Interested Article - Отражение (физика)

два отражения: от перьев птицы и от воды

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения ).

В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации . В геологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн . Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн , не только для видимого света: отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации . Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами . В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики .

История

Впервые закон отражения упоминается в Евклида , датируемой примерно 300 годом до н. э.

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 отражения равен углу падения» 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.

Вывод закона

Пусть ${\vec {k}}$ лежит в плоскости чертежа. Пусть ось $x$ направлена горизонтально, ось $y$ — вертикально. Из соображений симметрии следует, что ${\vec {k}}$ , ${\vec {k'}}$ и ${\vec {k''}}$ должны лежать в одной плоскости.

Выделим из падающего луча плоскополяризованную составляющую, у которой угол между ${\vec {E}}$ и плоскостью произволен. Тогда если выбрать начальную фазу равной нулю, то

$E=E_{m}e^{i(\omega t-{\vec {k}}{\vec {r}})}=E_{m}e^{\omega t-k_{x}x-k_{y}y};$
$E'=E'_{m}e^{i(\omega 't-{\vec {k'}}{\vec {r}})}=E'_{m}e^{\omega 't-k'_{x}x-k'_{y}y+\alpha '};$
$E''=E''_{m}e^{i(\omega ''t-{\vec {k''}}{\vec {r}})}=E''_{m}e^{\omega ''t-k''_{x}x-k''_{y}y+\alpha ''}.$

Результирующее поле в первой и второй среде равны соответственно

$E_{1}=E+E'=E_{m}e^{\omega t-k_{x}x-k_{y}y}+E'_{m}e^{\omega 't-k'_{x}x-k'_{y}y+\alpha '};$
$E_{2}=E''=E''_{m}e^{\omega ''t-k''_{x}x-k''_{y}y+\alpha ''}.$

Очевидно, что тангенциальные составляющие $E_{1}$ и $E_{2}$ должны быть равны на границе раздела то есть при $y=0.$

Тогда

E_{m}e^{\omega t-k_{x}x-k_{y}y}+E'_{m}e^{\omega 't-k'_{x}x-k'_{y}y+\alpha '}=E''_{m}e^{\omega ''t-k''_{x}x-k''_{y}y+\alpha ''}

Для того, чтобы последнее уравнение выполнялось для всех $t,$ необходимо, чтобы $\omega =\omega '=\omega ''$ , а для того, чтобы оно выполнялось при всех $x,$ необходимо, чтобы

k_{x}=k'_{x}=k''_{x}\Leftrightarrow k\sin {\alpha }=k'\sin {\alpha '}=k''\sin {\alpha ''}\Leftrightarrow {\cfrac {\omega }{v_{1}}}\sin {\alpha }={\cfrac {\omega }{v_{1}}}\sin {\alpha '}={\cfrac {\omega }{v_{2}}}\sin {\alpha ''},

где

v_{1}

и

v_{2}

— скорости волн в первой и второй среде соответственно.

Отсюда следует, что $\alpha =\alpha '\blacksquare$

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.

Механизм отражения

В классической электродинамике , свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла .

При попадании электромагнитной волны (свет) на поверхность диэлектрика : возникают 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 ^{[

прояснить

]} ^{[

источник не указан 2606 дней

]} .
При попадании электромагнитной волны (свет) на поверхность проводника : 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 ).

Виды отражения

θ _i = θ _r .
Угол падения равен углу 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 падения , 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 (см. Поляризация света ), а также от соотношения показателей преломления n ₂ и n ₁ 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

${\frac {(n_{2}-n_{1})^{2}}{(n_{2}+n_{1})^{2}}}$

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 $i$ , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении $i=i_{k}$ 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°:

\sin {i_{k}}=n_{2}/n_{1}

Диффузное отражение света

При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта ). По этой причине нельзя увидеть своё 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 .

Примечания

Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие В 3 т. Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика / под ред. Г. С. Ландсберга. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. — С. 220 - 221. — 656 с. — ISBN 978-5-9221-0351-0 .