Применение явления полного отражения
Феномен полного отражения используется человеком в различных областях жизнедеятельности. Наиболее популярным его использованием является оптическое световолокно, применяемое в телекоммуникациях и медицине.
Если говорить простыми словами, то оптическое волокно представляет собой гибкий кабель, сделанный из прозрачного материала, показатель преломления которого больше, чем показатель преломления среды, окружающей этот кабель. В результате пущенный под определенным углом пучок света внутрь такого волокна достигает противоположного его конца практически без потери своей интенсивности, поскольку на своем пути он испытывает только полные отражения.
“
Ограниченное ретроотражение и его использование
Явление обратного отражения в настоящее время широко используется при производстве автомобилей, в частности при изготовлении поверхности металлических пластин, на которых пишутся номера.
Если на поверхность нанести много маленьких отражающих сфер, то можно добиться того, чтобы она отражала свет не точно обратно, а под некоторым небольшим углом. В таком случае говорят об ограниченной способности ретроотражателя. Такого же эффекта можно добиться, если нанести на поверхности вместо отражающих сфер маленькие пирамидки.
При изготовлении номеров для автомобилей не нужно, чтобы они отражали свет идеально обратно, а необходимо, чтобы отраженный пучок света был почти параллельным к падающему пучку. Благодаря этому свет, падающий на номера автомобиля из фар находящегося сзади него другого автомобиля, отражается от этих номеров, попадает в глаза водителю, и он видит номер движущейся впереди машины.
Зеркальное и диффузионное отражение
Отражающая поверхность может быть гладкой, но также может иметь и неровности. В связи с этим различают два типа отражения света:
- Зеркальное. Если неровности на отражающей поверхности малы по сравнению с длиной падающей волны, тогда пучок света отражается в определенном направлении. Здесь можно привести пример поверхности плоского зеркала, закона отражения света для которой можно применять.
- Диффузионное. Если неровности поверхности сравнимы с длиной световой волны, тогда каждая часть падающего пучка отражается от различных неровностей, при этом закон отражения света остается справедливым для каждого факта отражения, но поскольку отраженные пучки света начинают распространяться в различных направлениях, получается, что начальный пучок распадается на множество мелких пучков. В таких случаях говорят, что свет рассеивается. Примером диффузионного отражения является отражение света от деревянной поверхности.
Таким образом, если после зеркального отражения свет распространяется в конкретном направлении, то после диффузионного отражения свет “”распыляется””.
Механизм отражения
В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла. Световые волны, падающие на диэлектрик вызывают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-диполь). Все эти волны складываются и в соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля дают зеркальное отражение и преломление. При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникают колебания электронов (электрический ток), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.
В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна определённой частоты (определённого цвета). Так предметы приобретают цвет. Хотя цвет объекта определяется не только свойствами отражённого света (см. Цветовое зрение и Физиология восприятия цвета).
Закон отражения света
Отраженный
и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей
поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.
Представьте,
что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например,
посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую
поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше
в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью)
и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным
лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу
отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч,
падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись
под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко
к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под
острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению
падающего луча, как того и требует закон.
Закон
отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и
опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа
Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).
Ключевым
моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к
поверхности в точке падения луча
Для плоской поверхности, например, плоского
зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково
во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет
автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок
параллельных лучей света
Если такой пучок отразится от плоской поверхности,
все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся
параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.
Однако
имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей
зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных
полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет
сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало
заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в
комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные
отражения самих себя.
Закону
отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио,
СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему,
например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки
спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё
тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.
Законы отражения. Формулы Френеля
Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:
Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.
Сдвиг Фёдорова
Сдвиг Фёдорова — явление малого (меньше длины волны) бокового смещения луча света с круговой или эллиптической поляризацией при полном внутреннем отражении. В результате смещения отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом, как это декларирует закон отражения света геометрической оптики.
Явление теоретически предсказано Ф. И. Фёдоровым в 1954 году, позже обнаружено экспериментально.
Явление обратного отражения
Феномен обратного отражения, или ретроотражения, заключается в способности некоторых поверхностей или объектов отражать падающий на них пучок света обратно к источнику, от которого он пришел, независимо от того, под каким углом на них падает этот свет.
Такое поведение можно наблюдать в случае плоского зеркала, но только тогда, когда световой пучок падает на него перпендикулярно, то есть угол падения равен 90°.
Простой ретрорефлектор можно изготовить, если соединить два зеркала перпендикулярно друг к другу. Изображение, которое дает такой прибор, всегда того же размера, что и оригинальное, но будет перевернутым
При этом не важно, под какими углами на этот ретрорефлектор падают световые лучи, он всегда их отражает на 180°. Ниже на рисунке приведен этот ретрорефлектор, и продемонстрированы его физические свойства
Виды отражения
Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.
Зеркальное отражение
Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения; 2) угол отражения равен углу падения. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды — диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен
В важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %
Полное внутреннее отражение
Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).
С увеличением угла падения , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°:
Диффузное отражение света
При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны. По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.
Ретроотражение и оптические аберрации
Под оптической аберрацией понимают явление в физике, при котором полученное в какой-либо оптической системе изображение оказывается нечетким. Происходит это потому, что выходящий из определенной точки объекта луч света не возвращается точно в одну точку. Причинами аберрации могут быть геометрические несовершенства оптических систем, а также различная отражающая способность для разных длин волн видимого света.
Ретроотражение используется для нивелирования оптических аберраций. Делается это простым образом, полученное в оптической системе изображение объекта через ретроотражатель заново направляется в эту систему. Функция ретроотражателя заключается не только в том, что он обратно возвращает все падающие на него лучи, но и меняет волновой фронт электромагнитной волны на противоположный.
