Фізичне явище відображення спостерігав кожна людина у світі, коли дивився на себе в дзеркало. Це ефект проявляється, коли ми бачимо небеса на поверхні калюжі або озера і сліпуче світло від капотів машин. У статті з фізичної точки зору розглянемо, що це — відображення, а також розповімо, в яких пристроях воно застосовується.

Суть фізичного явища

Відображення – це процес різкого зміни напряму поширення світлової хвилі в деякій прозорому середовищі, коли ця хвиля на своєму шляху зустрічає перешкоду великих розмірів. Тут під великими розмірами маються на увазі геометричні параметри перешкоди, набагато перевищують довжину падаючої хвилі.

Це явище, на відміну від заломлення, для свого існування потребує тільки в одному прозорому матеріалі. Перешкодою може служити абсолютно будь-який об’єкт, наприклад, металева пластина, дзеркало, аркуш паперу і так далі, а також поверхню розділу двох прозорих середовищ.

Якщо перешкода виготовлено з непрозорого матеріалу, то частина світла поглинається, а друга частина – відбивається. Якщо світло падає на поверхню розділу прозорих середовищ, тоді частина променя заломлюється, а частина відбивається.

Види відображення

У загальному випадку виділяють два виду:

• дзеркальне;
• дифузне.

Перший вид відображення – це процес, при якому товщина падаючого і відбитого світлових пучків не змінюється. У разі дифузного відбивання відбувається розсіювання відбитого пучка. Причина такої поведінки криється в структурі поверхневого шару перешкоди. Якщо поверхня є гладкою (дзеркало, водна гладь), тоді має місце дзеркальне відображення. Якщо ж на поверхні перешкоди є шорсткості різних розмірів, тоді спостерігається дифузне віддзеркалення.

Об’єднує обидва виду те, що вони підпорядковуються одним і тим же фізичним законам.

Закони відбивання

Встановлені вони були ще в античний час (роботи Герона Олександрійського і Птолемея), однак фізичне обгрунтування отримали тільки в середині XVII століття, коли француз П’єр Ферма сформулював свій принцип.

Якщо через точку, де падаючий промінь зустрічає перешкоду, провести нормаль N до поверхні цієї перешкоди позначити кути між нормаллю і падаючим променем і нормаллю і відбитим променем як θ1 і θ2, тоді фізичні закони для розглянутого явища формулюються так:

• Відбиття променя відбувається в тій же площині, в якій знаходяться промінь падаючий і нормаль N.
• Кути θ1 і θ2 завжди дорівнюють один одному.

Згаданий принцип Ферма стверджує, що світло завжди рухається по такій траєкторії між двома точками, щоб час руху було мінімально. Застосовуючи цей принцип, можна легко показати справедливість сформульованих законів відбивання променя світла.

Відображення у сферичних дзеркалах

Виявляється, явище відображення – це процес, який можна використовувати для збільшення або зменшення реальних об’єктів. Здійснюється це за допомогою опуклих і увігнутих дзеркал. Ці предмети являють собою дзеркальну поверхню, розташовану на сферичному сегменті.

Щоб побудувати зображення в цих дзеркалах, слід знати поведінку трьох променів:

• відбиття променя збігається з самим променем, якщо він падає на дзеркало, проходячи через його центр C;
• пройшовши через фокус F, промінь завжди відображається паралельно осі дзеркала;
• всі паралельні пучки світла відображаються у фокус F.

Як будувати зображення в різних типах дзеркал, показано на малюнку нижче.

Опуклі дзеркала в даний час використовуються для збільшення кута огляду для водіїв автомобілів, а також при виготовленні рефракторная телескопів.

Повне внутрішнє відбиття

Як було сказано вище, відображення завжди супроводжується втратою інтенсивності падаючого пучка. Навіть у разі відображення в дзеркалі, близько 5-10 % енергії втрачається. Проте в природі існує явище, при якому відображення є 100 %, тому воно і називається повним.

Повне відображення виникає тільки на кордоні між прозорими середовищами, причому оптична щільність першої повинна бути більше, ніж другий. Більш того, кут падіння світла повинен перевищувати критичне значення, яке залежить від показників заломлення обох середовищ. Наприклад, для пари вода-повітря критичний кут дорівнює 48,75 o.

Повне відображення використовується в оптичних волокнах. Завдяки їм електромагнітну енергію можна передавати без втрат на будь-які відстані.