Τι ονομάζεται ανακλώμενο φως; Αντανάκλαση φωτός

Ας εισάγουμε αρκετούς ορισμούς. Η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης είναι η γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας δέσμης και της κάθετης προς την ανακλώσα επιφάνεια στο σημείο κάμψης της δέσμης (γωνία α). Η γωνία ανάκλασης της δέσμης είναι η γωνία μεταξύ της ανακλώμενης δέσμης και της κάθετης προς την ανακλώσα επιφάνεια στο σημείο κάμψης της δέσμης (γωνία β).

Όταν το φως αντανακλάται, εκπληρώνονται πάντα δύο σχέδια: Πρώτον. Η προσπίπτουσα δέσμη, η ανακλώμενη δέσμη και η κάθετη προς την ανακλώσα επιφάνεια στο σημείο κάμψης της δέσμης βρίσκονται πάντα στο ίδιο επίπεδο. Δεύτερος. Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης. Αυτές οι δύο δηλώσεις εκφράζουν την ουσία του νόμου της ανάκλασης του φωτός.

Στο αριστερό σχήμα, οι ακτίνες και η κάθετη στον καθρέφτη δεν βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Στη σωστή εικόνα, η γωνία ανάκλασης δεν είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης. Επομένως, τέτοια ανάκλαση ακτίνων δεν μπορεί να επιτευχθεί πειραματικά.

Ο νόμος της ανάκλασης ισχύει τόσο για την περίπτωση της κατοπτρικής όσο και για τη διάχυτη ανάκλαση του φωτός. Ας δούμε ξανά τα σχέδια της προηγούμενης σελίδας. Παρά τη φαινομενική τυχαιότητα στην ανάκλαση των ακτίνων στο σωστό σχέδιο, όλες είναι τοποθετημένες έτσι ώστε οι γωνίες ανάκλασης να είναι ίσες με τις γωνίες πρόσπτωσης. Ρίξτε μια ματιά, «κόψαμε» την τραχιά επιφάνεια του δεξιού σχεδίου σε ξεχωριστά στοιχεία και σχεδιάσαμε κάθετες στα σημεία θραύσης των ακτίνων.

Θέματα του κωδικοποιητή Ενοποιημένης Εξέτασης Πολιτείας: ο νόμος της ανάκλασης του φωτός, κατασκευή εικόνων σε επίπεδο καθρέφτη.

Όταν μια δέσμη φωτός πέφτει στη διεπαφή μεταξύ δύο μέσων, εμφανίζεται αντανάκλαση φωτός:η δέσμη αλλάζει την κατεύθυνση της διαδρομής της και επιστρέφει στο αρχικό της περιβάλλον.

Στο Σχ. Το σχήμα 1 δείχνει μια προσπίπτουσα ακτίνα, μια ανακλώμενη ακτίνα και μια κάθετη που τραβιέται στην ανακλώσα επιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης.

Ρύζι. 1. Νόμος της ανάκλασης

Η γωνία ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης. Σημειώστε και θυμηθείτε: η γωνία πρόσπτωσης μετριέται από την κάθετη προς την ανακλαστική επιφάνεια και όχι από την ίδια την επιφάνεια! Ομοίως, η γωνία ανάκλασης είναι η γωνία που σχηματίζεται από την ανακλώμενη ακτίνα και η κάθετη στην επιφάνεια.

Νόμος της αντανάκλασης.

Τώρα θα διατυπώσουμε έναν από τους αρχαιότερους νόμους της φυσικής. Ήταν γνωστό στους Έλληνες από την αρχαιότητα!

Νόμος της αντανάκλασης.
1) Η προσπίπτουσα ακτίνα, η ανακλώμενη ακτίνα και η κάθετη στην ανακλώσα επιφάνεια που σχεδιάζεται στο σημείο πρόσπτωσης βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.
2) Η γωνία ανάκλασης είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης.

Έτσι, όπως φαίνεται στο Σχ. 1 .

Ο νόμος της ανάκλασης έχει μια απλή αλλά πολύ σημαντική γεωμετρική συνέπεια. Ας δούμε το σύκο. 2. Αφήστε μια ακτίνα φωτός να εκπέμπεται από ένα σημείο. Ας κατασκευάσουμε ένα σημείο συμμετρικό προς το σημείο σε σχέση με την ανακλώσα επιφάνεια.

Από τη συμμετρία των σημείων είναι σαφές ότι . Εκτός, . Επομένως, και, επομένως, τα σημεία βρίσκονται στην ίδια ευθεία! Η ανακλώμενη δέσμη φαίνεται να βγαίνει από ένα σημείο συμμετρικό προς το σημείο σε σχέση με την ανακλώσα επιφάνεια.Το γεγονός αυτό θα μας φανεί εξαιρετικά χρήσιμο στο πολύ κοντινό μέλλον.

Ο νόμος της ανάκλασης περιγράφει την πορεία των μεμονωμένων ακτίνων φωτός - στενών ακτίνων φωτός. Αλλά σε πολλές περιπτώσεις η δέσμη είναι αρκετά φαρδιά, δηλαδή αποτελείται από πολλές παράλληλες ακτίνες. Το σχέδιο ανάκλασης μιας ευρείας δέσμης φωτός θα εξαρτηθεί από τις ιδιότητες της ανακλώσας επιφάνειας.

Εάν η επιφάνεια είναι ανώμαλη, τότε μετά την ανάκλαση ο παραλληλισμός των ακτίνων θα διαταραχθεί. Ως παράδειγμα στο Σχ. Το σχήμα 3 δείχνει την αντανάκλαση από μια κυματιστή επιφάνεια. Οι ανακλώμενες ακτίνες, όπως βλέπουμε, πηγαίνουν σε διάφορες κατευθύνσεις.

Τι σημαίνει όμως «ανώμαλη» επιφάνεια; Ποιες επιφάνειες είναι «επίπεδες»; Η απάντηση είναι: μια επιφάνεια θεωρείται ανώμαλη εάν το μέγεθος της ανομοιομορφίας της δεν είναι μικρότερο από το μήκος των κυμάτων φωτός. Έτσι, στο Σχ. 3, το χαρακτηριστικό μέγεθος των ανωμαλιών είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός.

Μια επιφάνεια με μικροσκοπικές ανωμαλίες συγκρίσιμες με τα μήκη κύματος του ορατού φωτός ονομάζεται ματ.Ως αποτέλεσμα της ανάκλασης μιας παράλληλης δέσμης από μια ματ επιφάνεια, το αποτέλεσμα είναι διάχυτο φως- ακτίνες τέτοιου φωτός πηγαίνουν προς όλες τις πιθανές κατευθύνσεις. (Αυτός είναι ο λόγος που βλέπουμε γύρω αντικείμενα: αντανακλούν το διάσπαρτο φως, το οποίο παρατηρούμε από οποιαδήποτε γωνία.)
Η ίδια η ανάκλαση από τη ματ επιφάνεια ονομάζεται επομένως απουσιολόγοςή διαχέω. (Η λατινική λέξη diffusio σημαίνει απλώς εξάπλωση, εξάπλωση, διασπορά.)

Εάν το μέγεθος των επιφανειακών ανωμαλιών είναι μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός, τότε μια τέτοια επιφάνεια ονομάζεται καθρέφτης. Όταν αντανακλάται από μια επιφάνεια καθρέφτη, διατηρείται ο παραλληλισμός της δέσμης: οι ανακλώμενες ακτίνες πηγαίνουν επίσης παράλληλα (Εικ. 4)

Σχεδόν σαν καθρέφτης είναι η λεία επιφάνεια του νερού, του γυαλιού ή του γυαλισμένου μετάλλου. Η ανάκλαση από μια επιφάνεια καθρέφτη ονομάζεται αναλόγως καθρέφτης. Θα μας ενδιαφέρει μια απλή αλλά σημαντική ειδική περίπτωση κατοπτρικής ανάκλασης - ανάκλασης σε επίπεδο καθρέφτη.

Επίπεδος καθρέφτης.

Επίπεδος καθρέφτης - αυτό είναι το μέρος του αεροπλάνου που αντανακλά κατοπτρικά το φως. Ένας επίπεδος καθρέφτης είναι κάτι κοινό. Υπάρχουν αρκετοί τέτοιοι καθρέφτες στο σπίτι σας. Αλλά τώρα μπορούμε να καταλάβουμε γιατί, όταν κοιτάζεστε στον καθρέφτη, βλέπετε μια αντανάκλαση του εαυτού σας και των αντικειμένων δίπλα σας.

Σημειακή πηγή φωτός στο Σχ. 5 εκπέμπει ακτίνες σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Ας πάρουμε δύο κοντινές ακτίνες που πέφτουν σε έναν αεροπλάνο καθρέφτη. Γνωρίζουμε ήδη ότι οι ανακλώμενες ακτίνες θα πάνε σαν να προέρχονται από ένα σημείο συμμετρικό προς το σημείο σε σχέση με το επίπεδο του καθρέφτη.

Το πιο ενδιαφέρον πράγμα ξεκινά όταν οι αποκλίνουσες ανακλώμενες ακτίνες εισέρχονται στο μάτι μας. Η ιδιαιτερότητα της συνείδησής μας είναι ότι ο εγκέφαλος ολοκληρώνει την αποκλίνουσα δέσμη, συνεχίζοντας την πίσω από τον καθρέφτη μέχρι να διασταυρωθεί στο σημείο. Μας Φαίνεται,ότι οι ανακλώμενες ακτίνες προέρχονται από ένα σημείο - εκεί βλέπουμε ένα φωτεινό σημείο!

Αυτό το σημείο εξυπηρετεί εικόναπηγή φωτός Φυσικά, στην πραγματικότητα, τίποτα δεν λάμπει πίσω από τον καθρέφτη, καμία ενέργεια δεν συγκεντρώνεται εκεί - αυτό είναι μια ψευδαίσθηση, μια οπτική ψευδαίσθηση, ένα δημιούργημα της συνείδησής μας. Επομένως το σημείο λέγεται εικονική εικόναπηγή. Σε ένα σημείο, δεν είναι οι ίδιες οι ακτίνες του φωτός που τέμνονται, αλλά οι νοητικές τους συνέχειες «μέσα από τον υαλοπίνακα».

Είναι σαφές ότι η εικόνα θα υπάρχει ανεξάρτητα από το μέγεθος του καθρέφτη και αν η πηγή βρίσκεται ακριβώς πάνω από τον καθρέφτη ή όχι (Εικ. 6). Είναι σημαντικό μόνο οι ακτίνες που αντανακλώνται από τον καθρέφτη να πέφτουν στο μάτι - και το ίδιο το μάτι θα σχηματίσει μια εικόνα της πηγής.

Εξαρτάται από τη θέση της πηγής και το μέγεθος του καθρέφτη. πεδίο όρασης- χωρική περιοχή από την οποία είναι ορατή η εικόνα πηγής. Η περιοχή όρασης καθορίζεται από τις άκρες και τους καθρέφτες. Η κατασκευή της περιοχής όρασης εικόνας είναι ξεκάθαρη από το Σχ. 7; η επιθυμητή περιοχή όρασης επισημαίνεται με γκρι φόντο.

Πώς να κατασκευάσετε μια εικόνα ενός αυθαίρετου αντικειμένου σε έναν επίπεδο καθρέφτη; Για να γίνει αυτό, αρκεί να βρείτε μια εικόνα για κάθε σημείο αυτού του αντικειμένου. Γνωρίζουμε όμως ότι η εικόνα ενός σημείου είναι συμμετρική με το ίδιο το σημείο σε σχέση με τον καθρέφτη. Ως εκ τούτου, η εικόνα ενός αντικειμένου σε έναν επίπεδο καθρέφτη είναι συμμετρική με το αντικείμενο σε σχέση με το επίπεδο του καθρέφτη(Εικ. 8).

Η θέση του αντικειμένου σε σχέση με τον καθρέφτη και οι διαστάσεις του ίδιου του καθρέφτη δεν επηρεάζουν την εικόνα (Εικ. 9).

 4.1. Βασικές έννοιες και νόμοι της γεωμετρικής οπτικής

 Νόμοι της ανάκλασης του φωτός.
 Πρώτος νόμος ανάκλασης:
οι προσπίπτουσες και οι ανακλώμενες ακτίνες βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο με την κάθετη προς την ανακλώσα επιφάνεια, που αποκαθίσταται στο σημείο πρόσπτωσης της ακτίνας.
 Δεύτερος νόμος ανάκλασης:
η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης (βλ. Εικ. 8).
α - γωνία πρόσπτωσης, β - γωνία ανάκλασης.

 Νόμοι της διάθλασης του φωτός. Δείκτης διάθλασης.
 Πρώτος νόμος διάθλασης:
η προσπίπτουσα ακτίνα, η διαθλασμένη ακτίνα και η κάθετη που ανακατασκευάζεται στο σημείο πρόσπτωσης προς τη διεπαφή βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο (βλ. Εικ. 9).


 Δεύτερος νόμος διάθλασης:
η αναλογία του ημιτόνου της γωνίας πρόσπτωσης προς το ημίτονο της γωνίας διάθλασης είναι σταθερή τιμή για δύο δεδομένα μέσα και ονομάζεται σχετικός δείκτης διάθλασης του δεύτερου μέσου σε σχέση με το πρώτο.

  Ο σχετικός δείκτης διάθλασης δείχνει πόσες φορές η ταχύτητα του φωτός στο πρώτο μέσο διαφέρει από την ταχύτητα του φωτός στο δεύτερο μέσο:

 Ολική αντανάκλαση.
Εάν το φως περάσει από ένα οπτικά πυκνότερο μέσο σε ένα οπτικά λιγότερο πυκνό, τότε εάν πληρούται η συνθήκη α > α 0, όπου α 0 είναι η οριακή γωνία ολικής ανάκλασης, το φως δεν θα εισέλθει καθόλου στο δεύτερο μέσο. Θα αντικατοπτρίζεται πλήρως από τη διεπαφή και θα παραμείνει στο πρώτο μέσο. Σε αυτή την περίπτωση, ο νόμος της ανάκλασης φωτός δίνει την ακόλουθη σχέση:

 4.2. Βασικές έννοιες και νόμοι της κυματικής οπτικής

 Παρέμβασηείναι η διαδικασία υπέρθεσης κυμάτων από δύο ή περισσότερες πηγές μεταξύ τους, με αποτέλεσμα η κυματική ενέργεια να ανακατανέμεται στο χώρο. Για να ανακατανεμηθεί η κυματική ενέργεια στο διάστημα, είναι απαραίτητο οι πηγές κυμάτων να είναι συνεκτικές. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να εκπέμπουν κύματα της ίδιας συχνότητας και η μετατόπιση φάσης μεταξύ των ταλαντώσεων αυτών των πηγών δεν πρέπει να αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.
  Ανάλογα με τη διαφορά διαδρομής (Δ) στο σημείο επικάλυψης των ακτίνων, μέγιστη ή ελάχιστη παρεμβολή.Αν η διαφορά διαδρομής των ακτίνων από πηγές Δ είναι ίση με έναν ακέραιο αριθμό μηκών κύματος mλ (Μ- ακέραιος), τότε αυτή είναι η μέγιστη παρεμβολή:

εάν υπάρχει περιττός αριθμός ημικυμάτων, η ελάχιστη παρεμβολή είναι:

 Περίθλασηονομάζεται η απόκλιση στη διάδοση του κύματος από την ευθύγραμμη κατεύθυνση ή η διείσδυση της κυματικής ενέργειας στην περιοχή της γεωμετρικής σκιάς. Η περίθλαση παρατηρείται ξεκάθαρα σε περιπτώσεις όπου τα μεγέθη των εμποδίων και των οπών από τις οποίες διέρχεται το κύμα είναι ανάλογα με το μήκος κύματος.
  Ένα από τα οπτικά όργανα που είναι καλά για την παρατήρηση της περίθλασης του φωτός είναι πλέγμα περίθλασης.Είναι μια γυάλινη πλάκα στην οποία εφαρμόζονται πινελιές σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους με ένα διαμάντι. Απόσταση μεταξύ εγκεφαλικών επεισοδίων - σταθερά πλέγματος δ.Οι ακτίνες που διέρχονται από το πλέγμα διαθλώνται σε όλες τις πιθανές γωνίες. Ο φακός συλλέγει ακτίνες που έρχονται με την ίδια γωνία περίθλασης σε ένα από τα σημεία του εστιακού επιπέδου. Ερχόμενος σε διαφορετική οπτική γωνία - σε άλλα σημεία. Υπερτιθέμενες η μία πάνω στην άλλη, αυτές οι ακτίνες δίνουν ένα μέγιστο ή ελάχιστο του σχεδίου περίθλασης. Οι συνθήκες για την παρατήρηση των μεγίστων σε ένα πλέγμα περίθλασης έχουν τη μορφή:

Οπου Μ- ακέραιος, λ - μήκος κύματος (βλ. Εικ. 10).

Οι ανακλώμενες και οι προσπίπτουσες ακτίνες βρίσκονται σε ένα επίπεδο που περιέχει μια κάθετη στην ανακλώσα επιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης και η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης.

Φανταστείτε να λάμπετε μια λεπτή δέσμη φωτός σε μια ανακλαστική επιφάνεια, όπως να λάμπετε έναν δείκτη λέιζερ σε έναν καθρέφτη ή μια γυαλισμένη μεταλλική επιφάνεια. Η δέσμη θα ανακλάται από μια τέτοια επιφάνεια και θα διαδίδεται περαιτέρω προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η γωνία μεταξύ της κάθετης προς την επιφάνεια ( κανονικός) και ονομάζεται η αρχική ακτίνα γωνία πρόσπτωσης, και η γωνία μεταξύ της κανονικής και της ανακλώμενης ακτίνας είναι γωνία ανάκλασης.Ο νόμος της ανάκλασης δηλώνει ότι η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης. Αυτό είναι απολύτως συνεπές με αυτό που μας λέει η διαίσθησή μας. Μια ακτίνα που προσπίπτει σχεδόν παράλληλη με την επιφάνεια θα την αγγίξει ελαφρά και, αφού ανακλαστεί σε αμβλεία γωνία, θα συνεχίσει την πορεία της κατά μήκος μιας χαμηλής τροχιάς που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια. Μια ακτίνα που πέφτει σχεδόν κατακόρυφα, από την άλλη πλευρά, θα ανακλάται σε οξεία γωνία και η κατεύθυνση της ανακλώμενης ακτίνας θα είναι κοντά στην κατεύθυνση της προσπίπτουσας ακτίνας, όπως απαιτεί ο νόμος.

Ο νόμος της αντανάκλασης, όπως κάθε νόμος της φύσης, λήφθηκε με βάση παρατηρήσεις και πειράματα. Μπορεί επίσης να προκύψει θεωρητικά - τυπικά, είναι συνέπεια της αρχής του Fermat (αλλά αυτό δεν αναιρεί τη σημασία της πειραματικής αιτιολόγησής του).

Το βασικό σημείο σε αυτόν τον νόμο είναι ότι οι γωνίες μετρώνται από την κάθετη προς την επιφάνεια στο σημείο κρούσηςδέσμη. Για μια επίπεδη επιφάνεια, για παράδειγμα, έναν επίπεδο καθρέφτη, αυτό δεν είναι τόσο σημαντικό, αφού η κάθετη σε αυτήν κατευθύνεται εξίσου σε όλα τα σημεία. Ένα παράλληλο εστιασμένο φωτεινό σήμα, όπως ένας προβολέας αυτοκινήτου ή ένας προβολέας, μπορεί να θεωρηθεί ως μια πυκνή δέσμη παράλληλων ακτίνων φωτός. Εάν μια τέτοια δέσμη ανακλάται από μια επίπεδη επιφάνεια, όλες οι ανακλώμενες ακτίνες στη δέσμη θα ανακλώνται στην ίδια γωνία και θα παραμείνουν παράλληλες. Αυτός είναι ο λόγος που ένας ίσιος καθρέφτης δεν παραμορφώνει την οπτική σας εικόνα.

Ωστόσο, υπάρχουν και παραμορφωτικοί καθρέφτες. Διαφορετικές γεωμετρικές διαμορφώσεις επιφανειών καθρέφτη αλλάζουν την ανακλώμενη εικόνα με διαφορετικούς τρόπους και σας επιτρέπουν να επιτύχετε διάφορα χρήσιμα εφέ. Ο κύριος κοίλος καθρέφτης ενός ανακλαστικού τηλεσκοπίου επιτρέπει στο φως από μακρινά διαστημικά αντικείμενα να εστιάζεται στον προσοφθάλμιο φακό. Ο κυρτός καθρέφτης του αυτοκινήτου σας επιτρέπει να επεκτείνετε τη γωνία θέασης. Και οι στραβοί καθρέφτες στο δωμάτιο διασκέδασης σας επιτρέπουν να διασκεδάσετε πολύ κοιτάζοντας τις παράξενα παραμορφωμένες αντανακλάσεις του εαυτού σας.

Όχι μόνο το φως υπόκειται στο νόμο της ανάκλασης. Οποιαδήποτε ηλεκτρομαγνητικά κύματα -ραδιόφωνο, φούρνος μικροκυμάτων, ακτίνες Χ κ.λπ.- συμπεριφέρονται ακριβώς το ίδιο. Γι' αυτό, για παράδειγμα, και οι τεράστιες κεραίες λήψης των ραδιοτηλεσκοπίων και των δορυφορικών τηλεοπτικών πιάτων έχουν το σχήμα κοίλου καθρέφτη - χρησιμοποιούν την ίδια αρχή της εστίασης των εισερχόμενων παράλληλων ακτίνων σε ένα σημείο.

Οι βασικοί νόμοι της γεωμετρικής οπτικής είναι γνωστοί από την αρχαιότητα. Έτσι, ο Πλάτωνας (430 π.Χ.) καθιέρωσε τον νόμο της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός. Οι πραγματείες του Ευκλείδη διατύπωσαν τον νόμο της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός και τον νόμο της ισότητας των γωνιών πρόσπτωσης και ανάκλασης. Ο Αριστοτέλης και ο Πτολεμαίος μελέτησαν τη διάθλαση του φωτός. Αλλά η ακριβής διατύπωση αυτών νόμοι της γεωμετρικής οπτικής Οι Έλληνες φιλόσοφοι δεν μπορούσαν να το βρουν.

Γεωμετρική οπτική είναι η οριακή περίπτωση της κυματικής οπτικής, όταν το μήκος κύματος του φωτός τείνει στο μηδέν.

Τα πιο απλά οπτικά φαινόμενα, όπως η εμφάνιση σκιών και η παραγωγή εικόνων σε οπτικά όργανα, μπορούν να γίνουν κατανοητά στο πλαίσιο της γεωμετρικής οπτικής.

Η επίσημη κατασκευή της γεωμετρικής οπτικής βασίζεται σε τέσσερις νόμοι , καθιερώθηκε εμπειρικά:

· νόμος της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός.

· ο νόμος της ανεξαρτησίας των ακτίνων φωτός.

· νόμος της αντανάκλασης.

· νόμος της διάθλασης του φωτός.

Για να αναλύσει αυτούς τους νόμους, ο H. Huygens πρότεινε μια απλή και οπτική μέθοδο, που αργότερα ονομάστηκε Η αρχή του Huygens .

Κάθε σημείο στο οποίο φτάνει η διέγερση φωτός είναι ,με τη σειρά του, κέντρο δευτερευόντων κυμάτων;η επιφάνεια που περιβάλλει αυτά τα δευτερεύοντα κύματα σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή υποδεικνύει τη θέση του μπροστινού μέρους του πραγματικά διαδιδόμενου κύματος εκείνη τη στιγμή.

Με βάση τη μέθοδό του, ο Huygens εξήγησε ευθύτητα διάδοσης του φωτός Και έφερε έξω νόμους της αντανάκλασης Και διάθλαση .

Νόμος της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός :

· το φως διαδίδεται ευθύγραμμα σε οπτικά ομοιογενές μέσο.

Απόδειξη αυτού του νόμου είναι η παρουσία σκιών με αιχμηρά όρια από αδιαφανή αντικείμενα όταν φωτίζονται από μικρές πηγές.

Προσεκτικά πειράματα έχουν δείξει, ωστόσο, ότι αυτός ο νόμος παραβιάζεται εάν το φως διέρχεται από πολύ μικρές τρύπες και η απόκλιση από την ευθύτητα διάδοσης είναι μεγαλύτερη, όσο μικρότερες είναι οι τρύπες.

Η σκιά που ρίχνει ένα αντικείμενο καθορίζεται από ευθύτητα των ακτίνων φωτός σε οπτικά ομοιογενή μέσα.

Αστρονομική απεικόνιση ευθύγραμμη διάδοση του φωτός και, ειδικότερα, ο σχηματισμός της ομπρέλας και της πέτρας μπορεί να προκληθεί από τη σκίαση ορισμένων πλανητών από άλλους, για παράδειγμα έκλειψη σελήνης , όταν η Σελήνη πέφτει στη σκιά της Γης (Εικ. 7.1). Λόγω της αμοιβαίας κίνησης της Σελήνης και της Γης, η σκιά της Γης κινείται κατά μήκος της επιφάνειας της Σελήνης και η έκλειψη Σελήνης διέρχεται από πολλές μερικές φάσεις (Εικ. 7.2).

Νόμος της ανεξαρτησίας των φωτεινών δεσμών :

· το αποτέλεσμα που παράγεται από μια μεμονωμένη δέσμη δεν εξαρτάται από το αν,εάν άλλες δέσμες ενεργούν ταυτόχρονα ή εάν εξαλείφονται.

Διαιρώντας τη ροή φωτός σε ξεχωριστές δέσμες φωτός (για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας διαφράγματα), μπορεί να φανεί ότι η δράση των επιλεγμένων δεσμών φωτός είναι ανεξάρτητη.

Νόμος της Αντανάκλασης (Εικ. 7.3):

· η ανακλώμενη ακτίνα βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με την προσπίπτουσα ακτίνα και την κάθετη,έλκεται στη διεπαφή μεταξύ δύο μέσων στο σημείο πρόσκρουσης;

· γωνία πρόσπτωσηςα ίση με τη γωνία ανάκλασηςγ: α = γ

Ρύζι. 7.3 Εικ. 7.4

Να εξάγουμε τον νόμο της ανάκλασης Ας χρησιμοποιήσουμε την αρχή του Huygens. Ας υποθέσουμε ότι ένα επίπεδο κύμα (μέτωπο κύματος ΑΒμε ταχύτητα Με, πέφτει στη διεπαφή μεταξύ δύο μέσων (Εικ. 7.4). Όταν το μέτωπο του κύματος ΑΒθα φτάσει στην ανακλώσα επιφάνεια στο σημείο ΕΝΑ, αυτό το σημείο θα αρχίσει να ακτινοβολεί δευτερεύον κύμα .

Για να διανύσει το κύμα μια απόσταση Ήλιοςαπαιτούμενος χρόνος Δ t = ΠΡΟ ΧΡΙΣΤΟΥ./ υ . Την ίδια ώρα, το μέτωπο του δευτερεύοντος κύματος θα φτάσει στα σημεία του ημισφαιρίου, την ακτίνα ΕΝΑ Δ που ισούται με: υ Δ t= ήλιος.Η θέση του ανακλώμενου μετώπου κύματος αυτή τη στιγμή, σύμφωνα με την αρχή του Huygens, δίνεται από το επίπεδο DC, και η κατεύθυνση διάδοσης αυτού του κύματος είναι η ακτίνα II. Από την ισότητα των τριγώνων αλφάβητο Και ADC ρέει έξω νόμος της αντανάκλασης: γωνία πρόσπτωσηςα ίση με τη γωνία ανάκλασης γ .

Νόμος της διάθλασης (Ο νόμος του Σνελ) (Εικ. 7.5):

· Η προσπίπτουσα ακτίνα, η διαθλασμένη ακτίνα και η κάθετη που έλκεται στη διεπιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.

· ο λόγος του ημιτόνου της γωνίας πρόσπτωσης προς το ημίτονο της γωνίας διάθλασης είναι μια σταθερή τιμή για δεδομένο μέσο.

Ρύζι. 7.5 Εικ. 7.6

Παραγωγή του νόμου της διάθλασης. Ας υποθέσουμε ότι ένα επίπεδο κύμα (μέτωπο κύματος ΑΒ), που διαδίδεται στο κενό κατά μήκος της κατεύθυνσης I με ταχύτητα Με, πέφτει στη διεπαφή με το μέσο στο οποίο η ταχύτητα διάδοσής του είναι ίση με u(Εικ. 7.6).

Αφήστε το χρόνο που παίρνει το κύμα να ταξιδέψει στο μονοπάτι Ήλιος, ίσο με Δ t. Επειτα π.Χ. = sρε t. Την ίδια ώρα, το μέτωπο του κύματος ενθουσιάστηκε από το σημείο ΕΝΑσε περιβάλλον με ταχύτητα u, θα φτάσει σε σημεία του ημισφαιρίου των οποίων η ακτίνα ΕΝΑ Δ = uρε t. Η θέση του μετώπου διαθλασμένου κύματος αυτή τη στιγμή, σύμφωνα με την αρχή του Huygens, δίνεται από το επίπεδο DC, και την κατεύθυνση της διάδοσής του - από την ακτίνα III . Από το Σχ. 7.6 είναι σαφές ότι

αυτό υπονοεί Ο νόμος του Σνελ :

Μια ελαφρώς διαφορετική διατύπωση του νόμου της διάδοσης του φωτός έδωσε ο Γάλλος μαθηματικός και φυσικός P. Fermat.

Η φυσική έρευνα σχετίζεται κυρίως με την οπτική, όπου καθιέρωσε το 1662 τη βασική αρχή της γεωμετρικής οπτικής (αρχή του Fermat). Η αναλογία μεταξύ της αρχής του Fermat και των μεταβλητών αρχών της μηχανικής έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της σύγχρονης δυναμικής και της θεωρίας των οπτικών οργάνων.

Σύμφωνα με Αρχή Fermat , το φως διαδίδεται μεταξύ δύο σημείων κατά μήκος μιας διαδρομής που απαιτεί ελάχιστος χρόνος.

Ας δείξουμε την εφαρμογή αυτής της αρχής στην επίλυση του ίδιου προβλήματος διάθλασης φωτός.

Ακτίνα από πηγή φωτός μικρόπου βρίσκεται στο κενό πηγαίνει στο σημείο ΣΕ, που βρίσκεται σε κάποιο μέσο πέρα ​​από τη διεπαφή (Εικ. 7.7).

Σε κάθε περιβάλλον το συντομότερο μονοπάτι θα είναι ευθύ ΑΝΩΝΥΜΗ ΕΤΑΙΡΙΑ.Και ΑΒ. Τελεία ΕΝΑχαρακτηρίζονται από απόσταση Χαπό την κάθετη που έπεσε από την πηγή στη διεπαφή. Ας προσδιορίσουμε τον χρόνο που χρειάζεται για να διανύσουμε το μονοπάτι SAB:

.

Για να βρούμε το ελάχιστο, βρίσκουμε την πρώτη παράγωγο του τ ως προς Χκαι ορίστε το ίσο με μηδέν:

από εδώ φτάνουμε στην ίδια έκφραση που προέκυψε με βάση την αρχή του Huygens: .

Η αρχή του Fermat έχει διατηρήσει τη σημασία της μέχρι σήμερα και χρησίμευσε ως βάση για τη γενική διατύπωση των νόμων της μηχανικής (συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής).

Από την αρχή του Fermat προκύπτουν αρκετές συνέπειες.

Αναστρεψιμότητα των ακτίνων φωτός : αν αντιστρέψετε τη δοκό III (Εικ. 7.7), αναγκάζοντας το να πέσει στη διεπαφή υπό γωνίαβ, τότε η διαθλασμένη ακτίνα στο πρώτο μέσο θα διαδοθεί υπό γωνία α, δηλαδή θα πάει προς την αντίθετη κατεύθυνση κατά μήκος της δοκούΕγώ .

Ένα άλλο παράδειγμα είναι ένας αντικατοπτρισμός , που συχνά παρατηρείται από ταξιδιώτες σε ζεστούς δρόμους. Βλέπουν μια όαση μπροστά, αλλά όταν φτάνουν εκεί, υπάρχει άμμος τριγύρω. Η ουσία είναι ότι σε αυτή την περίπτωση βλέπουμε φως να περνά πάνω από την άμμο. Ο αέρας είναι πολύ ζεστός πάνω από τον ίδιο τον δρόμο και στα ανώτερα στρώματα είναι πιο κρύος. Ο ζεστός αέρας, που διαστέλλεται, γίνεται πιο σπάνιος και η ταχύτητα του φωτός σε αυτόν είναι μεγαλύτερη από τον κρύο αέρα. Επομένως, το φως δεν ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή, αλλά κατά μήκος μιας τροχιάς με το συντομότερο χρόνο, μετατρέποντας σε θερμά στρώματα αέρα.

Αν το φως προέρχεται από μέσα υψηλού δείκτη διάθλασης (οπτικά πιο πυκνό) σε ένα μέσο με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης (οπτικά λιγότερο πυκνό)( > ) , για παράδειγμα, από το γυαλί στον αέρα, τότε, σύμφωνα με το νόμο της διάθλασης, η διαθλασμένη ακτίνα απομακρύνεται από την κανονική και η γωνία διάθλασης β είναι μεγαλύτερη από τη γωνία πρόσπτωσης α (Εικ. 7.8 ΕΝΑ).

Καθώς η γωνία πρόσπτωσης αυξάνεται, η γωνία διάθλασης αυξάνεται (Εικ. 7.8 σι, V), έως ότου σε μια ορισμένη γωνία πρόσπτωσης () η γωνία διάθλασης είναι ίση με π/2.

Η γωνία λέγεται οριακή γωνία . Σε γωνίες πρόσπτωσης α > όλο το προσπίπτον φως ανακλάται πλήρως (Εικ. 7.8 σολ).

· Καθώς η γωνία πρόσπτωσης πλησιάζει την οριακή, η ένταση της διαθλασμένης δέσμης μειώνεται και η ένταση της ανακλώμενης δέσμης αυξάνεται.

· Αν , τότε η ένταση της διαθλασμένης δέσμης γίνεται μηδέν και η ένταση της ανακλώμενης δέσμης είναι ίση με την ένταση της προσπίπτουσας (Εικ. 7.8 σολ).

· Ετσι,σε γωνίες πρόσπτωσης που κυμαίνονται από π/2,η δέσμη δεν διαθλάται,και αποτυπώνεται πλήρως την πρώτη Τετάρτη,Επιπλέον, οι εντάσεις των ανακλώμενων και προσπίπτουσες ακτίνες είναι οι ίδιες. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται πλήρης προβληματισμός.

Η οριακή γωνία καθορίζεται από τον τύπο:

;

.

Το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης χρησιμοποιείται στα πρίσματα ολικής ανάκλασης (Εικ. 7.9).

Ο δείκτης διάθλασης του γυαλιού είναι n » 1,5, επομένως η οριακή γωνία για τη διεπαφή γυαλιού-αέρα = τόξο (1/1,5) = 42°.

Όταν πέφτει φως στη διεπαφή γυαλιού-αέρα στο α > Οι 42° θα είναι πάντα μια συνολική αντανάκλαση.

Στο Σχ. 7.9 Εμφανίζονται ολικά πρίσματα ανάκλασης, επιτρέποντας:

α) περιστρέψτε τη δέσμη κατά 90°.

β) περιστρέψτε την εικόνα.

γ) τυλίξτε τις ακτίνες.

Τα πρίσματα ολικής ανάκλασης χρησιμοποιούνται σε οπτικά όργανα (για παράδειγμα, σε κιάλια, περισκόπια), καθώς και σε διαθλασίμετρα που καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό του δείκτη διάθλασης των σωμάτων (σύμφωνα με το νόμο της διάθλασης, μετρώντας , προσδιορίζουμε τον σχετικό δείκτη διάθλασης δύο μέσων, καθώς και ο απόλυτος δείκτης διάθλασης ενός από τα μέσα, εάν είναι γνωστός ο δείκτης διάθλασης του δεύτερου μέσου).

Το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης χρησιμοποιείται επίσης σε οδηγούς φωτός , τα οποία είναι λεπτά, τυχαία καμπύλα νήματα (ίνες) κατασκευασμένα από οπτικά διαφανές υλικό.

Τα ινώδη μέρη χρησιμοποιούν ίνες γυαλιού, του οποίου ο πυρήνας (πυρήνας) καθοδήγησης φωτός περιβάλλεται από γυαλί - ένα κέλυφος άλλου γυαλιού με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης. Πρόσπτωση φωτός στο άκρο του οδηγού φωτός σε γωνίες μεγαλύτερες από το όριο , υφίσταται στη διεπαφή πυρήνα-κέλυφος συνολική αντανάκλαση και διαδίδεται μόνο κατά μήκος του πυρήνα-οδηγού φωτός.

Οι οδηγοί φωτός χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία τηλεγραφικά-τηλεφωνικά καλώδια μεγάλης χωρητικότητας . Το καλώδιο αποτελείται από εκατοντάδες και χιλιάδες οπτικές ίνες τόσο λεπτές όσο τα ανθρώπινα μαλλιά. Αυτό το καλώδιο, το πάχος ενός συνηθισμένου μολυβιού, μπορεί να μεταδώσει ταυτόχρονα έως και ογδόντα χιλιάδες τηλεφωνικές συνομιλίες.

Επιπλέον, οι οδηγοί φωτός χρησιμοποιούνται σε σωλήνες καθοδικών ακτίνων οπτικών ινών, σε ηλεκτρονικές μηχανές μέτρησης, για κωδικοποίηση πληροφοριών, στην ιατρική (για παράδειγμα, γαστρική διάγνωση) και για σκοπούς ολοκληρωμένης οπτικής.