Закон отражения света. Плоское зеркало

Видеоурок 2: Плоское зеркало - Физика в опытах и экспериментах

Лекция:

Плоское зеркало - это глянцевая поверхность. Если на такую поверхность падают параллельные пучки света, то и отражаются они параллельно друг другу. При рассмотрении данной темы мы сможем узнать, по каким причинам мы видим себя, когда смотрим в зеркало.

Итак, давайте для начала вспомним законы отражения, и способы их доказательства. Взгляните на рисунок.

Предположим, что S - некоторая точка, которая светится или отражает свет. Рассмотрим два произвольных луча, которые падают на некоторую глянцевую поверхность. Перенесем данную точку симметрично, относительно разделу сред. После того, как два данных луча отражаются от поверхности, они попадают к нам в глаз. Наш мозг устроен таким образом, что любое отражение он воспринимает в качестве изображения, которое находится за пределами границы разделения сред. Самое важное в данном объяснении является то, что это нам действительно кажется из-за собственного восприятия.

Изображение, которое мы видим в зеркале, называется мнимым , то есть не существует на самом деле.

Увидеть мы можем даже то изображение, которое не находится непосредственно над зеркалом, или же если их размеры не соизмеримы. Самое важное - лучи от данного предмета должны поступать к нам в глаз. Именно поэтому мы можем видеть лицо водителя в автобусе и он наше, не смотря на то, что он не находится напротив зеркала.

Строим изображение предмета в зеркале.

Данный урок посвящен плоскому зеркалу. Вы узнаете виды зеркал и виды оптических изображений. Познакомитесь с общими характеристиками изображений в плоских зеркалах, а также с зеркальным и рассеянным отражением света и поглощением света. В конце урока приведены интересные факты о зеркалах.

На сегодняшнем уроке речь пойдет о зеркалах, а точнее – о плоском зеркале.

Зеркало – это гладкая поверхность, которая отражает излучение (рис. 1). Оптические зеркала – это обычно полированные металлы или стекла, которые отражают почти весь видимый свет (рис. 2).

Рис. 1. Зеркало

Рис. 2. Оптическое зеркало

Зеркала бывают трех видов – плоские, вогнутые и выпуклые.

Плоские зеркала отражают излучения без искажений и дают изображение, близкое к оригиналу (рис. 3).

Рис. 3. Отражение в плоском зеркале

Вогнутые – концентрируют энергию излучения (рис. 4).

Рис. 4. Отражение в вогнутом зеркале

Выпуклые – рассеивают (рис. 5).

Рис. 5. Отражение в выпуклом зеркале

На сегодняшнем уроке мы подробнее поговорим о плоском зеркале.

Плоское зеркало – это плоская поверхность, зеркально отражающая свет (рис. 6).

Рис. 6. Плоское зеркало

Рассмотрим, как образуется изображение в плоском зеркале.

Пусть из точечного источника света на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из множества падающих лучей выделим лучи, и . Пользуясь законами отражения света, построим отраженные лучи , ,.

Рис. . Построение отраженных лучей

Эти лучи пойдут также расходящимся пучком. Если продолжить их в противоположном направлении, все они пересекутся в одной точке , расположенной за зеркалом. Нам будет казаться, что эти лучи выходят из точки , хотя в действительности никакого источника света в этой точке не существует. Поэтому точку называют мнимым изображением точки .

Рис. . Построение мнимого изображения в зеркале

Зеркальное и рассеянное отражение света. Поглощение света

Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое отражение в оконном стекле, однако стоит нам задернуть шторы, и изображение пропадает. Мы не видим своего отражения в ткани.

Это связано с двумя физическими явлениями. Одно из них - отражение света.

Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от зеркальной поверхности. Если свет отражается от неровной и шероховатой поверхности, то такое отражение называется рассеянным, или диффузным (рис. 9).

Рис. 9. Отражение света от зеркальной и от шероховатой поверхностей

На такой поверхности нельзя получить изображение. Даже некоторые гладкие на ощупь поверхности, такие как кусок пластика или обложка книги, для света являются недостаточно гладкими, свет отражается от таких поверхностей рассеянно.

Другое физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение, - это поглощение света. Физические тела могут не только отражать свет, но и поглощать его. Наилучший отражатель света - зеркало, оно отражает более 90 % света, падающего на него. Хорошими отражателями являются также тела белого цвета, именно поэтому в солнечный зимний день, когда все бело от снега, мы жмуримся, защищая глаза от яркого света. А вот черная поверхность поглощает практически весь свет, например, на черный бархат можно смотреть, не жмурясь, даже при самом ярком освещении.

Поговорим о том, какие виды оптических изображений существуют и что такое оптическое изображение.

Оптическое изображение - это картина, получаемая в результате прохождения через оптическую систему световых лучей, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали.

Различают два случая: действительное изображение и мнимое изображение.

Действительное изображение создается, когда после всех отражений и преломлений лучи, вышедшие из одной точки предмета, собираются в одну точку (рис. 10).

Рис. 10. Действительное изображение

Действительное изображение нельзя видеть непосредственно, можно увидеть его проекцию, поставив рассеивающие экраны. Действительное изображение создается такими оптическими системами, как объектив кинопроектора или фотоаппарата или собирающая линза (рис.11).

Рис. Оптические системы

Мнимое изображение - такое изображение, которое можно видеть глазом.

При этом каждой точке предмета соответствует выходящий из оптической системы пучок лучей, которые, если продолжить их обратно прямыми линиями, сошлись бы в одной точке. Возникает видимость, что пучок выходит именно оттуда.

Мнимое изображение создается такими системами, как бинокль, микроскоп, отрицательная или положительная линза, лупа, а также плоское зеркало. Плоское зеркало дает именно мнимое изображение.

Интересные факты

Существуют так называемые полупрозрачные зеркала, или, как их иногда называют, зеркальные, или односторонние, стекла.

Такие стекла применяются для скрытого наблюдения за людьми в целях контроля за поведение или шпионажа. При этом шпион находится в темном помещении, а объект наблюдения - в светлом (рис. 12). Принцип действия зеркального стекла в том, что тусклый шпион не виден на фоне яркого зеркального отражения. Полупрозрачных зеркал, которые пропускали бы свет в одну сторону и не пропускали в другую, не существует.

Рис. 12 Помещение с полупрозрачным зеркалом

Не так давно в новых американских аттракционах ужаса появились зеркальные лабиринты. В России первые зеркальные лабиринты появились в Санкт-Петербурге и приобрели большую популярность в развлекательной индустрии.

Проведем демонстрацию, с помощью которой выясним, как расположены предмет и его изображение относительно плоского зеркала.

Возьмем плоское стекло, закрепленное вертикально. С одной стороны стекла установим горящую свечу, с другой стороны – точно такую же, но не зажженную. Передвигая незажженную свечу, найдем такое ее расположение, когда эта свеча будет казаться горящей. В этом случае незажженная свеча окажется в месте, где наблюдается в стекле изображение горящей свечи.

Схематично изобразим местоположение стекла – прямая линия, зажженной свечи и незажженной свечи .

Эта точка также показывает местоположение изображения зажженной свечи (рис.). Если теперь соединить точки и и провести необходимые измерения, то мы убедимся, что прямая перпендикулярна отрезку , а длина отрезка равна длине отрезка .

Рис. . Местоположение изображения горящей свечи

Проведем еще ряд демонстраций, которые позволят нам охарактеризовать изображения в плоских зеркалах.

Возьмем плоское зеркало, линейку и ластик. Сначала линейку расположим так, чтобы ее ноль располагался около зеркала (рис. ).

Рис. . Расстояние от зеркала до предмета и его изображения

В результате мы увидим, что расстояние от зеркала до предмета равно расстоянию от зеркала до изображения предмета в зеркале. Сделаем на ластике отметку. Мы увидим, что изображение в зеркале симметрично самому предмету, однако не является тождественным (рис. ).

Рис. . Симметричность предмета и его изображения в зеркале

Благодаря проведенным демонстрациям можно установить общие характеристики изображений в плоских зеркалах:

1. Плоское зеркало дает мнимое изображение предмета.
2. Изображение предмета в плоском зеркале равно по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и предмет.
3. Прямая, которая совмещает точку на предмете с соответствующей ей точкой на изображении предмета в зеркале, перпендикулярна поверхности зеркала.

Решение задач

Задача № 1

Почему на машинах скорой помощи надписи пишутся «перевернутыми»?

Решение

Водители других автомобилей должны быстро и безошибочно определить машину скорой помощи в потоке других машин, чтобы уступить ей дорогу. Такая ситуация возникает тогда, когда скорой помощи необходимо обогнать автомобиль и водитель может увидеть ее только в зеркало заднего вида.

Как мы уже знаем, изображение в зеркале не является тождественным, а является симметричным. Поэтому на машине скорой помощи пишут текст «перевернутым», чтобы водитель в зеркале заднего вида видел правильную надпись и мог своевременно совершить необходимые маневры.

Задача № 2

Какая минимальная высота должна быть у плоского зеркала, чтобы вы могли увидеть себя в нем в полный рост?

Решение

Изображение в зеркале равно предмету, расположенному перед зеркалом, и находится на том же расстоянии от зеркала, что и предмет. Нарисуем рисунок с изображением человека, стоящего перед зеркалом (рис. 16).

Рис. 16. Изображение человека, стоящего перед зеркалом

Человек, - изображение человека в зеркале, точка - глаз человека. Чтобы зеркало было минимального размера, края зеркала и должны располагаться на прямых и . Если точка будет выше этой прямой, то ее можно опустить, уменьшив высоту зеркала.

А если она будет ниже прямой, то мы не увидим часть головы нашего изображения в зеркале.

Отрезок, параллельный прямым и и расположенный на одинаковом расстоянии от них. Значит, это средняя линия треугольника . Пусть она равна половине основания треугольника или половине роста человека (рис. 17).

При отражении лучей, выводящих из некоторой точки А , от плоского зеркала продолжения отраженных лучей сходятся за зеркалом в точке В, лежащей на прямой АВ, нормальной зеркалу, причем плоскость зеркала делит эту прямую на два равных отрезка (рис. 5.1). Глаз, находящийся перед зеркалом, способен воспринять эти лучи и образовать действительное изображение точки (за счет преломления лучей в оптической системе глаза). Но на фотографической пластине, помещенной перед зеркалом, никакого изображения, конечно, не получится. Поэтому изображение BD называют мнимым изображением. Оно оказывается прямым (т. е. расположено так же, как предмет) и равным ему по размеру. Однако оно отличается от предмета, так как правой стороне предмета отвечает левая сторона изображения. При несимметричном предмете изображение и предмет оказываются несовместимыми.

Если луч света попадает в двугранный прямой угол, образованный двумя плоскими зеркалами, то он отражается в направлении своего прихода (рис. 5.2). То же справедливо и для трехгранного угла. Такие «уголковые отражатели», в частности, были доставлены на поверхность Луны и при их помощи производились точные оптические измерения расстояния до нее.

Сферическое вогнутое зеркало (небольшая часть сферы радиусом R ), изображенное на рисунке 5.3, отразит луч SA, идущий по радиусу, в направлении того же радиуса. Луч SC , идущий под углом β к радиусу, отразится в направлении CD и пересечет первый луч в точкеF 1 . Условимся считать все расстояния вправо от зеркала положительными и введем обозначения:

Применяя теорему площадей к треугольникам SCF 1 , OCF 1 и SCO , находим:

(5.1)

Таким образом, положение точки F 1 зависит от угла падения β. Следовательно, в общем случае зеркало не обеспечит точечного изображения светящейся точки. Но если ограничиться пучками лучей, очень близкими к оси зеркала (прямой, проходящей через его центр и точечный источник), то выражение (5.1) примет вид:

(5.1)

свидетельствующий о создании точечного изображения. Этим приближением (осевые пучки) мы и будем пользоваться. Если светящаяся точка бесконечно удалена, так что от нее идет пучок лучей, параллельный оптической оси, то она отобразится в точке F , лежащей на расстоянии R /2 от зеркала (главное фокусное расстояние), и эта точка называется главным фокусом.

Выражение (5.2) можно переписать в виде

(5.3)

Это уравнение называют формулой зеркала. Из нее видно, что при приближении светящегося предмета АВ (рис. 5.4) из бесконечности к главному фокусу его изображение A 1 B 2 перемещается от главного фокуса до бесконечно удаленных точек. Если же светящийся предмет CD располагается между главным фокусом и зеркалом, то расстояние до его изображения С 1 D 1 делается отрицательным, т. е. изображение уходит за зеркало и образуется нереальными лучами, а их продолжениями - оно становится мнимым.

При этом действительные изображения оказываются перевернутыми, мнимые же -прямыми. -Отношение поперечных размеров #i изображения к поперечным размерам Н предмета называют увеличением:

Применяя такие же рассуждения к выпуклому сферическому зеркалу, убеждаемся, что его формула имеет тот же вид, но знак радиуса-вектора R отрицателен. Такое зеркало (рис. 5.5) дает только мнимые изображения. Естественно, что плоское зеркало может рассматриваться как предельный случай сферического при R→оо.

Так как условия отражения не зависят от длины волны, то сложный состав отражающегося света не вносит никаких осложнений. Поэтому широко распространены отражательные телескопы - рефлекторы.

В аналитической геометрии доказывается важное свойство параболы: совокупность лучей, идущих вдоль ее диаметров (т. е. параллельно оси параболы), отразившись от зеркальной дуги, совпадающей с параболой, пересекается в фокусе последней. Если вращать параболу вокруг ее оси, то образуется поверхность, называемая параболоидом вращения. Очевидно, он обладает таким же свойством: зеркальный параболоид соберет в фокусе широкий пучок параллельных лучей, распространяющихся в направлении его оси. Поэтому зеркала больших телескопов шлифуют по параболоиду. В силу принципа обратимости параболическое зеркало можно использовать для получения почти параллельного пучка света.

Для того чтобы построить изображение любого точечного источника света в сферическом зеркале, достаточно построить ход любых двух лучей , исходящих из этого источника и отраженных от зеркала. Точка пересечения самих отраженных лучей даст действительное изображение источника, а точка пересечения продолжений отраженных лучей – мнимое.

Характерные лучи. Для построения изображений в сферических зеркалах удобно пользоваться определенными характерными лучами, ход которых легко построить.

1. Луч 1 , падающий на зеркало параллельно главной оптической оси, отразившись, проходит через главный фокус зеркала в вогнутом зеркале (рис. 3.6, а ); в выпуклом зеркале через главный фокус проходит продолжение отраженного луча 1 ¢ (рис. 3.6 ,б ).

2. Луч 2 , проходящий через главный фокус вогнутого зеркала, отразившись, идет параллельно главной оптической оси – луч 2 ¢ (рис. 3.7,а ). Луч 2 , падающий на выпуклое зеркало так, что его продолжение проходит через главный фокус зеркала, отразившись, также идет параллельно главной оптической оси – луч 2 ¢ (рис. 3.7, б ).

Рис. 3.7

3. Рассмотрим луч 3 , проходящий через центр вогнутого зеркала – точку О (рис. 3.8, а ) и луч 3 , падающий на выпуклое зеркало так, что его продолжение проходит через центр зеркала – точку О (рис. 3.8, б ). Как мы знаем из геометрии, радиус окружности перпендикулярен касательной к окружности в точке касания, поэтому лучи 3 на рис. 3.8 падают на зеркала под прямым углом , то есть углы падения этих лучей равны нулю. А значит, отраженные лучи 3 ¢ в обоих случаях совпадают с падающими.

Рис. 3.8

4. Луч 4 , проходящий через полюс зеркала – точку Р , отражается симметрично относительно главной оптической оси (лучи 4¢ на рис. 3.9), поскольку угол падения равен углу отражения.

Рис. 3.9

СТОП! Решите самостоятельно: А2, А5.

Читатель: Как-то я взял обычную столовую ложку и попытался разглядеть в ней свое изображение. Изображение я увидел, но оказалось, что если смотреть на выпуклую часть ложки, то изображение прямое , а если на вогнутую, то перевернутое . Интересно, почему это так? Ведь ложку, я думаю, можно рассматривать как некоторое подобие сферического зеркала.

Задача 3.1. Постройте изображения небольших вертикальных отрезков одинаковой длины в вогнутом зеркале (рис. 3.10). Фокусное расстояние задано. Считается известным, что изображения небольших прямолинейных отрезков, перпендикулярных главной оптической оси, в сферическом зеркале представляют собой также небольшие прямолинейные отрезки, перпендикулярные главной оптической оси.

Решение.

1. Случай а. Заметим, что в данном случае все предметы находятся перед главным фокусом вогнутого зеркала.

Рис. 3.11

Будем строить изображения только верхних точек наших отрезков. Для этого проведем через все верхние точки: А , В и С один общий луч 1 , параллельный главной оптической оси (рис. 3.11). Отраженный луч 1 F 1 .

Теперь из точек А , В и С пустим лучи 2 , 3 и 4 через главный фокус зеркала. Отраженные лучи 2 ¢, 3 ¢ и 4 ¢ пойдут параллельно главной оптической оси.

Точки пересечения лучей 2 ¢, 3 ¢ и 4 ¢ с лучом 1 ¢ являются изображениями точек А , В и С . Это точки А ¢, В ¢ и С ¢ на рис. 3.11.

Чтобы получить изображения отрезков достаточно опустить из точек А ¢, В ¢ и С ¢ перпендикуляры на главную оптическую ось.

Как видно из рис. 3.11, все изображения получились действительными и перевернутыми.

Читатель : А что значит – действительными?

Автор : Изображение предметов бывает действительным и мнимым . С мнимым изображением мы уже познакомились, когда изучали плоское зеркало: мнимое изображение точечного источника – это точка, в которой пересекаются продолжения отраженных от зеркала лучей. Действительное изображение точечного источника – это точка, в которой пересекаются сами отраженные от зеркала лучи.

Заметим, что чем дальше находился предмет от зеркала, тем меньшим получилось его изображение и тем ближе это изображение к фокусу зеркала. Заметим также, что изображение отрезка, нижняя точка которого совпадала с центром зеркала – точкой О , получилось симметричным предмету относительно главной оптической оси.

Надеюсь, теперь Вам понятно, почему, рассматривая свое отражение в вогнутой поверхности столовой ложки, Вы увидели себя уменьшенным и перевернутым: ведь предмет (Ваше лицо) находилось явно перед главным фокусом вогнутого зеркала.

2. Случай б. В данном случае предметы находятся между главным фокусом и поверхностью зеркала.

Первый луч – луч 1 , как и в случае а , пустим через верхние точки отрезков – точки А и В 1 ¢ пройдет через главный фокус зеркала – точку F 1 (рис. 3.12).

Теперь воспользуемся лучами 2 и 3 , исходящими из точек А и В и проходящими через полюс зеркала – точку Р . Отраженные лучи 2 ¢ и 3 ¢ составляют с главной оптической осью те же углы, что и падающие лучи.

Как видно из рис. 3.12, отраженные лучи 2 ¢ и 3 ¢ не пересекаются с отраженным лучом 1 ¢. Значит, действительных изображений в данном случае нет . Зато продолжения отраженных лучей 2 ¢ и 3 ¢ пересекаются с продолжением отраженного луча 1 ¢ в точках А ¢ и В ¢ за зеркалом , образуя мнимые изображения точек А и В .

Опустив перпендикуляры из точек А ¢ и В ¢ на главную оптическую ось, получим изображения наших отрезков.

Как видно из рис. 3.12, изображения отрезков получились прямыми и увеличенными , причем чем ближе предмет к главному фокусу, тем больше его изображение и тем дальше это изображение от зеркала.

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А4.

Задача 3.2. Постройте изображения двух небольших одинаковых вертикальных отрезков в выпуклом зеркале (рис. 3.13).

Рис. 3.13 Рис. 3.14

Решение. Пустим луч 1 через верхние точки отрезков А и В параллельно главной оптической оси. Отраженный луч 1 ¢ пойдет так, что его продолжение пересечет главный фокус зеркала – точку F 2 (рис. 3.14).

Теперь пустим на зеркало лучи 2 и 3 из точек А и В так, чтобы продолжения этих лучей проходили через центр зеркала – точку О . Эти лучи отразятся так, что отраженные лучи 2 ¢ и 3 ¢ совпадут с падающими лучами.

Как видим из рис. 3.14, отраженный луч 1 ¢ не пересекается с отраженными лучами 2 ¢ и 3 ¢. Значит, действительных изображений точек А и В нет . Зато продолжение отраженного луча 1 ¢ пересекается с продолжениями отраженных лучей 2 ¢ и 3 ¢ в точках А ¢ и В ¢. Следовательно, точки А ¢ и В ¢ – мнимые изображения точек А и В .

Для построения изображений отрезков опустим перпендикуляры из точек А ¢ и В ¢ на главную оптическую ось. Как видно из рис. 3.14, изображения отрезков получились прямыми и уменьшенными. Причем чем ближе предмет к зеркалу, тем больше его изображение и тем ближе оно к зеркалу. Однако даже очень удаленный предмет не может дать изображение, удаленное от зеркала дальше главного фокуса зеркала .

Надеюсь, теперь понятно, почему, рассматривая свое отражение в выпуклой поверхности ложки, вы видели себя уменьшенным, но не перевернутым.

СТОП! Решите самостоятельно: А6.

>>Физика: Построение изображения в зеркале

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,