"Физика", Б.Кронгарт, Ш.Насохова, С.Туякбаев, В.Кем, В.Загайнова
Отражение света позволяет видеть предметы и получать их изображения в зеркалах. Направление отражённого луча определяет закон отражения: угол отражения равен углу падения, причём оба угла отсчитывают от перпендикуляра к поверхности. Плоское зеркало даёт мнимое, прямое изображение того же размера, а сферические зеркала могут собирать или рассеивать лучи. Их свойства помогают объяснить работу зеркал в быту и оптических приборах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Отражение света — изменение направления распространения света на границе двух сред с возвращением света в исходную среду. Луч может изменить направление, когда встречает поверхность, от которой свет не проходит полностью в другую среду. Это явление объясняет, почему мы видим предметы и их изображения в зеркалах.
Закон отражения света утверждает: угол отражения равен углу падения, а падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости. Перпендикуляр в этой точке называют нормалью. Закон позволяет по направлению падающего луча находить направление отражённого.
Плоское зеркало — гладкая плоская поверхность, от которой отражается свет и за которой наблюдается мнимое изображение предмета. Мнимым называют изображение, получаемое продолжениями лучей, а не их реальным пересечением. Такое определение помогает отличить изображение от предмета, который действительно можно поместить в точку пересечения лучей.
Сферическое зеркало — отражающая поверхность, являющаяся частью сферы; зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми. Их кривизна меняет направление отражённых лучей по-разному. Это понятие нужно, чтобы описывать не только отражение, но и сбор или рассеяние света.
На границе сред направление распространения света меняется, потому что поверхность задаёт условия, при которых луч возвращается в исходную среду. Для описания поворота выбирают нормаль — перпендикуляр к поверхности в точке падения. Угол между падающим лучом и нормалью называют углом падения, а между нормалью и отражённым лучом — углом отражения. Поэтому углы измеряют от нормали: она служит общей линией отсчёта для обоих лучей.
Закон отражения связывает направления двух лучей: отражённый луч отклоняется от нормали на столько же, на сколько падающий луч отклонён с другой стороны. Если направить на плоское зеркало несколько лучей от одной точки предмета, после отражения они разойдутся. Глаз воспринимает свет так, словно лучи продолжались за зеркало прямолинейно и вышли из точки пересечения этих продолжений. Поэтому изображение находится за зеркалом на том же расстоянии, на каком предмет расположен перед ним.
Изображение плоского предмета симметрично ему относительно плоскости зеркала: каждой точке предмета соответствует точка изображения на таком же удалении с другой стороны. Такая геометрия сохраняет размеры и форму, поэтому изображение равно предмету и остаётся прямым. Оно мнимое, поскольку за зеркалом нет реального схождения отражённых лучей. Кажущееся изменение левой и правой сторон не означает, что предмет перевернулся сверху вниз: верх и низ сохраняются.
У сферического зеркала отражающая поверхность имеет кривизну, поэтому нормали в разных точках направлены неодинаково. Главная оптическая ось проходит через центр сферы и середину зеркала; лучи, идущие параллельно этой оси, после отражения ведут себя особым образом. Вогнутая поверхность обращена внутрь сферы, и отражённые параллельные лучи сходятся в фокусе. Выпуклая поверхность обращена наружу: лучи расходятся, а их продолжения пересекаются в мнимом фокусе.
Фокус сферического зеркала — точка, в которой сходятся отражённые лучи, параллельные главной оптической оси, либо точка, из которой они кажутся расходящимися. Его положение и характер важны при построении изображения. Для вогнутого зеркала лучи от предмета могут реально пересечься перед зеркалом или разойтись так, что пересекаются лишь их продолжения. Поэтому положение предмета относительно фокуса и центра кривизны определяет положение, размер и характер изображения.
| Свойство | Плоское зеркало | Вогнутое сферическое зеркало | Выпуклое сферическое зеркало |
|---|---|---|---|
| Форма отражающей поверхности | Плоскость | Часть сферы, поверхность обращена внутрь | Часть сферы, поверхность обращена наружу |
| Ход параллельных лучей после отражения | Остаются параллельными | Сходятся к фокусу | Расходятся, как будто выходят из мнимого фокуса |
| Положение и характер фокуса | В конечной точке не собирает лучи; фокус условно удалён | Действительный, перед зеркалом | Мнимый, за зеркалом |
| Возможное положение изображения | За зеркалом, на равном расстоянии от него | Перед зеркалом или за ним — зависит от положения предмета | За зеркалом |
| Характер изображения | Мнимое, прямое, равное предмету | Зависит от положения предмета; возможно действительное или мнимое | Мнимое, прямое, уменьшенное |
Сначала сравните форму поверхности и ход параллельных лучей: это показывает, собирает зеркало свет или рассеивает его. Затем по строкам о фокусе и изображении уточните, где искать изображение и каким оно будет. Для вогнутого зеркала вывод о размере и характере изображения всегда сверяйте с положением предмета.
Задача 1. Луч падает на плоское зеркало под углом 35° к перпендикуляру. Найдите угол отражения и угол между падающим и отражённым лучами. Угол уже задан относительно нормали, поэтому его не нужно переводить из угла к поверхности.
Ответ: угол отражения равен 35°, угол между лучами — 70°.
Задача 2. Предмет находится в 40 см перед плоским зеркалом. Определите расстояние от предмета до его изображения и опишите изображение. Сначала найдём удаление изображения от зеркала, затем учтём, что предмет и изображение расположены по разные стороны от него.
Ответ: расстояние от предмета до изображения равно 80 см; изображение мнимое, прямое и равное предмету.
Задача 3. Предмет расположен перед вогнутым сферическим зеркалом между фокусом и центром кривизны. Постройте изображение и укажите его положение, размер и характер. Главные лучи удобно выбирать так, чтобы после отражения их направления можно было определить по свойствам зеркала.
Ответ: изображение находится за центром кривизны перед зеркалом; оно действительное, перевёрнутое и увеличенное.
Отсчитывать углы от поверхности. Так делают, потому что поверхность кажется естественной линией отсчёта, но в законе отражения углы заданы относительно нормали. Проверьте, нарисована ли в точке падения линия под прямым углом к зеркалу; именно от неё нужно измерять оба угла.
Помещать изображение плоского зеркала на его поверхность или перед ним. Ошибка возникает, когда видимое положение принимают за место реального предмета. Продлите отражённые лучи за зеркало: они пересекутся там, где глаз видит изображение. Расстояния от предмета и изображения до плоскости зеркала должны быть равны.
Называть изображение в плоском зеркале перевёрнутым сверху вниз. Кажущееся изменение левой и правой сторон иногда сбивает с толку, но вертикальная ориентация предмета сохраняется. Проверьте верх и низ изображения: верх предмета остаётся сверху. Поэтому такое изображение называют прямым.
Считать, что все сферические зеркала дают одинаковое изображение. Путают зеркала, потому что оба имеют кривую поверхность, однако вогнутое зеркало может собирать лучи, а выпуклое рассеивает их. Для проверки сначала определите вид зеркала, а затем положение предмета относительно фокуса и центра кривизны. Выпуклое зеркало даёт мнимое, прямое и уменьшенное изображение, а свойства изображения вогнутого зависят от положения предмета.
Для изучения отражения нужны знания о прямолинейном распространении света: в однородной среде световой луч изображают прямой линией. Также нужно уметь проводить перпендикуляр к поверхности и измерять углы относительно него. Это помогает верно применять закон отражения и строить лучи. Позже те же приёмы пригодятся при изучении линз, оптических приборов и построения изображений в геометрической оптике.
Почему угол падения измеряют от перпендикуляра, а не от поверхности зеркала?
Перпендикуляр, или нормаль, задаёт единое направление отсчёта для падающего и отражённого лучей. Именно относительно него формулируется закон отражения: углы этих лучей равны. Если измерять от поверхности, получится дополнительный угол, а не угол падения.
Где находится изображение предмета в плоском зеркале?
Оно находится за зеркалом, на таком же расстоянии от его плоскости, как предмет перед зеркалом. Например, предмет в 40 см от зеркала имеет изображение в 40 см за ним.
Почему изображение в плоском зеркале называют мнимым?
Отражённые лучи не проходят через изображение за зеркалом, а лишь кажутся выходящими из этой точки. Поэтому изображение нельзя получить на экране за зеркалом, хотя глаз воспринимает его как находящееся там.
Чем вогнутое зеркало отличается от выпуклого?
У вогнутого зеркала отражающая поверхность обращена внутрь сферы: параллельные главной оптической оси лучи после отражения сходятся. У выпуклого поверхность обращена наружу, и лучи расходятся, словно выходят из мнимого фокуса. Выпуклое зеркало даёт мнимое, прямое и уменьшенное изображение.
Как меняется изображение в вогнутом зеркале при перемещении предмета?
Характер изображения зависит от положения предмета относительно фокуса и центра кривизны. Если предмет находится между фокусом и центром, изображение получается действительным, перевёрнутым и увеличенным, за центром кривизны. При перемещении предмета через фокус изображение меняет характер: когда предмет ближе к зеркалу, чем фокус, оно становится мнимым, прямым и увеличенным.
§ 4.9. Явление отражения света. Плоские и сферические зеркала
