Зеркальное и рассеянное отражение света в физике - формулы и определения с примерами

Содержание:

Зеркальное и рассеянное отражение света:

Помните мультфильм о Крошке Еноте, который хотел добраться на другой берег пруда, но ужасно боялся Того, Кто Сидит в Пруду? Что только Енот ни делал: и грозил ему кулаком, и замахивался палкой — все напрасно. Каждый раз Тот. Кто Сидит в Пруду, отвечал Крошке тем же. И только улыбка решила асе проблемы. В ответ на улыбку Крошки Енота Тот, Кто Сидит в Пруду, тоже улыбнулся. Вы, конечно, догадались, что в пруду Енот видел свое отражение.

Изображение в плоском зеркале

Каждый раз, подходя к зеркалу, мы, как и Крошка Енот, видим в нем своего «двойника*. Конечно, никакого «двойника* там нет — мы говорим, что видим в зеркале свое изображение.

Рассмотрим, как образуется изображение в плоском зеркале.

Пусть из точечного источника света S на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из множества падающих лучей выделим лучи SA, SB, SC (рис. 3.24).

Пользуясь законами отражения света, построим отраженные лучи

Нам будет казаться, что эти лучи выходят из точки , хотя в действительности никакого источника света в точке не существует. Поэтому точку В, называют мнимым изображением точки S. Плоское зеркало всегда дает мнимое изображение. (Действительное изображение можно получить, например, с помощью собирающей линзы, с которой вы познакомитесь немного позже, или маленького отверстия.)
 

Изучение изображения в плоском зеркале

Проведем опыт, с помощью которого выясним, как расположены предмет и его изображение относительно зеркала. Пусть в роли

зеркала будет плоское стекло, закрепленное вертикально. С одной стороны стекла установим горящую свечу (в стекле появится ее изображение), а с другой — точно такую же, но не зажженную (рис. 3.25, а). Передвигая незажженную свечу, найдем такое ее расположение, что эта свеча, если смотреть на нее сквозь стекло, будет казаться горящей (рис. 3.25, б). В этом случае незажженная свеча окажется в месте, где наблюдается изображение в стекле зажженной свечи.

Схематично изобразим на бумаге местоположение стекла (прямая MN), зажженной и незажженной свечей: S — зажженная свеча, — незажженная свеча (точка в нашем случае показывает также местоположение изображения зажженной свечи) (рис. 3.25, в). Если теперь соединить точки S и и провести необходимые измерения, то убедимся, что прямая MN перпендикулярна отрезку S, а длина отрезка SO равна длине отрезка 0.

Благодаря описанному опыту (а также множеству других, направленных на изучение процесса отражения света) можно установить общие характеристики изображений в плоских зеркалах:

1. плоское зеркало дает мнимое изображение предмета;
2. изображение предмета в плоском зеркале равно по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и предмет;
3. прямая, которая совмещает точку на предмете с соответствующей ей точкой на изображении предмета в зеркале, перпендикуляр на поверхности зеркала.

Зеркальное и рассеянное отражение света

Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое изображение в оконном стекле. Но изображение исчезает, если задернуть шторы: глядя на ткань, мы своего изображения не увидим. Но чем в этом случае отличается штора от стекла и почему на ней нельзя увидеть свое изображение?

Ответ на эти вопросы связан по меньшей мере с двумя физическими явлениями. Первое из них — отражение света. Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от поверхности зеркально. После зеркального отражения света, поступающего от точечного источника S, продолжения отраженных лучей соберутся в одной точке S,, которая и будет изображением точки S (рис. 3.26, а). Такой вид отражения возможен не от всех поверхностей, а только от очень гладких. Такая поверхность отражения называется зеркальной (рис. 3.26, б, в). Кроме обычного зеркала, примерами зеркальных поверхностей являются стекла автомобилей, витрин магазинов, полированная мебель, ложки и лезвия ножей из нержавеющей стали, спокойная поверхность воды (как в случае с Крошкой Енотом) и т. п.

Если свет отражается от неровной, шероховатой поверхности, то такое отражение называют рассеянным. В этом случае отраженные лучи никогда не сойдутся в одной точке и никогда не сойдутся в одной точке их продолжения (рис. 3.27, а). Таким образом, на такой поверхности нельзя получить изображение. Примеров поверхностей, которые рассеивают свет, разумеется, намного больше, чем зеркальных. Это и бетонная стена, и ствол дерева, и асфальтированное шоссе. Даже некоторые гладкие на ощупь поверхности, например кусок пластика или обложка книги (рис. 3.27, <5, в), для света являются недостаточно гладкими, шероховатыми — свет отражается от таких поверхностей рассеянно.

Другое физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение предметов с помощью любых физических тел, — это поглощение света. Оказывается, свет может не только отражаться от физических тел, но и поглощаться ими. Наилучший отражатель света — зеркало: оно отражает более 90 % света, падающего на него. Хорошими отражателями являются также тела белого цвета. Именно поэтому в солнечный зимний день, когда все вокруг бело от снега, мы жмуримся, защищая глаза от яркого света. А вот черная поверхность поглощает практически весь свет, и, например, на черный бархат можно смотреть не жмурясь даже при очень ярком освещении.

• Заказать решение задач по физике

Белый лист хорошо отражает свет, но мы не видим в нем своего изображения, так как поверхность бумаги шероховатая, значит, в этом случае мы имеем дело с рассеянным отражением света. А вот поверхность черного автомобиля в основном поглощает свет, но некоторую его часть отражает, причем зеркально, так как поверхность автомобиля полированная, т. е. довольно гладкая. Именно поэтому мы можем видеть свое изображение, правда, не очень яркое, в поверхности черного автомобиля.

Зеркальные поверхности широко используются еще с глубокой древности. Некоторые из примеров применения зеркал сегодня показаны на рис. 3.28.

Пример №1

Предмет был расположен на расстоянии 30 см от плоского зеркала (положение 1). Потом предмет передвинули от зеркала на 10 см в направлении, перпендикулярном поверхности зеркала, и на 15 см — параллельно ей (положение 2). Каким было расстояние между предметом и его изображением в положении предмета 1 и каким оно стало в положении 2?

Дано:

Анализ физической проблемы

Сделаем пояснительный чертеж, где обозначим известные нам расстояния (рис. 3.29). Найдем местоположение изображения предмета для каждого из указанных положений предмета, основываясь на том, что изображение предмета в плоском зеркале расположено на том же расстоянии от зеркала, что и сам предмет (рис. 3.30).

Решение

Определим расстояние — между предметом и его изображением в первом случае (положение предмета 1):

Определим расстояние — между предметом и его изображением во втором случае (положение предмета 2), учитывая, что передвижение предмета параллельно поверхности зеркала не изменяет расстояния между предметом и его изображением:

Ответ: расстояние от предмета до его изображения в положении 1 равно 60 см, в положении 2 — 80 см.
 

Пример №2

На рис. 3.31 схематически изображен предмет ВС и зеркало NM. Найдите графически область, из которой изображение предмета видно полностью. Анализ физической проблемы Чтобы видеть изображение определенной точки предмета в зеркале, необходимо, чтобы в глаз наблюдателя отразилась хотя бы часть из тех лучей, которые падают из этой точки на зеркало.

В нашем случае в глаз должны отразится лучи, выходящие из крайних точек предмета ВС

понятно, что при этом условии в глаз отражаются и лучи, выходящие из всех остальных точек предмета).

Решение и анализ результатов:

1. Построим лучи ВМ и BN, которые падают на крайние точки зеркала MN из точки В (рис. 3.32, а). Эти лучи ограничивают пучок всех лучей, которые после отражения в зеркале пойдут расходящимся пучком и дадут на своем продолжении точку , которая является изображением точки В в плоском зеркале. Область, ограниченная поверхностью зеркала и лучами, отраженными от крайних точек зеркала (луче МА и VF), и будет областью, из которой видно изображения точки В в зеркале.
2. Аналогично построив изображение точки С в зеркале, найдем область, из которой видно это изображение (рис. 3.32, б).
3. Видеть изображение всего предмета наблюдатель может только в том случае, если в его глаз попадают лучи, которые дают оба изображения — (рис. 3.32, в). Итак, оранжевая область — это область, из которой изображение предмета видно полностью.