Оптика и оптические явления в природе (стр. 4 из 6)
Все несветящиеся тела, освещаемые каким-нибудь источником, становятся видимыми только благодаря рассеиваемому ими свету. Хорошо отшлифованную поверхность стекла, поверхность спокойной воды трудно увидеть потому, что такие поверхности рассеивают очень мало света. Мы видим в них чёткие изображения окружающих освещенных предметов. Однако стоит только поверхности зеркала покрыться пылью, а поверхности воды зарябить, как они становятся хорошо видимыми.
Зависимость коэффициента отражения от угла
Известно, что в солнечный день при помощи зеркала можно получить световой «зайчик» на стене, на полу или потолке.
Объясняется это тем, что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, то есть изменяет направление. Световой «зайчик» — это след отражённого пучка света на каком-либо экране. Опыт показывает, что свет всегда отражается от границы, разделяющей две среды разной оптической плотности.
Поверхностью зеркала разделяются две среды разной оптической плотности. Если поверхность зеркала представляет собой часть плоскости, то зеркало называется плоским.
На поверхность раздела двух сред MN из точки S падает луч света, направление которого задано лучом SO. Направление отражённого луча показано лучом OB. SO — падающий луч, ОВ — отражённый. Из точки падения луча О проведён перпендикуляр ОС к поверхности MN. Угол SOC, образованный падающим лучом SO и перпендикуляром ОС, называется углом падения. Угол СОВ, образованный тем же перпендикуляром ОС иотражённым лучом, называется углом отражения.
При изменении угла падения луча будет меняться и угол отражения. Это явление удобно наблюдать на специальном приборе. Прибор представляет собой диск на подставке. На диске нанесена круговая шкала с ценой деления 10° и проведены два перпендикулярных друг к другу диаметра: 0—0 и 90—90. По краю диска можно передвигать осветитель, дающий узкий пучок света. Установим плоское зеркало на диске так, как показано на рисунке. Если пучок света падает на зеркало под углом 40°, то под таким же углом он и отражается от зеркала. Передвигая осветитель по краю диска, будем менять угол падения луча и каждый раз отмечать соответствующий ему угол отражения. Мы обнаружим, что во всех случаях угол отражения равен углу падения луча. При этом лучи отражённый и падающий лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к зеркалу в точке падения луча.
Таким образом, отражение света происходит по следующим законам:
1. Луч падения, луч отражения и перпендикуляр к границе раздела двух сред, поставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения.
3. Если луч падает на зеркало в направлении ВО (рис. первый на странице), то отражённый луч пойдёт в направлении OS. Следовательно, падающий и отражённый лучи могут меняться местами, т.е. обратимы.
Эти законы были известны ещё древним грекам, и вы можете проверить их сами, посветив в затемнённой комнате лучом света от фонарика или карманным лазером на зеркало. И самостоятельно подтвердить законы отражения света установленные экспериментально другими. К примеру, направим узкий пучок света на плоскую поверхность зеркала. Пусть зеркало – граница раздела двух сред, SO – падающий луч; ОM – перпендикуляр, проведенный в точку падения луча, OS1 – отраженный луч. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к точке падения, называется углом падения луча, а угол между отраженным лучом и этим перпендикуляром называется углом отражения, а затем поменяем местами падающий об отраженный лучи.
Защитные стёкла
Обычные оконные стекла частично пропускают тепловые лучи. Это хорошо для использования их в северных районах, а также для парников. На юге же помещения настолько перегреваются, что работать в них тяжело.
Защита от Солнца сводится либо к затемнению здания деревьями, либо к выбору благоприятной ориентации здания при перестройке. И то и другое иногда бывает затруднительным и не всегда выполнимым.
Для того чтобы стекло не пропускало тепловые лучи, его покрывают тонкими прозрачными пленками окислов металлов. Так, оловянно-сурьмяная пленка не пропускает более половины тепловых лучей, а покрытия содержащие окись железа, полностью отражают ультрафиолетовые лучи и 35-55% тепловых.
Растворы пленкообразующих солей наносят из пульверизатора на горячую поверхность стекла во время его тепловой обработки или формования. При высокой температуре соли переходят в окиси, крепко связанные с поверхностью стекла.
Подобным образом изготовляют стекла для светозащитных очков.
Полное отражение света
При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При a>a0преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.
Для наблюдения полного отражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 12). Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии с законом преломления (1.4).
Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90°. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела (см.рис. 11), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав угол паденияaбольшим a0. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е. происходит полное отражение света.
На рисунке 13 изображен пучок лучей от источника, помещенного в воде недалеко от ее поверхности. Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающей соответствующий луч.
Угол паденияa0, соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного отражения. При sinb=1 формула (1.8) принимает вид
(1.9)Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения a0. Для воды (n=1,33) он оказывается равным 48°35', для стекла (n=1,5) он принимает значение 41°51', а для алмаза (n=2,42) этот угол составляет 24°40'. Во всех случаях второй средой является воздух.
Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан водуи поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозь стенку кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.
Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 14).
Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения (рис. 15). Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.
По мере улучшения технологии изготовления длинных пучков волокон – световодов все шире начинает применяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.
Полное отражение света показывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространения света заключены в законе преломления. Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации.