Оптика: физика, 8 класс. Закон отражения: формула

Сегодня мы расскажем о законе отражения света. Мы также выделим часть линейной оптики, к которой относится это явление.

Школа и свет

В первый класс дети идут с нетерпением. Им интересно, что значит учиться, их захватывает возня с учебниками и тетрадками. Но дисциплина – вещь строгая. Да и психологические законы замкнутой группы детей достаточно жестокие. Поэтому со школой более взрослые ученики ассоциируют только нежелание ходить туда. Тем не менее при креативном подходе к самим знаниям, можно изменить взгляд на мир уроков и дневников. Сегодня мы расскажем об одном важном понятии оптики. Физика 8 класса дает это явление как законы преломления и отражения света.

Волна и свет

Как ни странно это звучит, но свет – это волна. «В каких морях?» – спросят школьники. И мы ответим: «В электромагнитных». Начало этой сложной системе дает движущийся заряженный объект. В прямом смысле этого слова. Если экспериментатор наэлектризует кусочек янтаря и быстро побежит с ним, то в процессе движения возникнет очень слабое и очень короткое электромагнитное поле. Источником больших полей, которые пронизывают всю вселенную, являются в основном звезды. Солнце тоже объект с ненулевым зарядом, поэтому Земля буквально «купается» в созданных им частицах и электромагнитных полях. А свет – это квант электромагнитного поля, а значит, можно к нему применить закон отражения.

Отражение, преломление, поглощение

Итак, в чем же суть закона? В следующем:

1. Если на гладкую поверхность падает пучок света, то он, нормаль к поверхности в точке падения и отраженный свет лежат в одной плоскости.
2. Угол наклона падающего пучка к нормали равен углу наклона отраженного света.

Иногда учеников школы пугает непонятное слово «нормаль». Но оно совсем не страшное. Это всего лишь перпендикуляр к данной точке поверхности. И нормаль чаще всего воображаемая линия, ее надо додумывать для того, чтобы решить задачу.

Угол падения равен углу отражения

Чем вредна эта формулировка закона отражения света? 8 класс часто уменьшает количество слов в школьных правилах, чтобы лучше запомнить их. Но даже линейная оптика – предмет, в котором имеет значение вектор действия и распространения. То есть важны не только взаимные углы пучков света, но и направление их распространения. В данном случае важно не забывать, что для падающего, отраженного изображения и нормали к поверхности в точке падения есть только одна плоскость.

Виды отражения

Казалось бы, проще этого правила и быть не может. Но и здесь есть свои особенности:

1. Встречаясь с диэлектриком, свет вызывает в его атомах колебания диэлектрической поляризации. Это приводит к тому, что каждая точка среды становится вторичным источником волн. Складываясь, они порождают отраженный, преломленный и рассеянный свет.
2. Попадая на проводящий материал, электромагнитное излучение вызывает колебания электронов. Материал стремится скомпенсировать возникающий ток, отчего возникает почти полное отражение. Поэтому металл такой блестящий.
3. Диффузное отражение возникает, когда поверхность имеет шероховатости. Их размер должен превышать длину волны падающего излучения. Однако может возникнуть ситуация, при которой коротковолновое фиолетовое излучение рассеивается, а длинноволновое красное отлично отражается.
4. Внутреннее отражение. Если свет падает из более плотной среды в более разреженную (например, из воды в воздух), то при определенном угле весь пучок отражается обратно. Закон полного отражения связан с разностью показателей преломления света в среде. Его формула выражается так:

• sin j = n₂ / n₁

где j – угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, а n₂ и n₁ – показатели преломления двух сред.

Что и когда отражается?

Помимо школьных уроков и скучных задач, закон отражения, формулу которого мы привели чуть выше, можно наблюдать и в других случаях:

1. Когда волны звука отражаются от твердых поверхностей, они возвращаются обратно в виде эха. Именно из-за этого эффекта голоса детей звучат громче в закрытом дворе, чем на берегу реки. Пустая комната сразу после ремонта тоже дает эхо, а мебель, которую туда ставят потом, поглощает колебания воздуха.
2. Разведывательные корабли пускают впереди себя волны ультразвука, по скорости отражения которых можно судить о рельефе дна.
3. Радиоволны отражаются от самолетов, что и позволяет определить их местонахождение в воздухе.
4. При медицинском исследовании ультразвук отражается от границы органов и дает специалистам возможность судить о происходящих внутри человека процессах, не разрезая ткани.

Зеркало и Китай

Однако не стоит думать, что отражение – это изобретение новейшее. Как только люди научились получать чистый металл (бронза), женщины тут же захотели знать, как они выглядят.

Чтобы материал лучше отражал, его поверхность долго шлифовали вручную. А так как смотреться можно было только в одну сторону бронзового диска, другую украшали каким-нибудь рисунком.

В Древнем Китае некоторые мастера умели делать зеркала, тайна которых не разгадана до сих пор. Если солнечный зайчик от гладкой стороны такого предмета направить на белую стену или лист бумаги, то в круге света… проявится картинка, выгравированная на обратной стороне. Суть этого явления не смогли объяснить даже современные методы исследования. Предположения о том, как это происходит, такие:

1. Рисунок вдавливается насквозь, потом одна сторона ошлифовывается, а разница в структуре металла остается.
2. Медный расплав льется в подготовленный заранее шаблон, и более толстый слой металла (где у рисунка выпуклость) застывает в немного иной форме, чем тонкий элемент. Эта разница остается и после шлифовки.
3. Гладкая сторона зеркала травится кислотой. После обработки разница в цвете незаметна, но при этом в ярком солнечном свете интенсивность отраженного изображения разная.
4. На зеркальную часть предмета рисунок наносится медью другого сорта.
5. Изображение вырезают на тыльной стороне зеркала, когда лицевая часть уже отшлифована до определенной степени. Давление воздействует на обе части предмета. Зеркальная сторона покрывается как бы серией микровыпуклостей, которые соответствуют рисунку. Еще одна шлифовка завершает работу, придавая созданным буграм и впадинам более гладкий вид.

Трудно поверить в то, что в век атомной спектроскопии и рентгеновского исследования материи еще существуют загадки, связанные с отражением, но факты – вещь упрямая.