Что происходит со светом на поверхности тела
Пособие по физике «Геометрическая оптика».
Предмет и его отражение
То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверх ногами” далеко не так.
Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.
Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.
Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.
Зеркальное отражение.
Явление отражения света наблюдается на границе раздела двух сред, например воздуха и воды. Если отражающая поверхность гладкая (полированный металл, стекло), то отраженные
лучи будут идти параллельным пучком, если при падении на поверхность они были параллельны (рисунок слева). Такое отражение называют зеркальным. Зеркала могут отражать до 90% света,падающего на них.
Глядя в зеркало прямо перед собой, вы видите как бы своего двойника и различные предметы, которые находятся вокруг и позади вас. При этом вам кажется, что и ваш двойник, и эти предметы находятся перед вами, за зеркалом, хотя их там, разумеется, нет. То, что вы видите в зеркале, — это изображения предметов.
Диффузное отражение.
Отражают свет любые поверхности, не только гладкие. Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большую часть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которые поглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучок параллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже если шероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) (рисунок справа) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи не будут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхности разные. Такое отражение света называют рассеяным, или диффузным. Закон отражения выполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-за диффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать под разными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета в глаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок света падает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимаетположение, для которого выполняется закон отражения.Этим иобьясняются необычные свойства зеркал. (Используя
аналогичные аргументы, Галилей показал, что поверхность Луны должна быть шероховатой, а не зеркально гладкой, как полагали некоторые.)
В се 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.
1.2. Поглощение, отражение и пропускание света в различных средах
При падении излучения на тело часть света отражается, а другая проходит внутрь среды. В среде часть излучения может поглотиться или рассеяться (при наличии в ней неоднородностей), а остальная часть пройти через неё. Поглощённое излучение превращается в тепло или излучается с другой длиной волны (фотолюминесценция), рис. 1.2.1.
Рис. 1.2.1
Схема, иллюстрирующая оптические процессы,
происходящие на поверхности среды и внутри неё
В общем случае световой поток, падающий на образец, делят на три компоненты:
где , соответственно, коэффициенты отражения, поглощения и пропускания.
При направленном пропускании, когда рассеянием можно пренебречь, отношение называется прозрачностью среды .
Все коэффициенты зависят от длины волны.
Как следует из курса общей физики, электромагнитная волна, попадая в однородный диэлектрик, вызывает в нём вынужденные колебания связанных электрических зарядов, которые становятся источником вторичных электромагнитных волн. Интерферируя с первичной волной, эти волны создают результирующую преломлённую волну, которая распространяется в среде с фазовой скоростью в раз меньшей скорости света в вакууме ( — абсолютный показатель преломления среды).
Вторичные волны от поверхностного слоя выходят и наружу образца. Складываясь, они образуют отражённую волну.
Расчёт коэффициента отражения в зависимости от показателя преломления граничащих плоских диэлектриков был впервые выполнен Френелем и затем дополнен решением уравнений Максвелла для границы раздела двух сред, имеющих различные диэлектрические проницаемости.
Если электромагнитная волна падает перпендикулярно границе раздела двух сред, то коэффициент отражения рассчитывается по формуле
где — относительный показатель преломления.
В целом коэффициент отражения зависит от угла падения, оставаясь минимальным при нормальном падении света.
Металлы отличаются от диэлектриков как высокими значениями коэффициента отражения, так и поглощения. Это обусловлено большой концентрацией в них свободных электронов, которые легко раскачиваются падающим излучением. В результате появляется очень мощная отражённая волна, а сталкивающиеся с ионами кристаллической решётки свободные электроны трансформируют энергию падающего излучения в тепло.
Рассеяние вызвано оптическими неоднородностями среды (посторонними частицами) или флуктуациями плотности вещества, соответственно показателя преломления (такое рассеяние обычно называют молекулярным).
Рассеяние на неоднородностях среды происходит из-за отражения, преломления и дифракции на посторонних включениях. Если размер рассеивающих частиц критически мал по сравнению с длиной волны, то рассеяние практически отсутствует (например, излучение оптического диапазона не рассеивается отдельными атомами). С увеличением размера частиц (при переходе от атомов к молекулам) рассеяние сильно растёт и существенно зависит от длины волны. Согласно закону Рэлея при молекулярном рассеянии в газе интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна квадрату объёма частицы и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Однако, уже для частиц с радиусом примерно в 5 раз больше длины волны интенсивность рассеяния перестаёт зависеть от частоты излучения.
Характер отражённого света зависит от интенсивности рассеяния:
— если рассеяние отсутствует (однородный слой с гладкими поверхностями), то имеет место направленное отражение (зеркальное) и пропускание;
— если излучение полностью рассеивается (молочные стёкла), то говорят о диффузном отражении и пропускании;
— смешанное отражение и пропускание (направленно-рассеянное) обычно наблюдается на поверхностях, элементы которых различно ориентированы относительно общей плоскости (матовое стекло).
Контрольные вопросы
1. Опишите оптические процессы, происходящие на поверхности среды и внутри неё при падении электромагнитного излучения.
2. Дайте определение коэффициентов отражения, поглощения и пропускания.
3. В результате чего появляется преломлённая и отражённая волна?
4. Чем вызвано рассеяние света?
5. В чём смысл закона Рэлея? Где мы встречаемся с его проявлением?
6. От чего зависит характер отражённого света?
7. Как меняется картина рассеяния света с увеличением размера рассеивающих частиц?
Что происходит со светом на поверхности тела
Поведение света, когда он отражается, преломляется и рассеивается, с самого начала времен удивляло и завораживало человечество. Лучи света, сияющие, неуловимые, которыми восхищались еще древние греки, видели все на Земле — но когда они встречаются с водой, перед глазами возникает поистине восхитительная картина. Здесь их яркое сияние раскрывается в полной мере — это сияние самой жизни, нечто гораздо большее, чем способны увидеть глаза человека. Это сияние, наполняющее воображение.
ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА ВО ВРЕМЕНИ
Первые представления о природе света и зрения были скорее философскими, чем научными, и были окутаны покровом тайны. Эмпедокл, который размышлял над этим вопросом около 500 г. до н.э., считал, что мы видим что-то благодаря лучам света, которые исходят из наших глаз и из объектов вокруг. Пифагор также считал, что из наших глаз исходят лучи света, которые взаимодействуют с окружающей средой, освещая ее. Минуло несколько столетий, прежде чем Эпикур наткнулся на первую великую истину в этой области — что свет, который исходит из некоего источника, отражается от предметов, и таким образом мы можем их видеть. В то же время Эвклид в своей знаменитой работе «Оптика» довел эту концепцию до состояния первой теории об отражении света. Свет, считал он, двигается по прямой, и отражается от поверхности под тем же углом, под которым ударяется об нее. Со временем оказалось, что его идея была верна, хотя Эвклид все же был прав только отчасти — он все еще считал, что лучи света исходят напрямую из глаз.
Много столетий спустя, в 1040 году, арабские ученые взялись закончить то, что начали древние греки, чтобы наконец разгадать тайны света и его отражения. Ибн аль-Хайсам, который также упоминается под латинизированным именем Альхазен, наконец пришел к современной концепции визуального восприятия: зрение — процесс, в котором глаза воспринимают информацию от отраженных лучей света, а не сами испускают эти лучи. Его обстоятельная теория зрения и некоторые из концепций, которые в нее вошли — например, что свет и цвет неразделимы — имели огромное влияние на сферу оптики до самого XVII столетия.
В эпоху Просвещения произошло множество открытий, касавшихся природы света. За первенство боролись две модели света — свет как волна и свет как движущиеся частицы. Первую разработал математик из Нидерландов Христиан Гюйгенс, а вторую — Исаак Ньютон. В XIX веке теорию частиц Ньютона опровергли, но все же он получил широкое признание, доказав, что в свете есть не только белый цвет и что на самом деле в нем — целый спектр разных цветов.
ВОДА И СВЕТ: ВЕЧНЫЙ ТАНЕЦ
Вода отражает, преломляет и рассеивает свет, и таким образом создает бесконечно восхитительное, живое сияние. Наблюдать, как свет отражается от воды, мерцая и поблескивая на ее поверхности — это наблюдать танец самой жизни. А когда вода преломляет свет, лучи пронизывают поверхность, создавая под ней особый эффект, неземное мерцание, переносящее нас в другие миры.
Согласно закону отражения света, угол его падения, либо уровень наклона луча, равен углу отражения. То есть, если лучи света попадают на идеально ровную поверхность, они отразятся под тем же углом. Такое отражение лучей — причина, почему в некоторых поверхностях отражается окружающий мир. Если же луч будет изогнут или преломится, отраженный свет будет направлен всюду — вследствие чего появится эффект, известный как рассеянный свет. Благодаря этому эффекту мы можем видеть предметы вокруг нас — лучи отражаются от них во всех направлениях сразу. Рассеянный свет позволяет нам видеть эти предметы, но на них своего отражения мы не видим. Говоря очень просто, чем более гладкая поверхность — тем сильнее она отражает свет. Представьте только зеркальную гладь идеально спокойного озера, в котором кристально четко отражаются укрытые снегом вершины гор — это и будет совершенная иллюстрация закона отражения света.
С другой стороны, преломление — это феномен изменения направления луча света. Когда луч переходит из одной прозрачной среды — например, воздуха — в другую — например, воду — одна его часть отражается от поверхности, а другая проходит внутрь второй среды. Когда так происходит, свет меняет направление. Это и есть преломление. Закон преломления света, или закон Снеллиуса — это математическая формула, по которой можно рассчитать угол преломления света при движении через прозрачную среду — например, воду. Прозрачной средой может быть озеро, питаемое ледниками, стеклянная призма или бриллиант — во всех этих случаях свет изменит направления благодаря преломлению.
Волны, или цвета в луче света доходят до поверхности в разное время, и именно благодаря этому призмы могут разделять белый свет на разные цвета спектра. Это называется хроматической дисперсией — мы наблюдаем ее, когда солнечный свет играет в каплях воды, превращаясь в разноцветную радугу.
КАПСУЛИРОВАННЫЙ СВЕТ
Уникальный свет в Монтрё, Швейцария, где родился Дом La Prairie — это песнь света над водой. Она рождается в нетронутых льдах и снегах, которые, тая, превращаются в чистейшую воду, что течет, фильтруясь, сквозь высочайшие горы Швейцарии, насыщаясь полезными веществами минералов, и затем растворяется в озерах у их подножья. В этом медленном, плавном путешествии свет и вода встречаются так, как это возможно только в Швейцарии. Поразительное отражение света от воды — часть неповторимого швейцарского очарования: он танцует и мерцает на поверхности озера, пронизывает лучами его воды, что находятся в вечном движении, преломляется в его усыпанных минералами глубинах. Это завораживающее зрелище — волшебная встреча света и воды.
Вдохновленный чистейшим светом, который можно наблюдать только в Монтрё, Дом La Prairie покорил его силу в коллекции White Caviar — силу наполнять жизнью, совершенствовать, украшать, ту самую силу, которую стремились запечатлеть не одно поколение художников, подчеркивая красоту своих моделей.
В 2019 году ученые La Prairie сформулировали Уравнение света, которое доказывает, что свет — или сияние кожи — это функция цвета и отражения. В поисках новых способов наполнить кожу сиянием они задумались, как на отражение света от кожи может влиять вода — и нашли способ покорить это мерцающее сияние и преподнести его волшебство в дар Вашей коже.
В 2022 году мир увидела формула нового White Caviar Essence Extraordinaire. Она отвечает за составляющую отражения в Уравнении света, и делает это тремя способами. Во-первых, она активно увлажняет кожу, увеличивая в ней количество оды. Также в ней содержатся компоненты, поддерживающие выработку коллагена, благодаря чему кожа выглядит более ухоженной и упругой. И наконец, лосьон мягко отшелушивает кожу, благодаря чему она становится гладкой. В комплексе действие лосьона улучшает способность кожи отражать свет.
Свет, падающий на поверхность тела, частично или полностью отражается от этой поверхности в ту же среду, из которой он шел. Такое явление называют отражением. — презентация
Презентация на тему: » Свет, падающий на поверхность тела, частично или полностью отражается от этой поверхности в ту же среду, из которой он шел. Такое явление называют отражением.» — Транскрипт:
2 Свет, падающий на поверхность тела, частично или полностью отражается от этой поверхности в ту же среду, из которой он шел. Такое явление называют отражением света. Поверхности тел могут быть гладкими (зеркальными) и шероховатыми с мелкими и мельчайшими неровностями. Опыт показывает, что отражение света от таких поверхностей происходит по-разному. Глядя на освещенную неровную поверхность любого тела, мы видим эту поверхность. Но когда смотрим на чистое плоское зеркало, то не видим в зеркале свое изображение и изображения окружающих нас предметов. Если постепенно запылить поверхность зеркала, то изображение предметов в нем начнет тускнеть, а при сильном запылении или замазывании зеркала, например меловым раствором, изображение исчезнет. Мы будем видеть просто слой пыли или мела, потому что этот слой образует поверхность с мельчайшими неровностями. Путем шлифовки и полировки негладкую поверхность твердого тела можно сделать зеркальной. Существуют и природные зеркала – это спокойная водная поверхность озер, заливов, заводей и т.д.
3 Гюйгенс Христиан ( ) – голландский физик и математик, создатель первой волновой теории света. Основы этой теории Гюйгенс изложил в «Трактате о свете» (1690). Гюйгенс впервые использовал маятник для достижения регулярного хода часов и вывел формулу для периода колебаний математического и физического маятников. Математические работы Гюйгенса касались исследования конических сечений, циклоиды и других кривых. Ему принадлежит одна из первых работ по теории вероятности. С помощью усовершенствованной им астрономической трубы Гюйгенс открыл спутник Сатурна Титан.
4 Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Для того чтобы, зная положение волновой поверхности в момент времени t, найти её положение в следующий момент времени t+ t, нужно каждую точку волновой поверхности рассматривать как источник вторичных волн. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени. Этот принцип в равной мере пригоден для описания распространения волн любой природы: механических, световых и др. Гюйгенс сформулировал его первоначально для световых волн. Для механических волн принцип Гюйгенса имеет наглядное истолкование: частицы среды, до которых доходят колебания, в свою очередь, колеблясь, приводят в движение соседние частицы среды, с которыми они взаимодействуют.
5 При отражении пучка света от гладкой поверхности можно обнаружить, что луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения. Угол падения a равен углу отражения b: a = b. Это утверждение называют законом отражения света.
6 При падении света на различные поверхности возможны два варианта. Первый: пучок света, падают на поверхность, отражаются ею также в виде пучка. Такое отражение света называется зеркальным отражением. Второй: пучок света, падающий на поверхность, отражается ею во всех направлениях. Такое отражение называют рассеянным отражением или просто рассеянием света. Зеркальное отражение возникает на очень гладких (полированных) поверхностях. Если поверхность шероховата, то она обязательно будет рассеивает свет.
7 Отражение света от некоторой поверхности, разделяющей пространство на две части, означает изменение направления переноса энергии света таким образом, что свет продолжает распространяться в первоначальной среде. Если пучок параллельных лучей падает на неровную поверхность, то направление лучей меняется случайным образом, и говорят о рассеянии света (рис. 1,а). Явление рассеяния света может наблюдаться и в системе мелких частиц, взвешенных в однородной среде (рис. 1,б).
8 Отраженные пучки от шероховатой поверхности перекрывают друг друга, лучи отражаются от отдельных неровностей во все стороны – отраженный свет рассеивается. Лучше всего рассеивают поверхности с ничтожно малыми неровностями, например чертежная бумага, гипс, мел и др. Сильно рассеивают свет частицы пыли и тумана. Рассеянный свет более приятен глазу, чем зеркально отраженный, он меньше утомляет глаза.
9 ИЗОБРАЖЕНИЯ В ПЛОСОМ ЗЕРКАЛЕ Модельная гладкая плоскость, отражающая все падающие на нее лучи, называется плоским зеркалом. Реальными телами, которые могут быть описаны такой моделью, являются полированный кусок металлической пластины, поверхность жидкой ртути в широком сосуде, полированное плоское стекло, покрытое слоем серебра или алюминия.
10 Из жизненного опыта мы хорошо знаем, что наши зрительные впечатления часто оказываются ошибочными. Иногда даже трудно бывает отличить кажущееся световое явление от действительного. Примером обманчивого зрительного впечатления служит кажущееся изображения предметов за плоской зеркальной поверхностью. Почему же нам кажется, что мы видим предмет за зеркалом? Стоит нам расположить глаза в области отраженного светового пучка и взглянуть в зеркало, как возникает зрительная иллюзия: нам будет казаться, что за зеркалом будет находится источник света S. Но S является только зеркальным изображение источника S. Изображение предмета в плоском зеркале: 1.Мнимое. 2.Прямое, разное по размерам предмету. 3.Находится на таком же расстоянии за зеркалом, на котором предмет расположен перед зеркалом.
11 При отражении от плоской зеркальной поверхности световых лучей, исходящих от некоторого предмета, возникает мнимое изображение предмета. Предмет и его мнимое изображение располагаются симметрично относительно зеркальной поверхности. Изображение предмета в плоском зеркале равно по размеру самому предмету.
12 ) Мнимое изображение пространственного (трехмерного) предмета в плоском зеркале отличается от самого предмета как правая система координат отличается от левой (т.е. как правая рука отличается от левой)
13 Положим на стол линейку, а поверх нее поставим стекло. Оно будет служить полупрозрачным зеркалом. Поместив перед ним свечу, мы увидим ее отражение. Оно будет казаться расположенным позади стекла. Однако, заглянув туда, мы никакого изображения не увидим. Обратим внимание на одно из свойств нашего зрения. Мы способны Видеть предмет только лишь по прямолинейному направлению, по Которому свет от предмета непосредственно попадает в наши глаза. Эта способность органов зрения у живых существ является их Врожденным свойством, приобретенным в процессе предельного развития и приспособления к окружающей среде.
14 Поставим вертикально на стол два плоских зеркала без рамок под углом 72 градуса друг к другу и поместим между ними свечу. Мы увидим в зеркалах четыре изображения этой свечи, по два изображения в каждом. Если один из нас станет перед теми же двумя зеркалами, то он будет видеть себя в обоих зеркалах в четырех различных положениях.