Algunas leyes de la física son difíciles de imaginar sin el uso de ayudas visuales. Esto no se aplica a la luz habitual que cae sobre varios objetos. Entonces, en el límite que separa dos medios, se produce un cambio en la dirección de los rayos de luz si este límite es mucho mayor que cuando se produce la luz cuando parte de su energía regresa al primer medio. Si parte de los rayos penetra en otro medio, entonces se refractan. En física, la energía que golpea el límite de dos medios diferentes se llama incidente, y la que regresa al primer medio se llama reflejada. Es la disposición mutua de estos rayos lo que determina las leyes de reflexión y refracción de la luz.
Términos
El ángulo entre el haz incidente y la línea perpendicular a la interfaz entre dos medios, restituidos al punto de incidencia del flujo de energía luminosa, se llama Hay otro indicador importante. Este es el ángulo de reflexión. Se produce entre el haz reflejado y la línea perpendicular restituida al punto de su incidencia. La luz puede propagarse en línea recta solo en un medio homogéneo. Diferentes medios absorben y reflejan la radiación de luz de diferentes maneras. El coeficiente de reflexión es un valor que caracteriza la reflectividad de una sustancia. Muestra cuánta energía traída por la radiación de luz a la superficie del medio será la que se lleva de él por la radiación reflejada. Este coeficiente depende de una serie de factores, siendo uno de los más importantes el ángulo de incidencia y la composición de la radiación. La reflexión total de la luz se produce cuando cae sobre objetos o sustancias con una superficie reflectante. Entonces, por ejemplo, esto sucede cuando los rayos golpean una película delgada de plata y mercurio líquido depositada sobre el vidrio. La reflexión total de la luz es bastante común en la práctica.
leyes
Las leyes de reflexión y refracción de la luz fueron formuladas por Euclides ya en el siglo III. antes de Cristo mi. Todos ellos han sido establecidos experimentalmente y son fácilmente confirmados por el principio puramente geométrico de Huygens. Según él, cualquier punto del medio al que llega la perturbación es fuente de ondas secundarias.
Primera luz: los haces incidente y reflectante, así como la línea perpendicular a la interfase, restablecida en el punto de incidencia del haz de luz, se sitúan en el mismo plano. Una onda plana incide sobre una superficie reflectante, cuyas superficies de onda son rayas.
Otra ley establece que el ángulo de reflexión de la luz es igual al ángulo de incidencia. Esto se debe a que tienen lados mutuamente perpendiculares. Basado en los principios de igualdad de los triángulos, se sigue que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Se puede probar fácilmente que se encuentran en el mismo plano con la línea perpendicular restaurada a la interfaz entre los medios en el punto de incidencia del haz. Estas leyes importantísimas también son válidas para el curso inverso de la luz. Debido a la reversibilidad de la energía, un haz que se propaga a lo largo de la trayectoria reflejada se reflejará a lo largo de la trayectoria del incidente.
Propiedades de los cuerpos reflectantes
La gran mayoría de los objetos solo reflejan la radiación de luz que incide sobre ellos. Sin embargo, no son una fuente de luz. Los cuerpos bien iluminados son perfectamente visibles desde todos los lados, ya que la radiación de su superficie se refleja y se dispersa en diferentes direcciones. Este fenómeno se llama reflexión difusa (dispersa). Ocurre cuando la luz golpea cualquier superficie rugosa. Para determinar la trayectoria del haz reflejado desde el cuerpo en el punto de su incidencia, se dibuja un plano que toca la superficie. Luego, con relación a él, se construyen los ángulos de incidencia de los rayos y de reflexión.
reflexión difusa
Solo debido a la existencia de reflexión difusa (difusa) de la energía luminosa distinguimos entre objetos que no son capaces de emitir luz. Cualquier cuerpo será absolutamente invisible para nosotros si la dispersión de los rayos es cero.
El reflejo difuso de la energía de la luz no causa molestias en los ojos de una persona. Esto se debe a que no toda la luz vuelve a su entorno original. Entonces, aproximadamente el 85% de la radiación se refleja en la nieve, el 75% en el papel blanco y solo el 0,5% en el terciopelo negro. Cuando la luz se refleja en varias superficies rugosas, los rayos se dirigen aleatoriamente entre sí. Dependiendo de la medida en que las superficies reflejan los rayos de luz, se denominan mate o espejo. Sin embargo, estos términos son relativos. Las mismas superficies pueden ser especulares y mate a diferentes longitudes de onda de la luz incidente. Una superficie que dispersa los rayos uniformemente en diferentes direcciones se considera absolutamente mate. Aunque prácticamente no existen tales objetos en la naturaleza, la porcelana sin esmaltar, la nieve y el papel de dibujo están muy cerca de ellos.
reflejo del espejo
La reflexión especular de los rayos de luz se diferencia de otros tipos en que cuando los rayos de energía caen sobre una superficie lisa en un cierto ángulo, se reflejan en una dirección. Este fenómeno es familiar para cualquiera que haya usado alguna vez un espejo bajo los rayos de luz. En este caso, se trata de una superficie reflectante. Otros cuerpos también pertenecen a esta categoría. Todos los objetos ópticamente lisos pueden clasificarse como superficies de espejo (reflectantes) si los tamaños de las faltas de homogeneidad e irregularidades en ellos son inferiores a 1 micra (no superan la longitud de onda de la luz). Para todas estas superficies, las leyes de la reflexión de la luz son válidas.
Reflexión de la luz de diferentes superficies de espejo
En tecnología, a menudo se utilizan espejos con una superficie reflectante curvada (espejos esféricos). Dichos objetos son cuerpos que tienen la forma de un segmento esférico. El paralelismo de los rayos en el caso de la reflexión de la luz desde tales superficies se viola fuertemente. Hay dos tipos de tales espejos:
Cóncavo: reflejan la luz de la superficie interna de un segmento de la esfera, se les llama recolección, ya que los rayos de luz paralelos después de la reflexión de ellos se recolectan en un punto;
Convexo: refleja la luz desde la superficie exterior, mientras que los rayos paralelos se dispersan hacia los lados, por lo que los espejos convexos se denominan dispersión.
Opciones para reflejar los rayos de luz.
Un rayo que incide casi paralelo a la superficie solo la toca ligeramente y luego se refleja en un ángulo muy obtuso. Luego continúa en una trayectoria muy baja, lo más cerca posible de la superficie. Un haz que cae casi verticalmente se refleja en un ángulo agudo. En este caso, la dirección del haz ya reflejado estará cerca de la trayectoria del haz incidente, lo cual es totalmente consistente con las leyes físicas.
refracción de la luz
La reflexión está estrechamente relacionada con otros fenómenos de la óptica geométrica, como la refracción y la reflexión interna total. A menudo, la luz atraviesa el límite entre dos medios. La refracción de la luz es un cambio en la dirección de la radiación óptica. Ocurre cuando pasa de un medio a otro. La refracción de la luz tiene dos patrones:
El haz que pasa por el límite entre los medios se encuentra en un plano que pasa por la perpendicular a la superficie y el haz incidente;
El ángulo de incidencia y refracción están relacionados.
La refracción siempre va acompañada de la reflexión de la luz. La suma de las energías de los haces de rayos reflejados y refractados es igual a la energía del haz incidente. Su intensidad relativa depende del haz incidente y del ángulo de incidencia. La estructura de muchos dispositivos ópticos se basa en las leyes de la refracción de la luz.
SOMBRA DE LA LLAMA
Encienda una vela encendida con una potente lámpara eléctrica. En la pantalla de una hoja de papel blanca, no solo aparecerá la sombra de una vela, sino también la sombra de su llama.
A primera vista, parece extraño que la propia fuente de luz pueda tener su propia sombra. Esto se explica por el hecho de que hay partículas calientes opacas en la llama de la vela y que hay una diferencia muy grande en el brillo de la llama de la vela y la poderosa fuente de luz que la ilumina. Esta experiencia es muy buena para observar cuando la vela es iluminada por los brillantes rayos del sol.
LA LEY DEL REFLEJO DE LA LUZ
Para este experimento necesitaremos: un pequeño espejo rectangular y dos lápices largos.
Coloque una hoja de papel sobre la mesa y dibuje una línea recta sobre ella. Coloque un espejo en el papel perpendicular a la línea dibujada. Para evitar que el espejo se caiga, coloque libros detrás de él.
Para verificar la estricta perpendicularidad de la línea dibujada en el papel al espejo, asegúrese de que
y esta línea y su reflejo en el espejo eran rectilíneos, sin interrupción en la superficie del espejo. Hemos creado una perpendicular.
Los lápices actuarán como rayos de luz en nuestro experimento. Coloque los lápices en una hoja de papel en lados opuestos de la línea dibujada con los extremos uno hacia el otro y hasta el punto donde la línea se apoya contra el espejo.
Ahora asegúrese de que los reflejos de los lápices en el espejo y los lápices frente al espejo formen líneas rectas, sin interrupción. Uno de los lápices desempeñará el papel del haz incidente, el otro, el haz reflejado. Los ángulos entre los lápices y la perpendicular dibujada son iguales entre sí.
Si ahora gira uno de los lápices (por ejemplo, aumentando el ángulo de incidencia), entonces también debe girar el segundo lápiz para que no haya ruptura entre el primer lápiz y su continuación en el espejo.
Cada vez que cambie el ángulo entre un lápiz y la perpendicular, debe hacerlo con otro lápiz para no perturbar la rectitud del haz de luz que representa el lápiz.
REFLEJO DEL ESPEJO
El papel viene en diferentes grados y se distingue por su suavidad. Pero incluso un papel muy suave no puede reflejarse como un espejo; no parece un espejo en absoluto. Si mira un papel tan liso a través de una lupa, puede ver inmediatamente su estructura fibrosa, distinguir depresiones y tubérculos en su superficie. La luz que cae sobre el papel se refleja tanto en los tubérculos como en las depresiones. Esta aleatoriedad de reflejos crea luz dispersa.
Sin embargo, también se puede hacer que el papel refleje los rayos de luz de una manera diferente para que no se obtenga luz difusa. Es cierto que incluso el papel muy suave está lejos de ser un espejo real, pero aun así, se puede lograr algo de reflejo a partir de él.
Tome una hoja de papel muy suave y, apoyando su borde contra el puente de su nariz, gire hacia la ventana (este experimento debe realizarse en un día brillante y soleado). Su mirada debe moverse a través del papel. Verás en él un reflejo muy pálido del cielo, vagas siluetas de árboles, casas. Y cuanto menor sea el ángulo entre la dirección de la vista y la hoja de papel, más claro será el reflejo. De manera similar, puede obtener una imagen especular de una vela o una bombilla en papel.
¿Cómo explicar que en el papel, aunque sea malo, todavía se puede ver el reflejo?
Cuando miras a lo largo de la hoja, todos los tubérculos de la superficie del papel bloquean las depresiones y se convierten en una superficie continua, por así decirlo. Ya no vemos los rayos desordenados de las depresiones, ya no nos impiden ver lo que reflejan los tubérculos.
REFLEJO DE RAYOS PARALELOS
Coloque una hoja de papel blanco grueso a una distancia de dos metros de la lámpara de mesa (al mismo nivel que ella). En un borde del papel, fortalezca el peine con dientes grandes. Asegúrese de que la luz de la lámpara pase al papel a través de los dientes del peine. Cerca del peine en sí, obtienes una franja de sombra de su "espalda". Sobre el papel, a partir de esta franja de sombra deben salir franjas paralelas de luz que pasen entre los dientes del peine.
Tome un pequeño espejo rectangular y colóquelo sobre las franjas de luz. Aparecerán rayas de rayos reflejados en el papel.
Gira el espejo para que los rayos caigan sobre él en un cierto ángulo. Los rayos reflejados también rotarán. Si dibuja mentalmente una perpendicular al espejo en el punto donde cae un rayo, entonces el ángulo entre esta perpendicular y el rayo incidente será igual al ángulo del rayo reflejado. No importa cómo cambie el ángulo de incidencia de los rayos sobre la superficie reflectante, no importa cómo gire el espejo, los rayos reflejados siempre saldrán con el mismo ángulo.
Si no hay un espejo pequeño disponible, se puede usar una regla de acero brillante o una hoja de afeitar de seguridad. El resultado será algo peor que con un espejo, pero aun así se puede llevar a cabo el experimento.
Con una navaja o una regla, también es posible hacer tales experimentos. Dobla una regla o una navaja y colócala en el camino de los rayos paralelos. Si los rayos caen sobre una superficie cóncava, entonces, reflejados, se reunirán en un punto.
Una vez en una superficie convexa, los rayos se reflejan como un abanico. Para observar estos fenómenos, la sombra que salió de la “parte trasera” del peine es muy útil.
REFLEXIÓN INTERNA TOTAL
Un fenómeno interesante ocurre con un haz de luz que sale de un medio más denso a uno menos denso, por ejemplo, del agua al aire. Un rayo de luz no siempre logra hacer esto. Todo depende de qué ángulo esté tratando de salir del agua. Aquí el ángulo es el ángulo que forma el rayo con la perpendicular a la superficie por la que quiere pasar. Si este ángulo es igual a cero, entonces sale libremente. Entonces, si coloca un botón en la parte inferior de la taza y lo mira exactamente desde arriba, entonces el botón es claramente visible.
Si aumentamos el ángulo, entonces puede llegar un momento en que nos parezca que el objeto ha desaparecido. En este momento, los rayos se reflejarán completamente desde la superficie, se adentrarán en las profundidades y no llegarán a nuestros ojos. Este fenómeno se llama reflexión interna total o reflexión total.
Experiencia 1
Haga una bola con un diámetro de 10-12 mm con plastilina y péguele una cerilla. Recorte un círculo con un diámetro de 65 mm de papel grueso o cartón. Tome un plato hondo y tire de él dos hilos paralelos al diámetro a una distancia de tres centímetros entre sí. Sujete los extremos de los hilos a los bordes de la placa con plastilina o cinta adhesiva.
Luego, perforando un círculo en el centro con un punzón, inserte un fósforo con una bola en el agujero. Haga que la distancia entre la pelota y el círculo sea de unos dos milímetros. Coloque el círculo con la bola hacia abajo sobre los hilos estirados en el centro del plato. Cuando se ve desde un lado, la pelota debe ser visible. Ahora vierta agua en el plato hasta la taza. La pelota ha desaparecido. Los rayos de luz con su imagen ya no llegaban a nuestros ojos. Ellos, reflejados en la superficie interna del agua, se adentraron en el plato. Hubo una reflexión completa.
Experiencia 2
Es necesario encontrar una bola de metal con un ojo o un agujero, colgarla de un trozo de alambre y cubrirla con hollín (lo mejor es prender fuego a un trozo de algodón humedecido con trementina, máquina o aceite vegetal). A continuación, vierta en un vaso fino de agua y, cuando la bola se haya enfriado, sumérjala en el agua. Se verá una bola brillante con un “hueso negro”. Esto se debe a que las partículas de hollín retienen aire, lo que crea una envoltura gaseosa alrededor del globo.
Experiencia 3
Vierta agua en un vaso y sumerja una pipeta de vidrio en él. Si se ve desde arriba, ligeramente inclinado en el agua para que su parte de vidrio sea claramente visible, reflejará los rayos de luz con tanta fuerza que se convertirá en un espejo, como si estuviera hecho de plata. Pero tan pronto como presione la banda elástica con los dedos y extraiga agua en la pipeta, la ilusión desaparecerá de inmediato y solo veremos una pipeta de vidrio, sin un traje de espejo. Se reflejaba en la superficie del agua en contacto con el cristal, detrás del cual había aire. Desde este límite entre el agua y el aire (en este caso no se tiene en cuenta el vidrio), los rayos de luz se reflejaban por completo y creaban la impresión de reflejarse. Cuando la pipeta se llenó de agua, el aire en ella desapareció, cesó la reflexión interna total de los rayos, porque simplemente comenzaron a pasar al agua que llenaba la pipeta.
Preste atención a las burbujas de aire que a veces aparecen en el agua en el interior del vaso. El brillo de estas burbujas también es el resultado de la reflexión interna total de la luz desde el límite del agua y el aire en la burbuja.
EL CURSO DE LOS RAYOS DE LUZ EN LA GUÍA DE LUZ
Aunque los rayos de luz viajan desde una fuente de luz en línea recta, es posible hacerlos viajar a lo largo de una trayectoria curva. Ahora, las guías de luz más delgadas están hechas de vidrio, a lo largo de las cuales los rayos de luz viajan largas distancias con varios giros.
La guía de luz más simple se puede hacer de manera bastante simple. Esta será una corriente de agua. La luz, que viaja a lo largo de una guía de luz de este tipo, encuentra un giro, se refleja desde la superficie interna del chorro, no puede escapar y viaja más adentro del chorro hasta su final. Parcialmente, el agua dispersa una pequeña fracción de la luz y, por lo tanto, en la oscuridad todavía vemos un chorro débilmente luminoso. Si el agua está ligeramente blanqueada con pintura, el chorro brillará con más fuerza.
Tome una pelota de tenis de mesa y hágale tres agujeros: para un grifo, para un tubo de goma corto, y contra este agujero el tercero es para una bombilla de luz de una linterna. Inserte la bombilla dentro de la bola con la base hacia afuera y conecte dos cables, que luego se conectan a la batería de una linterna. Asegure la bola al grifo con cinta aislante. Lubrique todas las juntas con plastilina. Luego envuelve la bola con materia oscura.
Abra el grifo, pero no demasiado fuerte. El chorro de agua que sale del tubo debe, doblado, caer no lejos del grifo. Apagar la luz. Conecte los cables a la batería. Los rayos de luz de la bombilla atravesarán el agua hacia el orificio por donde sale el agua. La luz fluirá. Solo verás su débil resplandor. La corriente principal de luz va a lo largo del chorro, no sale de él ni siquiera donde se dobla.
EXPERIENCIA CON UNA CUCHARA
Toma una cuchara brillante. Si está bien pulido, incluso parece un poco como un espejo, reflejando algo. Fúmalo sobre la llama de una vela, pero más negra. Ahora la cuchara ya no refleja nada. El hollín absorbe todos los rayos.
Bueno, ahora sumerja la cuchara ahumada en un vaso de agua. Mira: ¡brillaba como la plata! ¿Adónde se fue el hollín? Lavado, ¿verdad? Sacas la cuchara, todavía está negra ...
El punto aquí es que las partículas de hollín no se humedecen bien con el agua. Por lo tanto, se forma una especie de película alrededor de la cuchara de hollín, como si fuera una "piel de agua". ¡Como una pompa de jabón estirada sobre una cuchara como un guante! Pero una pompa de jabón es brillante, refleja la luz. Esta burbuja que rodea la cuchara también refleja.
Puedes, por ejemplo, fumar un huevo sobre una vela y sumergirlo en agua. Brillará allí como la plata.
¡Cuanto más negro, más brillante!
REFRACCIÓN DE LA LUZ
Sabes que un haz de luz es recto. Solo recuerda un rayo que atraviesa una grieta en una persiana o cortina. ¡Un rayo dorado lleno de motas arremolinadas!
Pero… los físicos están acostumbrados a probar todo experimentalmente. La experiencia con las persianas es, por supuesto, muy clara. ¿Qué puedes decir sobre la experiencia con una moneda de diez centavos en una taza? ¿No conoces esta experiencia? Ahora lo haremos contigo. Ponga una moneda de diez centavos en una taza vacía y siéntese para que ya no sea visible. Los rayos de la pieza de kopek habrían ido directamente al ojo, pero el borde de la copa bloqueó su camino. Pero lo arreglaré para que vuelvas a ver una moneda de diez centavos.
Aquí estoy echando agua en una taza... Con cuidado, despacio, para que la moneda de diez centavos no se mueva... Más, más...
¡Mira, aquí está, una moneda de diez centavos!
Apareció, como si flotara. O más bien, se encuentra en el fondo de la taza. Pero el fondo parecía haberse levantado, la copa se había "hundido". Los rayos directos de una moneda de diez centavos no te alcanzaron. Ahora los rayos están llegando. Pero, ¿cómo van alrededor del borde de la taza? ¿Se doblan o se rompen?
Puede bajar oblicuamente una cucharadita en la misma taza o en un vaso. ¡Mira, está roto! ¡El extremo, sumergido en agua, se ha roto hacia arriba! Sacamos la cuchara, es entera y recta. ¡Entonces las vigas realmente se rompen!
Fuentes: F. Rabiza "Experimentos sin instrumentos", "Hola física" L. Galpershtein
Los rayos reflejados e incidentes se encuentran en un plano que contiene la perpendicular a la superficie reflectante en el punto de incidencia, y el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Imagine que ha dirigido un delgado haz de luz a una superficie reflectante, como un puntero láser sobre un espejo o una superficie de metal pulido. El haz se reflejará en dicha superficie y se propagará más en una dirección determinada. El ángulo entre la perpendicular a la superficie ( normal) y la viga inicial se llama Ángulo de incidencia, y el ángulo entre la normal y el rayo reflejado es ángulo de reflexión La ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Esto es totalmente coherente con lo que nos dice nuestra intuición. Un haz que incide casi paralelo a la superficie sólo la tocará levemente y, habiéndose reflejado en un ángulo obtuso, continuará su camino a lo largo de una trayectoria baja situada cerca de la superficie. Un rayo que incide casi verticalmente, por otro lado, se reflejará en un ángulo agudo, y la dirección del rayo reflejado será cercana a la dirección del rayo incidente, como lo requiere la ley.
La ley de reflexión, como cualquier ley de la naturaleza, se obtuvo sobre la base de observaciones y experimentos. También se puede derivar teóricamente: formalmente, es una consecuencia del principio de Fermat (pero esto no niega la importancia de su justificación experimental).
El punto clave en esta ley es que los ángulos se miden desde la perpendicular a la superficie. en el punto de caída haz. Para una superficie plana, como un espejo plano, esto no es tan importante, ya que la perpendicular a ella se dirige de la misma manera en todos los puntos. Una señal de luz enfocada en paralelo, como la luz de un faro de automóvil o un reflector, se puede considerar como un haz denso de haces de luz paralelos. Si dicho rayo se refleja desde una superficie plana, todos los rayos reflejados en el rayo se reflejarán con el mismo ángulo y permanecerán paralelos. Por eso un espejo recto no distorsiona tu imagen visual.
Sin embargo, también hay espejos curvos. Varias configuraciones geométricas de las superficies de los espejos cambian la imagen reflejada de diferentes maneras y hacen posible lograr varios efectos útiles. El espejo cóncavo principal de un telescopio reflector permite enfocar la luz de objetos espaciales distantes en el ocular. El espejo retrovisor curvo del automóvil le permite ampliar el ángulo de visión. Y los espejos torcidos en la sala de risa te permiten divertirte desde el corazón, mirando reflejos intrincadamente distorsionados de ti mismo.
No sólo la luz obedece la ley de la reflexión. Todas las ondas electromagnéticas (radio, microondas, rayos X, etc.) se comportan exactamente de la misma manera. Es por eso que, por ejemplo, tanto las enormes antenas receptoras de los radiotelescopios como las antenas parabólicas de televisión tienen la forma de un espejo cóncavo: utilizan el mismo principio de enfocar los rayos paralelos entrantes en un punto.
En la interfaz entre dos medios diferentes, si esto interfaz excede significativamente la longitud de onda, hay un cambio en la dirección de propagación de la luz: parte de la energía luminosa regresa al primer medio, es decir reflejado, y parte penetra en el segundo medio y al mismo tiempo refractado. El haz AO se llama haz incidente, y el rayo OD es haz reflejado(ver figura 1.3). La disposición mutua de estos rayos está determinada por leyes de la reflexión y refracción de la luz.
Arroz. 1.3. Reflexión y refracción de la luz.
El ángulo α entre el haz incidente y la perpendicular a la interfaz, restaurada a la superficie en el punto de incidencia del haz, se llama Ángulo de incidencia.
El ángulo γ entre el rayo reflejado y la misma perpendicular se llama ángulo de reflexión.
Cada medio en cierta medida (es decir, a su manera) refleja y absorbe la radiación de luz. El valor que caracteriza la reflectividad de la superficie de una sustancia se llama coeficiente de reflexión. El coeficiente de reflexión muestra qué parte de la energía que la radiación lleva a la superficie de un cuerpo es la energía que se lleva de esta superficie la radiación reflejada. Este coeficiente depende de muchos factores, por ejemplo, de la composición de la radiación y del ángulo de incidencia. La luz se refleja completamente en una fina película de plata o mercurio líquido depositada sobre una hoja de vidrio.
Leyes de la reflexión de la luz.
Las leyes de la reflexión de la luz fueron descubiertas experimentalmente en el siglo III a. C. por el antiguo científico griego Euclides. Además, estas leyes se pueden obtener como consecuencia del principio de Huygens, según el cual cada punto del medio, al que ha llegado la perturbación, es fuente de ondas secundarias. La superficie de onda (frente de onda) en el momento siguiente es una superficie tangente a todas las ondas secundarias. Principio de Huygens es puramente geométrico.
Una onda plana incide sobre una superficie reflectante lisa del CM (Fig. 1.4), es decir, una onda cuyas superficies de onda son tiras.
Arroz. 1.4. Construcción de Huygens.
A 1 A y B 1 B son los rayos de la onda incidente, AC es la superficie de onda de esta onda (o el frente de onda).
Adiós frente de onda desde el punto C se desplazará en el tiempo t hasta el punto B, desde el punto A la onda secundaria se propagará a lo largo del hemisferio hasta la distancia AD = CB, ya que AD = vt y CB = vt, donde v es la velocidad de propagación de onda.
La superficie de onda de la onda reflejada es una línea recta BD, tangente a los hemisferios. Además, la superficie de la onda se moverá paralela a sí misma en la dirección de los rayos reflejados AA 2 y BB 2 .
Los triángulos rectángulos ΔACB y ΔADB tienen una hipotenusa común AB y catetos iguales AD = CB. Por lo tanto, son iguales.
Los ángulos CAB = α y DBA = γ son iguales porque son ángulos con lados mutuamente perpendiculares. Y de la igualdad de triángulos se sigue que α = γ.
También se sigue de la construcción de Huygens que los rayos incidente y reflejado se encuentran en el mismo plano con la perpendicular a la superficie restaurada en el punto de incidencia del rayo.
Las leyes de la reflexión son válidas para la dirección inversa de los rayos de luz. Debido a la reversibilidad del curso de los rayos de luz, tenemos que un rayo que se propaga por el camino del reflejado se refleja por el camino del incidente.
La mayoría de los cuerpos solo reflejan la radiación que incide sobre ellos, sin ser fuente de luz. Los objetos iluminados son visibles desde todos los lados, ya que la luz se refleja desde su superficie en diferentes direcciones, dispersándose. Este fenómeno se llama reflexión difusa o reflexión difusa. La reflexión difusa de la luz (Fig. 1.5) se produce en todas las superficies rugosas. Para determinar la trayectoria del haz reflejado de tal superficie, se dibuja un plano tangente a la superficie en el punto de incidencia del haz, y se trazan los ángulos de incidencia y reflexión con respecto a este plano.
Arroz. 1.5. Reflexión difusa de la luz.
Por ejemplo, el 85 % de la luz blanca se refleja en la superficie de la nieve, el 75 % en el papel blanco, el 0,5 % en el terciopelo negro. La reflexión difusa de la luz no provoca molestias en el ojo humano, a diferencia de la reflexión especular.
- esto es cuando los rayos de luz que caen sobre una superficie lisa en un cierto ángulo se reflejan principalmente en una dirección (Fig. 1.6). La superficie reflectante en este caso se llama espejo(o superficie del espejo). Las superficies de los espejos se pueden considerar ópticamente lisas si los tamaños de las irregularidades y las faltas de homogeneidad en ellas no superan la longitud de onda de la luz (menos de 1 μm). Para tales superficies, se cumple la ley de reflexión de la luz.
Arroz. 1.6. Reflejo de espejo de la luz.
espejo plano es un espejo cuya superficie reflectante es un plano. Un espejo plano permite ver los objetos frente a él, y estos objetos parecen estar ubicados detrás del plano del espejo. En óptica geométrica, cada punto de la fuente de luz S se considera el centro de un haz de rayos divergente (Fig. 1.7). Tal haz de rayos se llama homocéntrico. La imagen de un punto S en un dispositivo óptico es el centro S' de un haz homocéntrico de rayos reflejados y refractados en varios medios. Si la luz dispersada por las superficies de varios cuerpos golpea un espejo plano y luego, reflejada en él, cae en el ojo del observador, entonces las imágenes de estos cuerpos son visibles en el espejo.
Arroz. 1.7. Una imagen producida por un espejo plano.
La imagen S' se llama real si los rayos reflejados (refractados) del haz se cruzan en el punto S'. La imagen S' se llama imaginaria si no son los rayos reflejados (refractados) los que se cruzan en ella, sino sus continuaciones. La energía de la luz no entra en este punto. En la fig. 1.7 muestra la imagen de un punto luminoso S, que aparece con la ayuda de un espejo plano.
El rayo SO cae sobre el espejo KM en un ángulo de 0°, por lo tanto, el ángulo de reflexión es 0°, y este rayo después de la reflexión sigue el camino OS. De todo el conjunto de rayos que caen del punto S a un espejo plano, seleccionamos el rayo SO 1.
El haz SO 1 cae sobre el espejo con un ángulo α y se refleja con un ángulo γ (α = γ ). Si continuamos los rayos reflejados más allá del espejo, entonces convergerán en el punto S 1, que es una imagen imaginaria del punto S en un espejo plano. Así, a una persona le parece que los rayos salen del punto S 1, aunque en realidad no hay rayos que salgan de este punto y entren en el ojo. La imagen del punto S 1 se sitúa simétricamente al punto S más luminoso con respecto al espejo KM. Demostrémoslo.
El rayo SB, que incide sobre el espejo con un ángulo de 2 (Fig. 1.8), según la ley de reflexión de la luz, se refleja con un ángulo de 1 = 2.
Arroz. 1.8. Reflejo de un espejo plano.
De la fig. 1.8 se puede ver que los ángulos 1 y 5 son iguales - como verticales. La suma de los ángulos 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Por lo tanto, los ángulos 3 = 4 y 2 = 5.
Los triángulos rectángulos ΔSOB y ΔS 1 OB tienen un cateto común OB y los ángulos agudos 3 y 4 iguales, por lo tanto, estos triángulos son iguales en lado y dos ángulos adyacentes al cateto. Esto quiere decir que SO = OS 1 , es decir, el punto S 1 está ubicado simétricamente al punto S con respecto al espejo.
Para encontrar la imagen de un objeto AB en un espejo plano, basta con bajar las perpendiculares desde los puntos extremos del objeto hasta el espejo y, siguiéndolas más allá del espejo, apartar detrás de él una distancia igual a la distancia desde el espejo hasta el punto extremo del objeto (Fig. 1.9). Esta imagen será imaginaria y de tamaño natural. Las dimensiones y la posición relativa de los objetos se conservan, pero al mismo tiempo, en el espejo, los lados izquierdo y derecho de la imagen se invierten en comparación con el objeto mismo. Tampoco se altera el paralelismo de los rayos de luz que inciden en un espejo plano después de la reflexión.
Arroz. 1.9. Imagen de un objeto en un espejo plano.
En ingeniería, a menudo se utilizan espejos con una superficie reflectante curva compleja, como los espejos esféricos. espejo esferico- esta es la superficie del cuerpo, que tiene la forma de un segmento esférico y refleja la luz de forma especular. Se viola el paralelismo de los rayos al reflejarse en tales superficies. el espejo se llama cóncavo, si los rayos se reflejan desde la superficie interior del segmento esférico. Los rayos de luz paralelos después de la reflexión de dicha superficie se recogen en un punto, por lo que se llama un espejo cóncavo reunión. Si los rayos se reflejan en la superficie exterior del espejo, entonces convexo. Los rayos de luz paralelos se dispersan en diferentes direcciones, por lo que espejo convexo llamó dispersión.
haz de luz superficial (Fig. 3.1) (`vecS_1` - vector dirigido a lo largo del haz incidente). En el punto `O`, donde el rayo se apoya contra el plano, construimos al plano externo normal `vecN` (es decir, perpendicular) y, finalmente, a través del rayo `vecS_1` y la normal `vecN` dibujar el plano `P`. Este avión se llama plano de incidencia. Cualquiera que sea la sustancia de la que consista nuestra superficie elegida, se reflejará una parte de la radiación incidente. ¿En qué dirección irá el haz reflejado `vecS_2`?
Sería extraño que se desviara del plano de incidencia, por ejemplo, hacia la derecha o hacia la izquierda: después de todo, las propiedades del espacio a ambos lados de este plano son las mismas. Afortunadamente, esto no sucede.
El ángulo agudo que se encuentra entre el rayo `vecS_1` y la normal exterior `vecN` se denomina ángulo de incidencia. Denotemos esta esquina con el símbolo `varphi_1`. El ángulo agudo formado por el rayo reflejado `vecS_2` y la normal (denominémoslo `varphi_2`) se llama ángulo de reflexión. Numerosas observaciones y mediciones nos permiten formular el siguiente postulado de la óptica geométrica:
Postulado 3
El rayo incidente `vecS_1`, el rayo normal `vecN` y el rayo reflejado `vecS_2` siempre se encuentran en el mismo plano, llamado plano de incidencia. El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia, es decir
`varphi_2=varphi_1`. (3.1)
Introduzcamos una definición más. El ángulo 'delta', formado por la continuación del rayo incidente en un espejo plano, y el rayo reflejado en el espejo, se denominará ángulo de desviación. El ángulo de deflexión siempre es menor o igual a `180^@`. El concepto de ángulo de desviación puede interpretarse de manera mucho más amplia. En lo que sigue, llamaremos a este el ángulo formado por la continuación de un rayo que entra en un sistema óptico arbitrario y el rayo que sale de este sistema.
Determine el ángulo de deflexión de un rayo que incide sobre un espejo plano. Ángulo de incidencia `varphi_1=30^@`.
El ángulo 'alfa' formado por los rayos incidente y reflejado es igual a la suma de los ángulos de incidencia y reflexión, es decir, 'alfa=60^@'. Los ángulos 'alfa' y 'delta' son adyacentes. Como consecuencia,
`delta=180^@-60^@=120^@`.
Una superficie lisa que refleja casi toda la radiación que incide sobre ella se denomina superficie especular. Esto plantea la pregunta: ¿por qué “casi todo” y no “todo”? La respuesta es simple: no hay espejos perfectos en la naturaleza. Por ejemplo, los espejos con los que te encuentras en la vida cotidiana reflejan hasta el "90 %" de la luz incidente, y el "10 %" restante pasa parcialmente y se absorbe parcialmente.
Los láseres modernos usan espejos que reflejan hasta el '99%' de la radiación e incluso más (aunque en una región bastante estrecha del espectro, pero hablaremos de esto cuando estés en el grado 11). Para la fabricación de tales espejos, se desarrolló toda una teoría científica y se organizó una producción especial.
El agua pura y transparente también refleja parte de la radiación incidente en su superficie. Cuando la luz cae a lo largo de la normal a la superficie, se refleja un poco menos del "2%" de la energía de la radiación incidente. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, aumenta la proporción de radiación reflejada. En un ángulo de incidencia cercano a `90^@` ( caída deslizante), se refleja casi todo el '100%' de la energía incidente.
Toquemos brevemente una pregunta más. No hay superficies perfectamente lisas. Con un aumento suficientemente grande de la superficie del espejo, se pueden ver microfisuras, astillas e irregularidades, cuyo plano está inclinado con respecto al plano del espejo. Cuantas más irregularidades, más apagado parece el reflejo de los objetos en el espejo. La superficie del papel blanco para escribir está tan salpicada de irregularidades microscópicas que prácticamente no produce ningún reflejo especular. Se dice que tal superficie refleja difusamente , es decir, diferentes áreas diminutas de la superficie del papel reflejan la luz en diferentes direcciones. Pero tal superficie es claramente visible desde diferentes lugares. En general, la mayoría de los objetos reflejan la luz de forma difusa. Las superficies reflectantes difusas se utilizan como pantallas.
Sin embargo, es posible obtener una imagen especular de objetos brillantes del papel. Para hacer esto, debe mirar la superficie del papel casi a lo largo de su superficie. Lo mejor es observar el reflejo de una bombilla incandescente o el sol. ¡Haz este experimento!
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Al construir una imagen de algún punto `S` en un espejo plano, es necesario usar al menos dos haz arbitrario. La técnica de construcción es clara en la Fig. 3.2. Desde un punto de vista práctico, es conveniente dejar uno de los rayos (en la figura, es el rayo 1) a lo largo de la normal al plano del espejo.
Es costumbre llamar a la imagen de un objeto obtenido como resultado de la intersección de los rayos reflejados, válido, y la imagen obtenida al cruzar mentalmente las continuaciones de estos rayos en dirección opuesta - imaginario. Así, `S_1` es una imagen virtual de la fuente `S` en un espejo plano (Fig. 3.2).
Ejemplo 3.1
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La bombilla de la lámpara de mesa se encuentra a una distancia de `l_1=0,6` m de la superficie de la mesa y `L_2=1,8` m del techo. El filamento de una bombilla puede considerarse una fuente puntual de luz. Sobre la mesa yace un fragmento de un espejo plano en forma de triángulo con lados de `5` cm, `6` cm y `7` cm (Fig. 3.3).
1) ¿A qué distancia del techo se encuentra la imagen del filamento de la bombilla que da el espejo?
2) Hallar la forma y dimensiones del "conejito" obtenido a partir de un fragmento de un espejo en el techo (MIPT, 1996).
Hagamos un dibujo explicando el significado de la tarea (Fig. 3.3). Presta atención a dos cosas:
a) el espejo está sobre la mesa a una distancia arbitraria de la lámpara;
b) la imagen se puede construir usando cualquier rayo "reflejado" desde el plano que coincide con el plano del espejo (por ejemplo, rayos `3^"` y `4^"`). Es fácil mostrar que `SC=CS_1`, es decir, `L_3=L_1`. Por lo tanto, la distancia
`x=2L_1+L_2=>x=2*0.6+1.8=3` metro.
Para determinar la forma y el tamaño del "conejito", es conveniente considerar los rayos que "emanan" de la imagen `S_1`. Dado que el plano del espejo y el techo son paralelos, la forma del "conejito" será similar a la de un espejo. Encontremos el coeficiente de similitud. Si la longitud del lado del espejo es `h`, y la longitud del lado del "conejito" correspondiente es `H`, entonces puedes escribir la proporción:
`h/H=L_3/x=(0.6 "m")/(3 "m")=1/5=>H=5h`.
Así, las longitudes de los lados del "conejito" son `25` cm, `30` cm y `35` cm, respectivamente.
Ejemplo 3.2
En la primera habitación, hay una flor `(F)` sobre la mesa y un espejo `(M)` colgado en la pared cerca de la puerta `(D)`. Malvina `(G)` está en la habitación contigua (Fig. 3.4). Elige la afirmación correcta.
A. Desde su lugar, Malvina no puede ver la imagen imaginaria de la flor `(F)` en el espejo.
B. Desde su lugar, Malvina puede ver su imagen en el espejo.
P. Desde su lugar, Malvina no puede ver la imagen real de la flor `(F)` en el espejo.
Hagamos un dibujo explicativo (Fig. 3.5). Para ello, construiremos una imagen `F^"` de una flor. Será imaginaria.
La línea recta `F^"G` no está bloqueada por obstáculos, por lo tanto, Malvina puede ver la imagen imaginaria de la flor `(F^")`. Entonces la respuesta A no es correcta. Ella no puede ver su imagen. Entonces la respuesta B tampoco es válida. Como la imagen de la flor es imaginaria, Malvina no puede ver la imagen real de la flor.
La respuesta correcta es b.
