Угол падения луча в явлениях отражения и преломления
Каждому школьнику известно, что свет в однородной прозрачной среде движется по прямой траектории. Этот факт позволяет рассматривать многие оптические явления в рамках концепции светового луча. В данной статье рассказано об угле падения луча, и для чего важно знать этот угол.
Луч света - микрометровая электромагнитная волна
В физике существуют волны различной природы: звуковые, морские, электромагнитные и некоторые другие. Тем не менее, понятие "луч" применяется только для электромагнитных волн, частью которых является видимый спектр. Само слово "луч" можно представить в виде прямой, соединяющей две точки в пространстве.
Свет (в качестве волны) можно рассматривать в виде прямой линии, ведь каждая волна подразумевает наличие колебаний. Ответ на этот вопрос заключается в значении длины волны. Так, для морских и звуковых длина находится в пределах от нескольких сантиметров до десятков метров. Конечно, такие колебания сложно назвать лучом. Длина волн света же меньше одного микрометра. Такие колебания человеческий глаз не в состоянии различить, поэтому нам и кажется, что мы видим прямой луч.
Для полноты стоит отметить, что световой луч виден только тогда, когда он начинает рассеиваться на мелких частицах, например, в пыльной комнате или капельках тумана.
Где важно знать угол, при котором луч падает на препятствие?
Явления отражения и преломления - это самые известные оптические эффекты, с которыми человек сталкивается буквально каждый день, когда смотрит на себя в зеркало или выпивает стакан чая, предварительно взглянув на ложку в нем.
Математическое описание преломления и отражения предполагает знание об угле падения луча. Например, явление отражения характеризуется равенством угла отражения и падения. Если описывать со стороны процесса преломления, угол падения и угол преломления связаны друг с другом через функции синусов и показатели преломления сред (закон Снелла).
Угол, при котором световой луч падает на границу раздела двух прозрачных сред, играет важную роль при рассмотрении эффекта внутреннего полного отражения в оптически более плотном материале. Этот эффект наблюдается только в случае углов падения, которые больше некоторого критического значения.
Геометрическое определение рассматриваемого угла
Можно предположить, что существует некоторая поверхность, которая разделяет две среды. Эта поверхность может быть плоскостью, как в случае зеркала, или же иметь более сложную форму, например, ребристая поверхность моря. Представьте, что на эту поверхность падает световой луч. Как определить угол падения света? Сделать это достаточно просто. Ниже приводится последовательность действий, которые следует проделать, чтобы найти искомый угол.
- Сначала необходимо определить точку пересечения луча с поверхностью.
- Через O следует провести перпендикуляр к рассматриваемой поверхности. Его часто называют нормалью.
- Угол падения луча равен углу между ним и нормалью. Его можно измерить простым транспортиром.
Как видно, найти рассматриваемый угол не сложно. Тем не менее, школьники часто допускают ошибку, измеряя его между плоскостью и лучом. Необходимо запомнить, что угол падения всегда отсчитывается от нормали, независимо от формы поверхности и среды, в которой он распространяется.
Сферические зеркала, линзы и падающие на них лучи
Знание свойств углов падения определенных лучей используется при построении изображений в сферических зеркалах и тонких линзах. Чтобы построить такие изображения, достаточно знать, как ведут себя два различных луча при взаимодействии с названными оптическими приборами. Пересечение этих лучей определяет положение точки изображения. В общем случае всегда можно найти три разных луча, ход которых точно известен (третий луч можно использовать для проверки правильности построенного изображения). Ниже названы эти лучи.
- Идущий параллельно главной оптической оси прибора. Он после отражения или преломления проходит через фокус.
- Идущий через фокус прибора луч. Он всегда отражается или преломляется параллельно главной оси.
- Идущий через оптический центр (для сферического зеркала он совпадает с центром сферы, для линзы он находится внутри нее). Такой луч не изменяет своей траектории.
Выше на рисунке приведены схемы построения изображений для разных вариантов расположения объекта относительно тонких линз.