3. Диффузное (рассеянное) отражение

Определения и обозначения

Отражение света — изменение направления распространения света при попадании на границу раздела сред. При этом отражённый свет возвращается в ту среду, из которой пришёл. Это понятие помогает отличить отражение от прохождения света сквозь поверхность и от его поглощения.

Зеркальное отражение происходит от гладкой поверхности: параллельные падающие лучи после отражения остаются параллельными. Оно позволяет получить упорядоченное отражение и изображение, например в зеркале. Направление лучей при этом всё равно меняется согласно закону отражения.

Диффузное, или рассеянное, отражение — отражение от неровной поверхности, при котором отражённые лучи распространяются в разных направлениях. Так отражают свет матовая бумага и стены. Это понятие объясняет, почему поверхность можно видеть не из одного-единственного места.

Нормаль к поверхности — прямая, перпендикулярная поверхности в точке падения луча. Угол падения и угол отражения измеряют именно от нормали, а не от самой поверхности. Нормаль нужна, чтобы точно определить направления лучей и применить закон отражения.

Как это устроено

Даже поверхность, которая кажется ровной, при подробном рассмотрении состоит из множества маленьких участков с разным наклоном. Их называют микронеровностями, потому что глаз обычно не различает их отдельно. У каждого такого участка есть своя нормаль, перпендикулярная именно этому участку. Поэтому поверхность может быть шероховатой для света, даже если выглядит гладкой.

Когда луч попадает на один из участков, он отражается согласно закону отражения: угол падения равен углу отражения относительно местной нормали. Но наклон этой нормали зависит от наклона участка поверхности. Значит, при одинаковом направлении падающих лучей разные участки отправляют их в разные стороны. Так возникает рассеяние, хотя каждый отдельный луч отражается закономерно.

У зеркала поверхность достаточно гладкая, чтобы нормали на соседних участках были направлены почти одинаково. Поэтому параллельные лучи отражаются согласованно и остаются параллельными. У матовой бумаги или стены наклоны участков различаются заметнее, и отражённые лучи расходятся. Отличие связано не с тем, что один материал «умеет» отражать, а другой нет, а с микрорельефом поверхности.

Рассеянный свет попадает в глаза людей, находящихся в разных точках комнаты. Поэтому матовую поверхность можно видеть с разных направлений: из неё к наблюдателям приходят лучи, отражённые разными участками. От зеркала же лучи идут более упорядоченно. Изображение видно тогда, когда отражённые лучи направлены от зеркала к глазам наблюдателя, поэтому при перемещении можно потерять изображение или увидеть его из другого положения.

Слово «рассеяние» описывает распределение отражённых лучей, а не исчезновение света. Часть света может поглощаться любой поверхностью, но сам факт диффузного отражения означает, что отражённые лучи разошлись по направлениям. Их направление по-прежнему связано с углом падения и наклоном местной нормали. Поэтому закон отражения не перестаёт действовать даже на шероховатой поверхности.

Сравнение зеркального и диффузного отражения

Сравнивайте прежде всего поверхность и направления лучей: именно они объясняют различие между двумя видами отражения. Обратите внимание, что закон отражения выполняется в обоих столбцах. Меняется не закон, а наклон участков поверхности и вслед за ним направления отражённых лучей.

Разбор задач

Задача 1. На гладкое зеркало падает пучок параллельных лучей. Определите, будут ли отражённые лучи параллельны.

1. Пучок состоит из параллельных лучей, значит, каждый луч падает в одном и том же направлении.
2. Зеркало гладкое, поэтому нормали к его участкам имеют одинаковое направление. Угол падения для лучей пучка одинаков.
3. По закону отражения углы отражения равны углам падения. Следовательно, все лучи изменят направление одинаково и сохранят параллельность.

Ответ: да, отражённые лучи будут параллельны.

Задача 2. Параллельный пучок падает на матовую бумагу. Объясните, почему после отражения лучи распространяются в разных направлениях.

1. Бумага имеет микронеровности: соседние участки наклонены по-разному, поэтому их нормали тоже направлены неодинаково.
2. На каждом участке луч отражается так, что угол отражения равен углу падения относительно местной нормали.
3. Поскольку нормали отличаются, одинаково направленные падающие лучи после отражения получают разные направления. Это и есть диффузное отражение.

Ответ: лучи расходятся из-за разных наклонов участков бумаги; закон отражения выполняется для каждого луча.

Задача 3. Освещённую матовую стену видно из разных мест комнаты, а изображение в плоском зеркале — только из определённого положения. Объясните различие.

1. Сначала выясним, как поверхность отражает свет. У стены неровные участки имеют разные наклоны и по-разному направляют отражённые лучи.
2. Поэтому часть лучей от стены попадает к наблюдателям, стоящим в разных местах. Каждый видит освещённую поверхность, если свет приходит в его глаза.
3. У зеркала лучи отражаются упорядоченно, так как поверхность гладкая. Изображение наблюдается там, куда направлены отражённые лучи; в других местах они могут не попадать в глаза.

Ответ: стена рассеивает свет во многих направлениях, а зеркало отражает его направленно.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при диффузном отражении закон отражения не выполняется. Так думают, потому что лучи после встречи с шероховатой поверхностью расходятся и кажется, будто направления случайны. Проверь себя: выбери один маленький участок и отсчитай оба угла от его нормали — они равны.

Ошибка — путать рассеяние с поглощением света. Лучи перестают идти вместе, и это можно принять за исчезновение света, хотя направления отражённых лучей просто различаются. Проверь себя: если поверхность освещена и видна, часть света отражается и попадает к глазам.

Ошибка — считать шероховатой только поверхность с заметными глазу буграми. Это заблуждение возникает потому, что мы оцениваем поверхность по её внешнему виду, а не по влиянию на лучи. Проверь себя: если отражение рассеивает свет, микронеровности могут быть существенными, даже когда глаз их не различает.

Ошибка — думать, что при зеркальном отражении направление луча не меняется. Параллельность отражённых лучей иногда ошибочно принимают за сохранение прежнего направления. Проверь себя: сравни падающий луч с нормалью и построй отражённый с равным углом по другую сторону нормали — его направление изменится.

Связь с другими темами

Чтобы описывать отражение, нужно знать, что такое световой луч, падающий и отражённый лучи и точка падения. Нормаль задаёт удобное направление отсчёта: она проходит через точку падения и перпендикулярна поверхности. Без неё нельзя правильно сравнить углы лучей.

Тема опирается на закон отражения света: углы падения и отражения отсчитывают от нормали, и они равны. Этот закон объясняет поведение как отдельных лучей на зеркале, так и лучей на каждом маленьком участке шероховатой поверхности. Различие между видами отражения связано с направлением местных нормалей.

Понимание отражения помогает объяснить, почему мы видим предметы, как работают зеркала и почему матовые поверхности не дают чёткого изображения. Оно также позволяет отличать направленное отражение от рассеяния света. Эти представления пригодятся при изучении света и оптических приборов.

Что запомнить

• Диффузное отражение происходит от неровной поверхности.
• При диффузном отражении отражённые лучи идут в разных направлениях.
• Каждый отдельный луч подчиняется закону отражения.
• Разные направления локальных нормалей приводят к разным направлениям отражённых лучей.
• От гладкой поверхности обычно происходит зеркальное отражение.
• Диффузное отражение позволяет видеть поверхность с разных направлений.