Отражение света

Определения и обозначения

Отражение света — изменение направления распространения света при падении на границу раздела сред с возвращением света в исходную среду. Например, луч падает на зеркало и меняет направление, но остаётся в воздухе. Это понятие нужно, чтобы описывать поведение света у зеркал и других поверхностей.

Падающий луч — луч, направленный к поверхности, от которой происходит отражение. Он показывает, откуда свет приходит к границе сред. По его направлению определяют угол падения.

Отражённый луч — луч, распространяющийся от поверхности после отражения. Он показывает новое направление движения света. Сравнивая его с падающим лучом, можно установить, насколько изменилось направление света.

Нормаль к поверхности — перпендикуляр, восстановленный к поверхности в точке падения луча. Угол падения и угол отражения отсчитывают именно от нормали, а не от самой поверхности. Это позволяет одинаково описывать отражение на поверхностях с разным наклоном.

Как это устроено

В точке падения проводят нормаль, потому что поверхность может быть наклонена как угодно, а перпендикуляр задаёт для неё точное опорное направление. Если отсчитывать угол от поверхности, результат зависел бы от выбранного направления самой поверхности и легко возникла бы путаница. Нормаль также помогает сравнить направление луча с направлением, перпендикулярным границе.

Закон отражения света формулируется так: падающий луч, отражённый луч и нормаль в точке падения лежат в одной плоскости, а угол падения равен углу отражения. Если угол падения обозначить α, а угол отражения — β, то α = β. Поэтому отражённый луч располагается симметрично падающему относительно нормали.

Гладкая поверхность состоит из участков, нормали к которым имеют почти одинаковое направление. Поэтому параллельные лучи после отражения сохраняют упорядоченность и идут в близких направлениях: возникает зеркальное отражение. У неровной поверхности маленькие участки наклонены по-разному, их нормали различаются, и один и тот же пучок лучей отражается во множество сторон.

Изображение предмета в плоском зеркале образуется отражёнными лучами, которые попадают в глаза наблюдателя. Мозг продолжает эти лучи мысленно за зеркало и видит там точку, из которой они будто бы исходят. На самом деле за зеркалом света нет, поэтому такое изображение называют мнимым.

Для каждой точки предмета её изображение располагается симметрично относительно плоскости зеркала. Значит, расстояние от изображения до зеркала равно расстоянию от предмета до зеркала, а размеры изображения совпадают с размерами предмета. Изображение остаётся прямым, хотя его передняя и задняя стороны как бы меняются местами.

Основные понятия и свойства отражения света

Сначала найдите в таблице нужный элемент: луч, угол или вид отражения. Затем проверьте, откуда измеряется угол и какое соотношение связывает величины. Для задач об изображении используйте равенство расстояний до зеркала.

Если в условии сказано, что поверхность гладкая, ожидайте зеркальное отражение; если говорится о шероховатой поверхности, речь обычно идёт о рассеянии. Обозначения α и β помогают кратко записать закон отражения.

Разбор задач

Задача 1. Луч падает на плоское зеркало под углом 35° к нормали. Определите угол отражения. В условии уже указано, что угол дан между лучом и нормалью, поэтому это именно угол падения.

1. Обозначим угол падения: α = 35°.
2. Применим закон отражения: угол отражения равен углу падения, β = α.
3. Подставим значение: β = 35°.

Ответ: угол отражения равен 35°.

Задача 2. Угол между падающим и отражённым лучами равен 80°. Определите угол падения. Нормаль делит этот угол на два равных угла, потому что α = β.

1. Запишем сумму углов: α + β = 80°.
2. По закону отражения β = α, значит 2α = 80°.
3. Разделим обе части на 2: α = 40°.

Ответ: угол падения равен 40°.

Задача 3. Предмет находится в 1,2 м перед зеркалом. Зеркало переместили на 0,3 м в сторону предмета. На какое расстояние переместилось изображение? Удобно выбрать прямую координат: предмет остаётся на месте, а новое расстояние от предмета до зеркала уменьшается.

1. Первоначально изображение находится на 1,2 м за зеркалом.
2. После перемещения зеркала расстояние от предмета до него равно 1,2 − 0,3 = 0,9 м.
3. Новое изображение находится на 0,9 м за зеркалом. Относительно прежнего положения оно сместилось на 1,2 + 0,9? Нет: зеркало само сдвинулось на 0,3 м, поэтому координатный расчёт даёт перемещение изображения 0,6 м в сторону предмета.

Ответ: изображение переместилось на 0,6 м в сторону предмета.

Типичные ошибки

Отсчёт угла от поверхности. Угол падения измеряют между лучом и нормалью, а не между лучом и зеркалом. Ошибку вызывает смешение двух дополнительных углов. Проверьте себя: сначала поставьте мысленный перпендикуляр в точке падения.

Путаница с углом между лучами. Угол между падающим и отражённым лучами равен α + β, то есть 2α, а не одному углу падения. Так происходит, когда не учитывают обе стороны нормали. Если лучи образуют 80°, разделите это значение на два.

Уверенность, что луч всегда возвращается по прежнему пути. Обратно по той же линии луч идёт только при падении по нормали, когда угол падения равен нулю. В остальных случаях отражённый луч симметричен падающему относительно нормали. Проверьте направление луча относительно перпендикуляра.

Называть изображение действительным. За плоским зеркалом лучи не сходятся, а только кажутся выходящими из одной точки. Поэтому изображение нельзя получить на экране. Проверка проста: если экран за зеркалом не принимает изображение, оно мнимое.

Связь с другими темами

Для понимания отражения нужны знания о прямолинейном распространении света, световом луче, углах и перпендикуляре к поверхности. Без этих понятий трудно правильно построить нормаль и измерить углы.

Закон отражения понадобится при изучении преломления света, плоских и сферических зеркал, линз и оптических приборов. Эти темы используют те же построения лучей и правила работы с углами.

Отражение объясняет работу перископов, зеркал, калейдоскопов и других устройств. Направляя лучи последовательными отражениями, можно менять путь света и получать нужное изображение.

Что запомнить

• Падающий и отражённый лучи находятся по одну сторону от отражающей поверхности.
• Угол падения и угол отражения измеряют от нормали к поверхности.
• Угол падения равен углу отражения: α = β.
• Падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости.
• Гладкая поверхность даёт зеркальное отражение, шероховатая — рассеянное.
• Изображение в плоском зеркале мнимое, прямое и равно предмету по размеру.
• Расстояние от изображения до зеркала равно расстоянию от предмета до зеркала.