"Физика. Оптика. Квантовая физика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Отражение света происходит, когда свет, встретив границу двух сред, возвращается в первую среду. Главное правило описывает закон отражения: угол падения равен углу отражения, причём оба угла отсчитывают от нормали к поверхности. Плоское зеркало отражает свет так, что за ним возникает мнимое изображение предмета: прямое, равное предмету по размеру и симметричное ему относительно плоскости зеркала.
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 первую среду. Например, свет от зеркала возвращается в комнату, а не проходит сквозь его покрытие. Это понятие нужно, чтобы описывать, почему мы видим предметы в зеркалах и как направляются отражённые лучи.
Падающий луч — луч, направленный к поверхности отражения, а отражённый луч — луч, распространяющийся от неё после отражения. Падающий луч показывает, откуда приходит свет, а отражённый — куда он направится дальше. Такое различие помогает правильно применять закон отражения.
Нормаль к поверхности — перпендикуляр, восстановленный к поверхности в точке падения луча. Угол падения α отсчитывают между падающим лучом и нормалью, а угол отражения β — между отражённым лучом и нормалью. Нормаль нужна как общая исходная линия для измерения обоих углов.
Плоское зеркало — гладкая плоская поверхность, отражающая свет и создающая мнимое изображение предмета. Мнимое изображение возникает в месте пересечения продолжений отражённых лучей, хотя сами лучи туда не приходят. Знание свойств плоского зеркала позволяет строить изображение без измерения каждого луча.
У гладкой поверхности небольшие участки ориентированы почти одинаково, поэтому нормали к ним имеют близкие направления. Лучи, падающие на соседние участки, отражаются согласованно и образуют направленный отражённый пучок. У шероховатой поверхности наклоны участков различаются, поэтому каждый участок отражает свет в свою сторону, и возникает рассеянное отражение.
Углы измеряют от нормали, потому что именно перпендикуляр задаёт геометрически одинаковое направление для падающего и отражённого лучей. Если считать угол от поверхности, то его значение будет дополнительным к углу падения: например, вместо 35° получится 55°. Закон отражения формулируют так: падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости, а угол падения равен углу отражения: α = β.
Чтобы построить отражённый луч, сначала отмечают точку падения и проводят через неё нормаль к поверхности. Затем на другой стороне нормали откладывают угол, равный углу между падающим лучом и нормалью. Проведённая через точку падения сторона этого угла и есть направление отражённого луча.
Изображение предмета в зеркале строят по отдельным точкам предмета, например по его верхнему и нижнему концам. От каждой точки проводят к зеркалу два или несколько лучей, отражают их по закону отражения и продолжают отражённые лучи за зеркало пунктиром. Эти продолжения пересекаются за зеркалом, поэтому глаз воспринимает свет так, будто он пришёл из точки пересечения.
Изображение плоского зеркала мнимое, потому что за зеркалом нет реального сходящегося пучка света и изображение нельзя получить на экране. Оно прямое: верх предмета остаётся сверху. Размер изображения равен размеру предмета, а расстояние от изображения до зеркала равно расстоянию от предмета до зеркала, поэтому предмет и изображение симметричны относительно плоскости зеркала.
В таблице сначала найдите, как определяется нужная величина или свойство, а затем сверьте её с обозначением или соотношением. Особенно важно не путать угол отражения с углом между двумя лучами. Последние строки помогают проверить построение изображения в плоском зеркале.
| Свойство или величина | Что наблюдается | Формулировка или соотношение |
|---|---|---|
| Угол падения | Угол между падающим лучом и нормалью | Обозначается α |
| Угол отражения | Угол между отражённым лучом и нормалью | Обозначается β |
| Закон отражения | Падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости | α = β |
| Положение изображения | Изображение находится за зеркалом на продолжении отражённых лучей | Расстояние от изображения до зеркала равно расстоянию от предмета до зеркала |
| Размер изображения | Изображение имеет такую же высоту, как предмет | hизобр. = hпредм. |
| Характер изображения | Изображение прямое и мнимое | Его нельзя получить на экране |
Луч падает на зеркало под углом 35° к нормали. Требуется найти угол отражения и полный угол между падающим и отражённым лучами. Эти величины отсчитываются по-разному, поэтому их нельзя отождествлять.
Ответ: угол отражения равен 35°, а угол между падающим и отражённым лучами — 70°.
Предмет расположен на расстоянии 1,5 м перед плоским зеркалом. Нужно определить расстояние от изображения до зеркала и между предметом и изображением. Используем симметрию относительно плоскости зеркала.
Ответ: изображение находится в 1,5 м за зеркалом, расстояние между предметом и изображением равно 3 м.
Нужно построить лучи от верхней и нижней точек человека и определить минимальную высоту зеркала. Для каждой точки тела достаточно рассмотреть луч, который после отражения попадает в глаза наблюдателя. Благодаря равенству углов отражения эти лучи приходят к зеркалу в серединах соответствующих отрезков.
Ответ: минимальная высота зеркала равна ½ роста человека; его положение должно охватывать указанные середины.
Измеряют угол падения от поверхности зеркала, а не от нормали. Ошибка появляется, потому что на рисунке поверхность часто выглядит более заметной линией. Проверьте себя: угол падения должен иметь вершину в точке падения и лежать между лучом и перпендикуляром к зеркалу.
Считают, что отражённый луч продолжает движение за зеркалом. Так происходит из-за построения пунктирной линии изображения. На самом деле за зеркалом есть только воображаемое продолжение, а реальный луч остаётся перед зеркалом.
Называют изображение действительным, потому что его хорошо видно глазом. Видимость означает, что в глаз попадает отражённый свет, но не доказывает пересечение лучей за зеркалом. Попробуйте поставить экран в место изображения: если световое изображение на нём не появляется, оно мнимое.
Полагают, что для полного изображения человека нужно зеркало во весь рост. Это не учитывает направление лучей и закон отражения. Постройте лучи от макушки и ступней к глазам: они попадут на зеркало через середины соответствующих отрезков, поэтому нужна высота лишь в половину роста.
До изучения отражения нужны представления о прямолинейном распространении света, световом луче, угле и перпендикуляре к поверхности. Закон отражения станет основой для понимания преломления света, работы линз и построения изображений в оптических приборах. Он используется в зеркалах, перископах, телескопах и других оптических системах.
Почему угол отражения измеряют от нормали, а не от поверхности зеркала?
Нормаль задаёт единое направление отсчёта, перпендикулярное поверхности. Именно относительно неё выполняется закон отражения: угол падения равен углу отражения. Угол между лучом и поверхностью является дополнительным к углу падения.
Почему изображение в зеркале считается мнимым, если его хорошо видно?
Глаз видит свет, который после отражения действительно попадает в него. Однако реальные отражённые лучи за зеркалом не пересекаются: там сходятся только их мысленные продолжения. Поэтому изображение нельзя получить на экране и называют мнимым.
Почему в зеркале меняется видимое направление «лево — право», но не «верх — низ»?
Зеркало не переворачивает предмет непосредственно слева направо: оно меняет направление, перпендикулярное своей поверхности, то есть «перед — за зеркалом». Человек мысленно поворачивает себя к изображению и воспринимает это как обмен левой и правой сторон, тогда как верх и низ остаются на своих местах.
Как построить изображение предмета в плоском зеркале?
Для нескольких точек предмета проведите лучи к зеркалу, отразите их по закону отражения и продолжите отражённые лучи пунктиром за зеркало. Пересечения продолжений дадут соответствующие точки изображения. Проще использовать симметрию: каждую точку изображения расположить за зеркалом на таком же расстоянии, как соответствующая точка предмета перед ним.
Какой минимальной высоты должно быть зеркало, чтобы человек видел себя полностью?
Минимальная высота зеркала должна быть равна половине роста человека. Верхний край располагают посередине между глазами и макушкой, а нижний — посередине между глазами и ступнями. Это следствие закона отражения и не зависит от расстояния до зеркала.
§ 1.9. Отражение света. Плоское зеркало
