Zákon odrazu světla. Ploché zrcadlo online školení pro 11. ročník na Rostelecom Lyceum | Simulátory a analýza úkolů

Jak vidíme drtivou většinu objektů kolem nás, když nejsou zdroji světla? Odpověď znáte velmi dobře, naučili jste se ji v kurzu fyziky v 8. třídě. Svět kolem nás vidíme odrážením světla.

Zákon odrazu

Nejprve si připomeňme definici.

Když paprsek světla dopadne na rozhraní dvou prostředí, dojde k jeho odrazu, tj. k jeho návratu do původního prostředí.

Vezměte prosím na vědomí následující: odraz světla zdaleka není jediným možným výsledkem dalšího chování dopadajícího paprsku; částečně proniká do jiného média, tj. je absorbován.

Absorpce světla je jev ztráty energie světelnou vlnou procházející látkou.

Sestrojme dopadající paprsek, odražený paprsek a kolmici k bodu dopadu (obr. 1).

Obr. 1. Dopadající paprsek

Úhel dopadu je úhel mezi dopadajícím paprskem a kolmicí (),

Tyto zákony poprvé formuloval Euklid ve svém díle „Katoptrika“. A my jsme se s nimi již seznámili v rámci programu fyziky pro 8. ročník.

Zákony odrazu světla

1. Dopadající paprsek, odražený paprsek a kolmice k bodu dopadu leží ve stejné rovině.
2. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

Zákon odrazu světla implikuje vratnost světelných paprsků. To znamená, že pokud prohodíme dopadající a odražený paprsek, nic se nezmění z hlediska trajektorie světelného toku.

Rozsah uplatnění zákona odrazu světla je velmi široký. Právě s tímto faktem jsme začali lekci, a to, že většinu objektů kolem nás vidíme v odraženém světle (měsíc, strom, stůl). Dalším dobrým příkladem využití odrazu světla jsou zrcadla a reflektory (katafoty).

Reflektory

Podívejme se na princip fungování jednoduchého reflektoru.

Reflektor (ze starořeckého kata – předpona znamenající úsilí, fos – „světlo“), retroreflektor, flicker (z anglického flick – „blikat“) je zařízení určené k odrážení paprsku světla směrem ke zdroji s minimálním rozptylem.

Každý cyklista ví, že jízda v noci bez odrazek může být nebezpečná.

Reflexní prvky se používají také v uniformách silničářů a dopravních policistů.

Překvapivě je vlastnost reflektoru založena na nejjednodušších geometrických faktech, zejména na zákonu odrazu.

Odraz paprsku od zrcadlového povrchu probíhá podle zákona: úhel dopadu je roven úhlu odrazu. Uvažujme plochý případ: dvě zrcadla svírají úhel 90 stupňů. Paprsek pohybující se v rovině a dopadající na jedno ze zrcadel se po odrazu od druhého zrcadla vydá přesně ve směru, kterým přišel (viz obr. 2).

Obr. 2. Princip fungování rohového reflektoru

Abychom dosáhli takového efektu v běžném trojrozměrném prostoru, je nutné uspořádat tři zrcadla ve vzájemně kolmých rovinách. Vezměme si roh krychle s hranou ve tvaru pravidelného trojúhelníku. Paprsek, který dopadne na takovou soustavu zrcadel, se po odrazu od tří rovin vydá rovnoběžně s dopadajícím paprskem v opačném směru (viz obr. 3).

Obr. 3. Rohový reflektor

Dojde k retroreflexi. Právě toto jednoduché zařízení se svými vlastnostmi se nazývá rohový reflektor.

Důkaz zákona odrazu

Uvažujme odraz rovinné vlny (vlna se nazývá rovinná, pokud jsou povrchy se stejnou fází roviny) (obr. 1).

Obr. 4. Odraz rovinné vlny

Na obrázku je plocha a jsou dva paprsky dopadající rovinné vlny, které jsou vzájemně rovnoběžné a rovina je vlnová plocha. Vlnovou plochu odražené vlny lze získat nakreslením obálky sekundárních vln, jejichž středy leží na rozhraní mezi prostředími.

Různé části vlnové plochy nedosáhnou odrazné hranice současně. Buzení kmitů v bodě začne dříve než v bodě o časový interval . V okamžiku, kdy vlna dosáhne bodu a buzení kmitů začne v tomto bodě, bude sekundární vlna se středem v bodě (odrazený paprsek) již polokoulí o poloměru . Na základě toho, co jsme právě zapsali, bude tento poloměr také roven úsečce .

Nyní vidíme: , trojúhelníky a jsou pravoúhlé, což znamená . A je úhel dopadu . A je úhel odrazu . Proto dostáváme, že úhel dopadu se rovná úhlu odrazu .

Takže pomocí Huygensova principu jsme dokázali zákon odrazu světla. Stejný důkaz lze získat pomocí Fermatova principu.

Typy reflexe

Jako příklad (obr. 5) je znázorněn odraz od zvlněného, drsného povrchu.

Obr. 5. Odraz od drsného, zvlněného povrchu

Obrázek ukazuje, že odražené paprsky se šíří různými směry. Směr kolmice k bodu dopadu se totiž bude pro různé paprsky lišit, a proto se budou lišit i úhel dopadu a úhel odrazu.

Ale co se považuje za nerovný povrch a které povrchy lze nazvat hladkými?

Povrch se považuje za nerovný, pokud rozměry jeho nerovností nejsou menší než délka světelných vln.

Povrch, který bude rovnoměrně odrážet paprsky ve všech směrech, se nazývá matný. Matný povrch nám tedy zaručuje rozptýlený nebo difúzní odraz, ke kterému dochází v důsledku nerovností, drsnosti, škrábanců.

Povrch, který rovnoměrně rozptyluje světlo všemi směry, se nazývá absolutně matný. V přírodě absolutně matný povrch nenajdete, nicméně povrch sněhu, papíru a porcelánu se jim velmi blíží.

Pokud je velikost nerovností povrchu menší než délka světelné vlny, pak se takový povrch bude nazývat zrcadlový.

Při odrazu od zrcadlového povrchu je zachována rovnoběžnost paprsku (obr. 6).

Obr. 6. Odraz od zrcadlového povrchu

Hladký povrch vody, skla a leštěného kovu je přibližně zrcadlový. I matný povrch se může jevit zrcadlově, pokud se změní úhel dopadu paprsků.

Na začátku hodiny jsme si povídali o tom, že část dopadajícího paprsku se odráží a část se pohlcuje. Ve fyzice existuje veličina, která charakterizuje, jaký podíl energie dopadajícího paprsku se odráží a jaký se pohlcuje.

Albedo

Albedo je koeficient, který ukazuje, jaká část energie dopadajícího paprsku se odráží od povrchu (z latinského albedo – „bělost“) – charakteristika difúzní odrazivosti povrchu.

Nebo jinými slovy, je to podíl, vyjádřený v procentech, odražené záření z energie dopadající na povrch.

Čím blíže je albedo jedné stovce, tím více energie se od povrchu odráží. Je snadné uhodnout, že koeficient albeda závisí na barvě povrchu, zejména se energie bude mnohem lépe odrážet od bílého povrchu než od černého.

Sníh má u látek nejvyšší albedo. Pohybuje se kolem 70–90 % v závislosti na jeho novosti a druhu. Proto sníh taje pomalu, dokud je čerstvý, nebo přesněji řečeno bílý. Hodnoty albeda pro ostatní látky a povrchy jsou znázorněny na obrázku 7.

Obr. 7. Hodnota albeda pro některé povrchy

Ploché zrcadlo

Velmi důležitým příkladem aplikace zákona odrazu světla jsou plochá zrcadla – plochý povrch, který odráží světlo zrcadlovým způsobem. Taková zrcadla máte doma.

Pojďme zjistit, jak sestrojit obraz objektů v plochém zrcadle (obr. 8).

Obr. 8. Konstrukce obrazu objektu v plochém zrcadle

– bodový zdroj světla vyzařující paprsky v různých směrech, vezměme si dva blízké paprsky dopadající na ploché zrcadlo. Odražené paprsky budou vycházet, jako by vycházely z bodu , který je symetrický k bodu vzhledem k rovině zrcadla. Nejzajímavější začne, když odražené paprsky dopadnou na naše oko: náš mozek sám dokončí rozbíhavý paprsek a pokračuje v něm za zrcadlo až do bodu .

Zdá se nám, že odražené paprsky vycházejí z bodu .

Tento bod slouží jako obraz zdroje světla. Ve skutečnosti za zrcadlem samozřejmě nic nesvítí, je to jen iluze, proto se tento bod nazývá virtuální obraz.

Zorné pole, tedy oblast prostoru, ze které je viditelný obraz zdroje, závisí na umístění zdroje a velikosti zrcadla. Zorné pole je určeno okraji zrcadla a .

Například se na sebe můžete podívat do zrcadla v koupelně pod určitým úhlem; pokud se od něj vzdálíte stranou, neuvidíte sebe ani předmět, na který se chcete dívat.

Abychom mohli sestrojit obraz libovolného objektu v plochém zrcadle, je nutné sestrojit obraz každého z jeho bodů. Pokud ale víme, že obraz bodu je symetrický vzhledem k rovině zrcadla, pak bude i obraz objektu symetrický vzhledem k rovině zrcadla (obr. 9).

Obr. 9. Symetrický odraz objektu vzhledem k rovině zrcadla

Dalším využitím zrcadla je vytvoření periskopu, což je zařízení pro pozorování z úkrytu.

Závěr

V této lekci jsme se nejen dozvěděli o zákonu odrazu, ale také jsme ho dokázali pomocí Huygensova principu, který jsme již znali. Kromě toho jsme se naučili, jak konstruovat obrazy objektů v plochém zrcadle a jak je charakterizovat.

Analýza problému zákona odrazu světla

Studenti zkoumali vztah mezi rychlostmi malého auta a jeho obrazem v plochém zrcadle v vztažné soustavě spojené se zrcadlem. Průmět vektoru rychlosti, kterým se obraz v této vztažné soustavě pohybuje, na osu je roven:

1.; 2.; 3.; 4. (viz obr. 10).

Obr. 10. Ilustrace problému

Připomeňme si, že obraz v plochém zrcadle je umístěn symetricky k objektu vzhledem k rovině zrcadla. To znamená, že pokud se auto pohybuje v čase , pak se obraz, který je umístěn symetricky, bude pohybovat ve stejném čase, a proto se obraz pohybuje od zrcadla rychlostí . Průmět na osu bude roven .

Reference

1. Žilko V. V., Markovič Ja. G. Fyzika. 11. třída. – 2011.
2. Myakishev G. Ya., Bukhovtsev B. B., Charugin V. M. Physics. 11. třída. Učebnice.
3. Kasjanov V. A. Fyzika, 11. třída. – 2004.

Další doporučené odkazy na internetové zdroje

1. Internetový portál „Fyzika pro všechny“ (Zdroj)
2. Internetový portál Jednotné sbírky digitálních vzdělávacích zdrojů (Zdroj)
3. Internetový portál „diplomivanov.narod.ru“ (Zdroj)

Domácí úkol

1. Sestrojte obrazy AB v rovinném zrcadle

2. Vytvořte obraz v plochém zrcadle