она тоже горит).

Теперь с помощью линейки измерим расстояние от пластины до реальной свечи и от пластины до изображения свечи (той самой незажжённой свечи). Как видим, эти два расстояния совпадают. А поскольку незажжённая свеча совпадает с изображением по высоте, делаем вывод, что размеры изображения равны размерам самого предмета.

Продолжим наш эксперимент. Переместим свечу ближе к стеклянной пластине. Её изображение также приблизится. Причём стоит отметить, что оно сблизится ровно настолько, насколько сдвинулась сама свеча. Положение изображения останется неизменным, если заменить стеклянную пластину на плоское зеркало.

Исходя из проведённых экспериментов, можно сделать вывод, что в плоском зеркале наши глаза видят изображение предмета таких же размеров, что и сам предмет, и на таком же расстоянии за зеркалом.

Но что значит: «Глаз видит изображение»? Как глаз определяет положение предмета или его изображение? Чтобы разобраться в этом, изучим процесс формирования изображения в плоском зеркале. Предположим, что перед зеркалом расположен источник света S. Выделим из множества лучей два – SA и SB, которые падают на зеркало. Используя закон отражения света, построим отражённые лучи

Можно заметить, что пучок света, ограничиваемый отражёнными лучами, будет расходящимся. Именно он и попадает в глаз наблюдателя.

Если продлить отражённые лучи за плоскость зеркала, они пересекутся в точке S₁. Глаз воспринимает отражённые лучи таким образом, словно они исходят из этой точки, которая представляет собой изображение светящейся точки S. Другими словами, глазу кажется, что светящаяся точка находится именно здесь, хотя на самом деле реального источника света в этом месте нет. Такое изображение называют мнимым. Следовательно, плоское зеркало всегда создаёт мнимое изображение.

Стоит помнить, что сам предмет и его изображение в плоском зеркале являются не идентичными, а симметричными фигурами относительно плоскости зеркала. Например, взгляните на своё отражение в зеркале. Ваша правая рука на изображении оказывается расположенной так, как будто это левая рука. Таким образом, при зеркальном отражении понятия «лево» и «право» меняются местами.

Итак, основываясь на проведённых опытах, можно утверждать, что изображение предмета в плоском зеркале является: мнимым, прямым (неперевёрнутым), равным (то есть соответствует размерам предмета), располагается на таком же расстоянии за зеркалом, как и сам предмет перед ним, и симметрично ему.

Зеркала находят широкое применение в различных областях человеческой деятельности: в быту, медицине, на транспорте и даже в космических технологиях.

Помимо плоских зеркал, существуют и сферические, представляющие собой сегмент сферы. Они делятся на два вида: вогнутые и выпуклые.

Вогнутое сферическое зеркало – это зеркало, отражающее световые лучи с внутренней стороны сферического сегмента. Оно способно собирать параллельные лучи в одной точке после отражения, концентрируя световую энергию. Такие зеркала применяются, например, в зеркальных телескопах, позволяя наблюдать даже тусклые далёкие звезды.

Выпуклое сферическое зеркало, напротив, рассеивает световые лучи с внешней стороны сферического сегмента. Эти зеркала широко используются в автомобилях, на станциях метро и перекрёстках улиц для обеспечения широкого угла обзора окружающей местности. Они предоставляют значительно больший угол обзора по сравнению с плоскими зеркалами.

Итак, все законы физики утверждают, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Тем не менее, в экстремальных условиях, таких как значительные колебания температуры воздуха возле земной поверхности, этот закон нарушается. Что же происходит в таких случаях? Лучи света начинают преломляться из-за разницы температур. Более того, у самой земли они могут даже отражаться, создавая иллюзию, известную как мираж. Воздушный слой вблизи поверхности земли фактически превращается в своеобразное зеркало.

Миражи классифицируются на три основных типа: нижние, наблюдаемые под объектами, верхние, возникающие над ними, и боковые.

Нижний мираж появляется, когда температура резко падает с высотой над сильно разогретой ровной поверхностью, например, в пустыне или на асфальте. Мнимое изображение неба создаёт иллюзию наличия воды на земле. Это наиболее распространённый тип миражей.

Верхний мираж возникает над холодным земным покровом, когда температура воздуха повышается с увеличением высоты. Этот тип миражей чаще всего встречается в полярных зонах, особенно на обширных ледяных полях с устойчиво низкими температурами. Возможно, именно благодаря такому эффекту, называемому хиллингар, первые поселенцы Исландии узнали о существовании Гренландии.

Боковые миражи могут формироваться как результат отражения от нагретых вертикальных поверхностей, таких как стены зданий.

Наиболее сложной разновидностью миражей является Фата-Моргана. Название этого явления происходит от имени персонажа из ирландской мифологии – феи Морганы. Многослойная структура атмосферы способна создавать удивительные эффекты, такие как многократное дублирование изображений. Человек может наблюдать не один, а сразу несколько видимых объектов, которые могут быть перевёрнуты, увеличены или уменьшены в размерах по отношению к реальности.

А кто из вас слышал легенду о «Летучем Голландце»? Согласно морским мифам, капитан корабля-призрака навеки осуждён на вечное скитание по бескрайним водам без возможности причаливания. Встреча с этим таинственным судном всегда предвещала бедствия и крушения.

Практически все рассказы о Летучем Голландце похожи: корабль-призрак приближался, игнорируя любые сигналы и крики команды, а затем внезапно исчезал в тумане. Однако на самом деле моряки видели проекции реальных судов, находящихся на значительном расстоянии от них. Такой феномен известен как фантомом дальнего видения.