Зеркальный мир

Вам уже известно, что в прозрачной однородной (то есть везде одинаковой) среде свет распространяется прямолинейно.

— А что происходит, если на пути пучка света находится какое-то тело?

Часть света может пройти сквозь тело, если оно прозрачное, часть поглотится, а часть обязательно отразится от тела и вернётся в ту среду, из которой свет шёл. Такое явление называют отражением света.

Именно благодаря отражённому свету мы видим предметы, различаем цвет одежды, любуемся картиной художника. Известно, что свет отражается от самых разных предметов. Например, и от белой стенки, и от зеркала. Также вы знаете, что и Луна сама по себе не излучает свет. Мы видим её только потому, что она отражает свет Солнца. А если солнечный свет не падает на Луну (во время лунного затмения), то она перестаёт быть видимой.

Но почему только в зеркале мы видим своё изображение? И почему мы при этом почти не видим самого зеркала? А каким бывает отражение света? И какими законами оно описывается?

Как много вопросов. Попробуем на них ответить с помощью небольших опытов. Для начала воспользуемся прибором, который называется оптической шайбой. В этом приборе имеется осветитель (лампочка в футляре с отверстием), с помощью которого создаётся узкий световой пучок. Этот пучок скользит по круглому экрану — диску, по краям которого нанесена градусная шкала. А в центре диска крепится преграда, от которой и происходит отражение света.

Укрепим в центре диска зеркало или гладкую полированную полоску металла. Направим из осветителя на наше препятствие пучок света. Мы увидим, что падающий луч отражается от гладкой (зеркальной) поверхности. Опустим в точку падения луча перпендикуляр к поверхности зеркала.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведённым в точку падения, называется углом падения. Обозначим этот угол греческой буквой «альфа (α).

Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения. Его обычно обозначают греческой буквой «гамма» (γ). А теперь сравним эти углы. Из опыта видно, что углы отражения и падения равны:

γ = α.

Теперь, передвигая осветитель, будем менять угол падения. Как видно, угол отражения также меняется. Но всякий раз, измеряя эти углы, мы обнаружим, что они равны.

А то, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и отражённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска.

Таким образом, отражение света происходит по следующему закону:

1. Луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения равен углу падения.

Законы отражения света установил древнегреческий учёный Евклид ещё в ІІІ в. до н. э.

С помощью зеркала на оптической шайбе можно продемонстрировать также обратимость (или взаимность) световых лучей: если падающий луч направить по пути отражённого, то отражённый луч пойдёт по пути падающего.

— А одинаково ли отражают свет различные поверхности?

Пусть на поверхность зеркала падают направленные (параллельные) лучи света. Тогда в соответствии с законом отражения света и отражённые световые лучи также будут параллельны друг другу. В итоге ширина светового пучка не изменяется. А после отражения свет попадёт в глаз наблюдателя только тогда, когда он будет находиться прямо на пути отражённых лучей.

Если же глаз будет находиться в каких-либо других положениях, то отражённые лучи в глаз не попадут и изображения мы не увидим. Отражение света в случае гладких поверхностей получило название зеркального отражения. Например, зеркально отражает свет поверхность спокойной воды.

— А если поверхность шероховатая, то как поведёт себя свет после отражения?

Ответим на вопрос с помощью опыта. Закрепим на оптической шайбе шероховатую поверхность, например полоску белой бумаги. Включив осветитель, мы увидим, что отражённый световой луч исчез. Вместо этого вокруг точки падения светового луча на отражающую поверхность наблюдается пятно света, рассеянного по всем направлениям.

Такое отражение называется диффузным или рассеянным отражением.

В случае диффузного отражения поверхность видна при любом положении глаза, так как в него попадают лучи.

В жизни с рассеянным отражением света человек чаще встречается, чем с зеркальным. Оно весьма важно. Ведь только благодаря явлению рассеянного отражения свет, отражённый от различных тел, может достигать органов зрения людей и вызывать зрительное восприятие. Не будь рассеянного отражения, мы могли бы видеть только самосветящиеся предметы — источники света.

Кстати, диффузно отражающие поверхности называют матовыми, а зеркально отражающие — блестящими.

Чем больше света отражает поверхность (чем меньше поглощает), тем она кажется светлее. Так, например, белый лист бумаги отражает света больше, чем серый картон. Но этот же картон отражает света больше, чем чёрный бархат.

Часто мы встречаемся со случаем, когда отражение света происходит от плоской поверхности — плоского зеркала. Выясним, как возникает изображение в плоском зеркале и какие особенности оно имеет.

Для начала проведём такой опыт. На столе расположим вертикально стеклянную пластинку, под которую поместим линейку, и зажжённую свечу. Стеклянная пластинка будет выполнять роль плоского зеркала. В стекле хорошо видно изображение свечи. Заглянув за пластинку, мы, конечно же, не обнаружим этой свечи.

Такую же по размерам, но незажжённую свечу будем перемещать с другой стороны пластинки до тех пор, пока она не совместится с изображением (не будет казаться зажжённой).

Теперь по линейке определим расстояние от пластинки до свечи и от пластинки до изображения свечи, то есть незажжённой свечи.

Не трудно заметить, что эти расстояния оказались равными. А так как незажжённая свеча совместилась с изображением по высоте, то можно сделать вывод, что размеры изображения равны размерам предмета.

Продолжим опыт. Передвинем свечу ближе к стеклянной пластинке. Её изображение тоже приблизится, причём, обратите внимание, что приблизится оно ровно на столько же, на сколько приблизилась свеча. Положение изображения не изменится, если вместо стеклянной пластинки использовать плоское зеркало.

Из проведённых опытов следует, что в плоском зеркале глаз видит изображение таких же размеров, что и предмет, и на таком же расстоянии за зеркалом.

Но что значит: «Глаз видит изображение»? Как глаз определяет местоположение предмета или его изображения?

Чтобы ответить на возникшие вопросы, давайте рассмотрим, как получается изображение предмета в плоском зеркале. Итак, пусть перед зеркалом находится источник света S. Из множества лучей выделим два, например, SA и SB, падающих на зеркало. Пользуясь законом отражения света, построим отражённые лучи

Не трудно заметить, что пучок света, ограниченный отражёнными лучами, будет расходящимся. Он то и попадает в глаз наблюдателя.

Если продолжить отражённые лучи за плоскость зеркала, то они пересекутся в точке S₁. Глаз воспринимает отражённые лучи так, как будто они исходят из этой точки, которая является изображением светящейся точки S. То есть глазу кажется, что светящаяся точка находиться именно там. Хотя в действительности никакого источника света там нет. Такое изображение называют мнимым. Следовательно, плоское зеркало всегда даёт мнимое изображение.

Поясним ещё раз, почему изображение светящейся точки S' в плоском зеркале называют мнимым. Мы можем увидеть это изображение. Но если мы поместим в точку S₁ устройства, чувствительные к световой энергии (например, фотоплёнку или просто белый экран), то ничего там не обнаружим. В эту точку энергия света не поступает.

Важно запомнить, что предмет и его изображение в плоском зеркале представляют собой не тождественные, а симметричные фигуры.

Например, посмотрим на изображение человека в зеркале. Правая рука на этом изображении расположена так, как будто это рука левая. То есть в зеркале «право» и «лево» меняются местами.

Таким образом, из опытов следует, что изображение предмета в плоском зеркале является мнимым, прямым (то есть не перевёрнутым), по размерам равным предмету, находится на таком же расстоянии за зеркалом, на котором расположен предмет перед зеркалом и симметрично предмету.

Зеркала применяются в различных сферах жизнедеятельности человека: в быту, в медицине, на транспорте и в космической сфере.

Наряду с плоскими зеркалами существуют и сферические зеркала. Зеркальная поверхность, имеющая вид сегмента сферы, называется сферическим зеркалом.

Они играют важную роль в жизни человека. Сферические зеркала бывают двух видов: вогнутые и выпуклые.

Вогнутое сферическое зеркало — это зеркало, отражающее лучи света с внутренней поверхности сферического сегмента. Оно может параллельно падающие лучи после отражения собрать в одну точку, то есть сконцентрировать световую энергию. Такие зеркала используют, например, в зеркальных телескопах. С их помощью можно наблюдать даже неяркие далёкие звёзды.

Выпуклое сферическое зеркало — это зеркало, рассеивающее лучи света с внешней поверхности сферического сегмента. Выпуклые зеркала используются в автомобилях, на станциях метро, на перекрёстках улиц для обзора окрестности. Они обеспечивают гораздо более широкий обзор, чем плоские.