Зеркальное отображение: отражение и преломление света

Когда люди смотрят в зеркало, они видят себя за стеклом. Это изображение возникает в результате того, что лучи света сталкиваются с блестящей поверхностью и отражаются назад, создавая «зеркальное отображение». Люди обычно думают, что отражение перевернуто слева направо; однако это заблуждение. Если вы смотрите на север и смотрите прямо в зеркало, восточная сторона вашего лица все еще находится на восточной стороне изображения, и то же самое верно и для западной стороны. Зеркало не переворачивает изображение слева направо; он переворачивает его спереди назад. Например, если вы смотрите на север, ваше отражение смотрит на юг.

Отражение световых лучей — один из основных аспектов геометрической оптики; другой — преломление или искривление световых лучей. Геометрическая оптика — это один из двух широких классов оптики, области, которая «занимается распространением света через прозрачные среды», как сказал Ричард Фицпатрик, профессор физики Техасского университета в Остине, в конспектах лекции к курсу Электромагнетизм и оптика. (Другой класс — физическая оптика.)

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика рассматривает свет как непрерывные лучи (в отличие от волн или частиц), которые движутся через прозрачную среду в соответствии с к трем законам. Первый закон гласит, что лучи света движутся через подобные прозрачные среды по прямым линиям. Второй гласит, что когда луч света встречает гладкую, блестящую (или проводящую) поверхность, такую ​​как зеркало, луч отражается от этой поверхности. Третий закон определяет, как ведут себя световые лучи, когда они проходят между двумя разными средами, такими как воздух и вода. Например, когда вы смотрите на ложку в стакане с водой, кажется, что погруженная часть ложки находится в другом месте, чем ожидалось. Это происходит потому, что световые лучи меняют направление, когда переходят из одного прозрачного материала (воздуха) в другой (воду).

Сэр Исаак Ньютон заложил основы геометрической оптики в своей классической работе 1704 года «Оптика». Описанные им принципы до сих пор используются при разработке очков, телескопов, микроскопов, очков и линз камер.

В В телескоп-отражатель свет падает на главное зеркало и отражается обратно во вторичное зеркало, которое направляет свет к линзе окуляра. (Изображение предоставлено Университетом Содружества Вирджинии)

Отражение

Отражения от плоских поверхностей довольно легко понять. Отражение кажется на таком же расстоянии от «другой стороны» зеркала, как и глаза зрителя от зеркала. Кроме того, когда свет отражается от зеркала, он отражается под тем же углом в противоположном направлении, от которого он падает.. Например, если свет падает на плоское или «плоское зеркало» под углом 30 градусов слева, он будет отражаться под углом 30 градусов вправо.

Однако, если поверхность зеркала изогнута, углы отражения будут разными в разных точках на поверхности. Чаще всего в оптических устройствах используется изогнутая поверхность — сферическое зеркало. Если зеркало выпуклое или изогнутое наружу, оно будет отражать более широкую область, в которой изображения будут казаться меньше и дальше, чем изображения от плоского зеркала. Эти зеркала часто используются в качестве наружных зеркал заднего вида на автомобилях и для наблюдения за большими площадями в магазинах.

Если поверхность вогнута или изогнута внутрь, группа световых лучей от удаленного источника отражается обратно в одно место, известное как фокус. Обычно это дает увеличивающий эффект, такой как у косметического зеркала. Радиус кривизны зеркала определяет его коэффициент увеличения и фокусное расстояние.

Ньютон использовал вогнутое сферическое зеркало для создания своего телескопа-рефлектора, конструкция которого до сих пор пользуется популярностью у астрономов-любителей из-за своей простоты, низкой стоимости и высокого качества изображения.

В отражающем телескопе Ньютона световые лучи от далеких объектов, которые по существу параллельны (потому что они исходят издалека), падают на вогнутое главное зеркало под тем же углом. Затем лучи отражаются обратно вверх через трубу телескопа к фокусной точке. Однако прежде, чем они достигнут точки фокусировки, они попадают во вторичное плоское зеркало, наклоненное под углом 45 градусов. Вторичное зеркало отводит свет через отверстие в боковой части трубки. Затем линза окуляра фокусирует свет. Это дает увеличенное изображение. Кроме того, изображение кажется намного ярче, чем невооруженным глазом, потому что зеркало собирает и концентрирует свет.

Форма сферического зеркала влияет на отражаемое изображение. Свет, падающий у края зеркала, не фокусируется в том же самом месте, как свет, падающий ближе к центру. Это приводит к так называемой сферической аберрации. Это явление часто корректируется с помощью комбинации линз или, в случае больших телескопов, с помощью параболических зеркал, которые имеют форму закругленных конусов, которые фокусируют весь свет от источника в одну точку.

» Согнутая «ложка в стакане с водой — это пример преломления. (Изображение предоставлено: Crok Photography Shutterstock)

Refraction

Преломление — это изгиб световых лучей. Обычно свет распространяется по прямой линии и меняет направление и скорость при переходе от одной прозрачной среды к другой, например, от воздуха к стеклу.

В вакууме скорость света, обозначаемая как «c», постоянна.. Однако, когда свет встречает прозрачный материал, он замедляется. Степень, в которой материал замедляет свет, называется показателем преломления этого материала и обозначается как «n». Согласно Physics.info, приблизительные значения n для обычных материалов:

  • Vacuum = 1 (по определению)
  • Air = 1.0003 (at стандартная температура и давление)
  • Вода = 1,33 (при 68 градусах Фаренгейта или 20 градусах Цельсия).
  • Натриево-известковое коронное стекло = 1,51
  • Сапфир = 1,77
  • 71% свинцового бесцветного стекла = 1,89
  • Кубический цирконий = 2,17
  • Алмаз = 2,42

Эти числа означают, что скорость света в воде в 1,33 раза меньше, а в алмазе в 2,42 раза меньше, чем в вакууме.

Когда свет проходит из области с более низким n, например воздуха, через поверхность в область с более высоким n, например стекло, свет меняет направление. Это означает, что его путь ближе к перпендикуляру или «нормальному» к поверхности. Когда свет проходит из области с более высоким n в область с более низким n, он отклоняется от «нормального» направления. Вот почему кажется, что погруженная в воду часть ложки сгибается, когда вы опускаете ее в воду.

Focus

В линзе с изогнутой поверхностью параллельные лучи изгибаются под разными углами в зависимости от угла поверхности, на которой лучи входят в линзу. Параллельные лучи, входящие в выпуклую линзу, сходятся в точке с другой стороны линзы. Однако, когда параллельные лучи попадают в вогнутую линзу, они расходятся или расходятся на другой стороне линзы. Говорят, что у них есть «виртуальная фокусная точка» в месте, где расходящиеся лучи встретились бы, если бы они были направлены назад к ближней стороне линзы.

Линзы также могут быть сформированы с цилиндрической поверхностью, выпуклой или вогнутой, которая будет увеличивать или уменьшать изображение соответственно только в одном направлении. Эти линзы часто комбинируются со сферической формой для получения торической или сфероцилиндровой линзы. Такая линза имеет форму поверхности внутренней трубки, т. Е. Имеет большую кривизну в одном направлении, чем в другом.

Эта форма обычно используется в очках для коррекции астигматизма, состояния, которое вызывает нечеткое зрение из-за неправильной формы роговицы, прозрачного переднего покрова глаза или иногда из-за кривизны глаза. линза внутри глаза, по данным Американской оптометрической ассоциации. Если вы держите пару этих очков подальше от лица и смотрите через одну линзу, когда вы ее поворачиваете, астигматическая линза заставит изображение изменить форму.

Однако геометрическая оптика не охватывает все области оптики. Физическая оптика охватывает такие темы, как дифракция, поляризация, интерференция и различные типы рассеяния. Квантовая оптика рассматривает поведение и свойства фотонов, в том числе спонтанное излучение, вынужденное излучение (принцип, лежащий в основе лазеров) и дуальность волны/частицы..

Джим Лукас — писатель-фрилансер и редактор, специализирующийся на физике, астрономии и инженерии. Он является генеральным менеджером Lucas Technologies .

Дополнительные ресурсы

Электромагнетизм и оптика: вводный курс (Ричард Фитцпатрик, Техасский университет в Остине)



Зеркала — наука отражения

Люди проводят часы, прихорашиваясь в зеркалах, и, если есть шанс, обезьяны, слоны, свиньи и дельфины тоже. Павлины — это совсем не рыбный котелок. Припаркуйте блестящую синюю машину рядом с одной из этих улюлюкающих птиц, и она будет клевать и разбивать панели до полусмерти, уверенная, что смотрит на соперника или товарища! Отражения в зеркалах — это удивительные вещи, которые буквально (и психологически) хорошо говорят нам о том, как мы видим себя. Но что отражения говорят о самих зеркалах ? Что именно такое зеркало … и как оно работает?

Оцените статью
logicle.ru
Добавить комментарий