Отражение света. Угол падения и угол преломления.

Законы отражения света

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.

Угол \(\alpha\) между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения.

Угол \(\gamma\) между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения.

Большинство тел лишь отражают падающее на них излучение, не являясь при этом источником света. Освещённые предметы видны со всех сторон, так как от их поверхности свет отражается в разных направлениях, рассеиваясь. Это явление называется диффузное отражение или рассеянное отражение.
Диффузное отражение света наблюдается от всех шероховатых поверхностей. Например, 85% белого света отражается от поверхности снега, 75% - от белой бумаги, 0,5% - от чёрного бархата.

Зеркальное отражение света – это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении. Отражающая поверхность в этом случае называется зеркало (или зеркальная поверхность). Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм). Для таких поверхностей выполняется закон отражения света.

Итак:

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.

Преломление световых лучей

Когда свет достигает поверхности раздела двух прозрачных сред, часть его отражается, а остальная проходит сквозь границу.
Преломление света – это изменение направления луча на границе двух сред разной плотности.

Преломление света связано с тем, что в разных средах свет распространяется с различной скоростью.

Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, опущенный в точку падения луча, лежат в одной плоскости; причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данных двух сред и равно отношению скоростей света в этих средах.

Показатель преломления

$$ \frac{sin\alpha}{sin\beta}=\frac{v_1}{v_2}=n $$ где n – постоянная величина, называемая относительным показателем преломления. Таким образом, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно постоянной для данных двух сред величине – относительному показателю преломления.

Относительный показатель преломления равен отношению скорости света в среде 1 к её значению в среде 2. Если средой 1 является вакуум, то показатель преломления называют абсолютным показателем преломления среды 2, \(n_2\), который, очевидно, всегда больше 1.

Для любых двух сред справедливо выражение: $$ n=\frac{c_1}{c_2}=\frac{n_2}{n_1} $$ где \(c_1\) и \(c_2\) – скорости света в среде 1 и 2 соответственно, \(n_1\) и \(n_2\) – абсолютные показатели преломления сред 1 и 2.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют менее оптически плотной.

При падении луча из менее оптически плотной среды в более плотную, например, из воздуха в воду, угол преломления всегда меньше угла падения.

Наоборот, когда луч движется из более оптически плотной среды в менее плотную, угол преломления всегда больше угла падения. Но, поскольку угол преломления не может превышать p/2, то значит при бόльших углах падения преломлённый луч будет отсутствовать. Это явление называют полным внутренним отражением и оно возникает, когда $$ sin\alpha \gt \frac{n_2}{n_1} $$

Полное внутреннее отражение

Наблюдается только при переходе светового луча из оптически более плотной среды в менее плотную (например, из воды в воздух).

Предельный угол полного внутреннего отражения \(\alpha_0\) - угол падения, при котором преломленный луч скользит вдоль границы раздела двух сред.

$$ \frac{sin\alpha_0}{sin90⁰}=\frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1}; \;\;\; sin90⁰ =1 \Rightarrow sin\alpha_0=\frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1} $$

Явление полного внутреннего отражения применяется для создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей.

Закон Брюстера

Согласно закону Брюстера, естественный свет, падающий на поверхность диэлектрика под углом φ, для которого выполняется условие tg φ = n (где n показатель преломления), при отражении полностью поляризуется.

Угол φ называется углом Брюстера.

Угол Брюстера — угол падения луча неполяризованного света на границу раздела двух сред, при котором свет отражённый от границы раздела будет полностью поляризованным в плоскости перпендекулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения.

Угол между отражённым и преломленным лучами при этом составляет 90°.

Угол Брюстера находится по закону Брюстера:

$$ tg\alpha=\frac{n_2}{n_1} \\ \alpha =arctg(\frac{n_2}{n_1}) $$