Etwas, das Licht reflektiert. Gesetze der Lichtreflexion. Optionen zum Reflektieren von Lichtstrahlen

Sonnenlicht ist elektromagnetische Strahlung und zeichnet sich daher durch Phänomene wie Reflexion und Brechung aus. Betrachten wir das Gesetz der Lichtreflexion beim Übergang von einem Medium in ein anderes und verwenden wir die Darstellung sichtbarer elektromagnetischer Wellen in Form von Strahlen.

Bekanntlich breitet sich Licht in jedem homogenen transparenten Medium geradlinig aus. Sobald ein Lichtstrahl die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien erreicht, treten bei ihm zwei Phänomene auf:

  1. Ein Teil des Lichtstrahls wird in einem bestimmten Winkel in das erste transparente Medium zurückreflektiert, also reflektiert.
  2. Der zweite Teil des Lichtstrahls durchdringt das zweite Medium und breitet sich darin weiter aus, ändert aber gleichzeitig die Richtung seiner Ausbreitung um einen bestimmten Winkel, wird also gebrochen.

Beide Phänomene werden mit den Gesetzen der Reflexion bzw. Lichtbrechung beschrieben.

Diese physikalischen Phänomene werden durch die folgende Abbildung veranschaulicht, die zeigt, dass ein einfallender Lichtstrahl beim Durchgang durch die Grenze zweier transparenter Medien in zwei Strahlen aufgeteilt wird, von denen einer (der kleinere) reflektiert wird und der zweite Strahl (das größere) breitet sich weiter aus und gelangt in ein anderes Medium.

Gesetze der Lichtreflexion

Unter der Reflexion von Licht versteht man in der Physik eine solche Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle, nachdem diese auf die Grenze zwischen zwei Medien trifft und bei der die Welle wieder in das Medium zurückkehrt, aus dem sie stammt.

Nachdem das Gesetz der Lichtreflexion formuliert wurde, stellen wir fest, dass es dank der Existenz dieses Phänomens möglich ist, Bilder verschiedener Objekte in einem Spiegel, auf der Wasseroberfläche oder auf einer anderen glänzenden Oberfläche zu sehen. Physikalisch gesehen tritt Lichtreflexion auf, wenn Licht auf eine Oberfläche fällt, mit dieser kollidiert und wieder in sein ursprüngliches Medium zurückkehrt, wobei es einen Winkel bildet, der genau dem Winkel des auf diese Oberfläche einfallenden Strahls entspricht. Diese Oberfläche wird als reflektierend bezeichnet. Im Gegensatz zum Phänomen der Brechung ist das Phänomen der Reflexion eine Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle im selben Medium.

In der Physik werden die Gesetze der Lichtreflexion wie folgt formuliert:

  1. Der auf die Grenzfläche zwischen den Medien einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Normale zu dieser Oberfläche liegen in derselben Ebene.
  2. Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel. Die Formel für das Gesetz der Lichtreflexion hat die Form: θ pad. = θ neg. .

Spiegelnde und diffuse Reflexion

Die reflektierende Oberfläche kann glatt sein, aber auch Unregelmäßigkeiten aufweisen. Dabei werden zwei Arten der Lichtreflexion unterschieden:

  1. Spiegel. Sind die Unregelmäßigkeiten auf der reflektierenden Oberfläche im Vergleich zur einfallenden Wellenlänge klein, wird der Lichtstrahl in eine bestimmte Richtung reflektiert. Hier können wir ein Beispiel für die Oberfläche eines flachen Spiegels geben, auf den das Gesetz der Lichtreflexion angewendet werden kann.
  2. Diffusion. Wenn die Oberflächenunregelmäßigkeiten mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind, wird jeder Teil des einfallenden Strahls von unterschiedlichen Unregelmäßigkeiten reflektiert, während das Gesetz der Lichtreflexion für jede Reflexionstatsache gültig bleibt, die reflektierten Lichtstrahlen jedoch beginnen, sich auszubreiten In verschiedene Richtungen zeigt sich, dass sich der anfängliche Strahl in viele kleine Bündel aufspaltet. In solchen Fällen spricht man von Streuung des Lichts. Ein Beispiel für diffuse Reflexion ist die Reflexion von Licht von einer Holzoberfläche.

Wenn sich das Licht also nach der Spiegelreflexion in eine bestimmte Richtung ausbreitet, wird das Licht nach der diffusen Reflexion „gesprüht“.

Quantenmechanische Begründung des Reflexionsprozesses

Licht ist ein Strahl aus Photonen unterschiedlicher Frequenz. Jede Wechselwirkung von Photonen mit Materie wird durch die Prozesse der Absorption und Emission beschrieben. Wenn ein Photon ein Molekül einer Substanz erreicht, wird es sofort von diesem absorbiert und überführt seine Elektronenhülle in einen angeregten Zustand, also in einen Zustand mit erhöhter Energie. Fast unmittelbar nach der Absorption eines Photons geht das elektronische System in seinen Grundzustand über, und dieser Vorgang wird von der Emission eines Photons in eine beliebige Richtung begleitet. Das Gesetz der Lichtreflexion aus quantenmechanischer Sicht wird als die wahrscheinlichste Emissionsrichtung von Photonen erklärt, die in Form einer Reflexion beobachtet wird.

Phänomen der Rückreflexion

Das Phänomen der Rückreflexion oder Retroreflexion ist die Fähigkeit einiger Oberflächen oder Objekte, einen auf sie fallenden Lichtstrahl zurück zur Quelle zu reflektieren, von der er kam, unabhängig vom Winkel, in dem dieser Lichtstrahl auf sie fällt.

Dieses Verhalten ist bei einem Planspiegel nur dann zu beobachten, wenn der Lichtstrahl senkrecht auf ihn trifft, also der Einfallswinkel 90° beträgt.

Ein einfacher Retroreflektor kann hergestellt werden, indem zwei Spiegel senkrecht zueinander verbunden werden. Das von einem solchen Gerät erzeugte Bild hat immer die gleiche Größe wie das Original, steht jedoch auf dem Kopf. Es spielt keine Rolle, in welchem ​​Winkel Lichtstrahlen auf diesen Retroreflektor fallen, er reflektiert sie immer im 180°-Winkel. Die folgende Abbildung zeigt diesen Retroreflektor und demonstriert seine physikalischen Eigenschaften.

Begrenzte Retroreflexion und ihre Verwendung

Das Phänomen der Rückreflexion wird heute häufig in der Automobilproduktion eingesetzt, insbesondere bei der Herstellung der Oberfläche von Metallplatten, auf denen Zahlen geschrieben sind.

Wenn man viele kleine reflektierende Kügelchen auf die Oberfläche aufträgt, kann man dafür sorgen, dass diese das Licht nicht exakt zurückreflektiert, sondern in einem bestimmten kleinen Winkel. In diesem Fall spricht man von der begrenzten Leistungsfähigkeit des Retroreflektors. Der gleiche Effekt lässt sich erzielen, wenn statt reflektierender Kugeln kleine Pyramiden auf der Oberfläche angebracht werden.

Bei der Herstellung von Nummernschildern soll das Licht nicht perfekt reflektiert werden, sondern der reflektierte Lichtstrahl soll nahezu parallel zum einfallenden Strahl verlaufen. Dadurch wird das Licht, das von den Scheinwerfern eines anderen Autos dahinter auf die Nummernschilder des Autos fällt, von diesen Nummernschildern reflektiert, trifft auf die Augen des Fahrers und er sieht, wie sich das Nummernschild des vorausfahrenden Autos bewegt.

Retroreflexion und optische Aberrationen

Optische Aberration ist ein physikalisches Phänomen, bei dem sich das in jedem optischen System erhaltene Bild als unklar erweist. Dies liegt daran, dass ein Lichtstrahl, der einen bestimmten Punkt auf einem Objekt verlässt, nicht genau zu einem Punkt zurückkehrt. Die Ursachen für Aberrationen können geometrische Unvollkommenheiten in optischen Systemen sowie unterschiedliche Reflexionsgrade für verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichts sein.

Retroreflexion wird verwendet, um optische Aberrationen auszugleichen. Dies geschieht auf einfache Weise; das im optischen System erhaltene Bild des Objekts wird durch den Retroreflektor auf dieses System umgelenkt. Die Funktion eines Retroreflektors besteht nicht nur darin, dass er alle auf ihn einfallenden Strahlen zurückwirft, sondern auch die Wellenfront der elektromagnetischen Welle in die entgegengesetzte Richtung verändert.

Brechung und das Gesetz der Totalreflexion des Lichts

Unter Lichtbrechung versteht man eine Änderung der Ausbreitungsrichtung beim Durchgang durch die Grenze von Medien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in verschiedenen transparenten Medien unterschiedlich und immer geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Um das Phänomen der Lichtbrechung zu beschreiben, wird der Brechungsindex des Mediums n eingeführt, der gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum und im Medium ist, also n = c/v. Das Gesetz der Lichtbrechung wird mathematisch wie folgt ausgedrückt: sin(θ inc.)/sin(θ inc.) = n 2 /n 1 = v 1 /v 2, hier θ inc. - Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen zur Oberfläche, θ bzw. - der Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Normalen zur Oberfläche, n 1, v 1 und n 2, v 2 - der Brechungsindex und die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit für das erste Medium bzw. für das zweite Medium.

Wie oben erwähnt, kommt es beim Durchgang von Licht durch die Grenze zweier transparenter Medien zu reflektierten und gebrochenen Strahlen. Wenn θ prel. = 90°, dann verläuft der gebrochene Strahl parallel zur Oberfläche, wird also nicht beobachtet. Diese Situation ist möglich, vorausgesetzt, dass der Winkel θ nach unten gerichtet ist. größer als ein bestimmter kritischer Winkel θ cr ist. und n 1 > n 2 . Der kritische Winkel ist wie folgt definiert: θ cr. = arcsin(n 2 /n 1). Jeder Lichtstrahl, der in einem Winkel größer als θ cr auf diese Oberfläche fällt. , erfährt Totalreflexion.

Anwendung des Phänomens der Totalreflexion

Das Phänomen der Totalreflexion wird vom Menschen in verschiedenen Lebensbereichen genutzt. Am häufigsten wird es als Glasfaser in der Telekommunikation und Medizin eingesetzt.

Vereinfacht ausgedrückt ist eine optische Faser ein flexibles Kabel aus einem transparenten Material, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex des das Kabel umgebenden Mediums. Dadurch erreicht ein unter einem bestimmten Winkel in eine solche Faser eingestrahlter Lichtstrahl nahezu ohne Intensitätsverlust das gegenüberliegende Ende, da er auf seinem Weg nur Totalreflexionen erfährt.

Lassen Sie uns mehrere Definitionen einführen. Der Einfallswinkel des Strahls ist der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Senkrechten zur reflektierenden Oberfläche am Biegepunkt des Strahls (Winkel a). Der Reflexionswinkel des Strahls ist der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und der Senkrechten zur reflektierenden Oberfläche am Biegepunkt des Strahls (Winkel b).

Wenn Licht reflektiert wird, erfüllen sich immer zwei Muster: Erstens. Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Senkrechte zur reflektierenden Oberfläche am Biegepunkt des Strahls liegen immer in derselben Ebene. Zweite. Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel. Diese beiden Aussagen bringen die Essenz des Gesetzes der Lichtreflexion zum Ausdruck.

In der linken Abbildung liegen die Strahlen und die Senkrechte zum Spiegel nicht in derselben Ebene. Im rechten Bild ist der Reflexionswinkel nicht gleich dem Einfallswinkel. Daher kann eine solche Strahlenreflexion experimentell nicht erhalten werden.

Das Reflexionsgesetz gilt sowohl für den Fall der spiegelnden als auch der diffusen Reflexion des Lichts. Schauen wir uns noch einmal die Zeichnungen auf der vorherigen Seite an. Trotz der scheinbaren Zufälligkeit bei der Reflexion der Strahlen in der rechten Zeichnung sind sie alle so angeordnet, dass die Reflexionswinkel gleich den Einfallswinkeln sind. Schauen Sie mal, wir haben die raue Oberfläche der rechten Zeichnung in einzelne Elemente „zerschnitten“ und an den Bruchstellen der Strahlen Senkrechte gezeichnet.

 4.1. Grundbegriffe und Gesetze der geometrischen Optik

 Gesetze der Lichtreflexion.
 Erstes Reflexionsgesetz:
Die einfallenden und reflektierten Strahlen liegen in derselben Ebene wie die Senkrechte zur reflektierenden Oberfläche und werden am Einfallspunkt des Strahls wiederhergestellt.
 Zweites Reflexionsgesetz:
der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel (siehe Abb. 8).
α - Einfallswinkel, β - Reflexionswinkel.

 Gesetze der Lichtbrechung. Brechungsindex.
 Erstes Brechungsgesetz:
der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die am Einfallspunkt rekonstruierte Senkrechte zur Grenzfläche liegen in derselben Ebene (siehe Abb. 9).


 Zweites Brechungsgesetz:
Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für zwei gegebene Medien ein konstanter Wert und wird als relativer Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten bezeichnet.

  Der relative Brechungsindex gibt an, wie oft sich die Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium von der Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium unterscheidet:

 Totale Reflexion.
Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes übergeht und die Bedingung α > α 0 erfüllt ist, wobei α 0 der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, gelangt das Licht überhaupt nicht in das zweite Medium. Es wird vollständig von der Schnittstelle reflektiert und verbleibt im ersten Medium. In diesem Fall ergibt sich aus dem Gesetz der Lichtreflexion folgender Zusammenhang:

 4.2. Grundbegriffe und Gesetze der Wellenoptik

 Interferenz ist der Prozess der Überlagerung von Wellen aus zwei oder mehr Quellen übereinander, wodurch die Wellenenergie im Raum neu verteilt wird. Um die Wellenenergie im Raum neu zu verteilen, ist es notwendig, dass die Wellenquellen kohärent sind. Das bedeutet, dass sie Wellen gleicher Frequenz aussenden sollten und sich die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen dieser Quellen im Laufe der Zeit nicht ändern sollte.
  Abhängig vom Gangunterschied (∆) am Überlappungspunkt der Strahlen, maximale oder minimale Interferenz. Wenn der Gangunterschied von Strahlen aus gleichphasigen Quellen ∆ gleich einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen ist mλ (M- Ganzzahl), dann ist dies die maximale Interferenz:

Bei einer ungeraden Anzahl von Halbwellen beträgt die minimale Interferenz:

 Beugung nennt man die Abweichung der Wellenausbreitung von der geradlinigen Richtung oder das Eindringen von Wellenenergie in den Bereich des geometrischen Schattens. Beugung ist deutlich zu beobachten, wenn die Größe der Hindernisse und Löcher, durch die die Welle verläuft, mit der Wellenlänge übereinstimmt.
  Eines der optischen Instrumente, die sich gut zur Beobachtung der Lichtbeugung eignen, ist Beugungsgitter. Dabei handelt es sich um eine Glasplatte, auf der mit einem Diamanten in gleichen Abständen voneinander Striche aufgetragen werden. Abstand zwischen Strichen - Gitterkonstante d. Strahlen, die das Gitter passieren, werden in allen möglichen Winkeln gebrochen. Die Linse sammelt Strahlen, die an einem der Punkte der Brennebene im gleichen Beugungswinkel einfallen. Aus einem anderen Blickwinkel kommen – an anderen Stellen. Übereinandergelegt ergeben diese Strahlen ein Maximum bzw. Minimum des Beugungsmusters. Die Bedingungen zur Beobachtung von Maxima in einem Beugungsgitter haben die Form:

Wo M- ganze Zahl, λ - Wellenlänge (siehe Abb. 10).

Gesetze der Reflexion und Brechung von Licht. Totale interne Lichtreflexion

Die Gesetze der Lichtreflexion wurden im 3. Jahrhundert v. Chr. vom antiken griechischen Wissenschaftler Euklid experimentell entdeckt. Diese Gesetze können auch als Folge des Huygens-Prinzips ermittelt werden, wonach jeder Punkt im Medium, den eine Störung erreicht hat, eine Quelle von Sekundärwellen ist. Die Wellenoberfläche (Wellenfront) ist im nächsten Moment eine Tangentenoberfläche für alle Sekundärwellen. Huygens-Prinzip ist rein geometrisch.

Eine ebene Welle fällt auf die glatte reflektierende Oberfläche eines CM (Abb. 1), also eine Welle, deren Wellenoberflächen Streifen sind.

Reis. 1 Huygens' Konstruktion.

A 1 A und B 1 B sind die Strahlen der einfallenden Welle, AC ist die Wellenoberfläche dieser Welle (oder die Wellenfront).

Tschüss Wellenfront Von Punkt C bewegt sich die Welle in der Zeit t zu Punkt B, von Punkt A breitet sich eine Sekundärwelle über die Hemisphäre bis zu einer Entfernung AD = CB aus, da AD = vt und CB = vt, wobei v die Geschwindigkeit der Welle ist Vermehrung.

Die Wellenoberfläche der reflektierten Welle ist eine gerade Linie BD, die die Halbkugeln tangiert. Außerdem bewegt sich die Wellenoberfläche parallel zu sich selbst in Richtung der reflektierten Strahlen AA 2 und BB 2.

Rechtwinklige Dreiecke ΔACB und ΔADB haben eine gemeinsame Hypotenuse AB und gleiche Schenkel AD = CB. Deshalb sind sie gleich.

Die Winkel CAB = α und DBA = γ sind gleich, da es sich um Winkel mit zueinander senkrechten Seiten handelt. Und aus der Gleichheit der Dreiecke folgt α = γ.

Aus der Konstruktion von Huygens folgt auch, dass der einfallende und der reflektierte Strahl in derselben Ebene liegen, wobei die Senkrechte zur Oberfläche am Einfallspunkt des Strahls wiederhergestellt wird.

Die Reflexionsgesetze gelten, wenn Lichtstrahlen in die entgegengesetzte Richtung wandern. Aufgrund der Umkehrbarkeit des Weges der Lichtstrahlen haben wir, dass ein Strahl, der sich entlang des Weges des reflektierten Strahls ausbreitet, entlang des Weges des einfallenden Strahls reflektiert wird.

Die meisten Körper reflektieren lediglich die auf sie einfallende Strahlung, ohne eine Lichtquelle zu sein. Beleuchtete Objekte sind von allen Seiten sichtbar, da Licht von ihrer Oberfläche in verschiedene Richtungen reflektiert und gestreut wird.

Dieses Phänomen nennt man diffuse Reflexion oder diffuse Reflexion. Auf allen rauen Oberflächen kommt es zu einer diffusen Lichtreflexion (Abb. 2). Um den Weg des reflektierten Strahls einer solchen Oberfläche zu bestimmen, wird am Einfallspunkt des Strahls eine Ebene tangential zur Oberfläche gezeichnet und die Einfalls- und Reflexionswinkel in Bezug auf diese Ebene konstruiert.



Reis. 2. Diffuse Lichtreflexion.

Beispielsweise werden 85 % des weißen Lichts von der Schneeoberfläche reflektiert, 75 % von weißem Papier und 0,5 % von schwarzem Samt. Die diffuse Lichtreflexion verursacht im Gegensatz zur Spiegelreflexion keine unangenehmen Empfindungen im menschlichen Auge.

Spiegelnde Lichtreflexion– Dabei werden Lichtstrahlen, die in einem bestimmten Winkel auf eine glatte Oberfläche fallen, überwiegend in eine Richtung reflektiert (Abb. 3.). Die reflektierende Oberfläche heißt in diesem Fall Spiegel(oder Spiegelfläche). Spiegeloberflächen können als optisch glatt angesehen werden, wenn die Größe der Unregelmäßigkeiten und Inhomogenitäten auf ihnen die Lichtwellenlänge (weniger als 1 Mikrometer) nicht überschreitet. Für solche Oberflächen gilt das Gesetz der Lichtreflexion.

Reis. 3. Spiegelnde Lichtreflexion.

Flacher Spiegel ist ein Spiegel, dessen reflektierende Oberfläche eine Ebene ist. Ein flacher Spiegel ermöglicht es, Objekte vor sich zu sehen, und diese Objekte scheinen sich hinter der Spiegelebene zu befinden. In der geometrischen Optik gilt jeder Punkt der Lichtquelle S als Mittelpunkt eines divergierenden Strahlenbündels (Abb. 4). Ein solches Strahlenbündel nennt man homozentrisch. Das Bild des Punktes S in einem optischen Gerät ist das Zentrum S‘ eines homozentrisch reflektierten und gebrochenen Strahlenbündels in verschiedenen Medien. Wenn von den Oberflächen verschiedener Körper gestreutes Licht auf einen flachen Spiegel fällt und dann von diesem reflektiert in das Auge des Betrachters fällt, sind im Spiegel Bilder dieser Körper sichtbar.

Reis. 4. Mit einem Planspiegel erstelltes Bild.

Das Bild S‘ heißt real, wenn sich die reflektierten (gebrochenen) Strahlen des Strahls im Punkt S 1 schneiden. Das Bild S 1 heißt imaginär, wenn sich darin nicht die reflektierten (gebrochenen) Strahlen selbst schneiden, sondern deren Fortsetzungen. Lichtenergie erreicht diesen Punkt nicht. In Abb. Abbildung 4 zeigt ein Bild eines leuchtenden Punktes S, der unter Verwendung eines flachen Spiegels erscheint.

Der Strahl SO fällt in einem Winkel von 0° auf den CM-Spiegel, daher beträgt der Reflexionswinkel 0°, und dieser Strahl folgt nach der Reflexion dem Weg OS. Aus der Gesamtheit der Strahlen, die vom Punkt S auf einen flachen Spiegel fallen, wählen wir den Strahl SO 1 aus.

Der SO 1-Strahl fällt unter einem Winkel α auf den Spiegel und wird unter einem Winkel γ (α = γ) reflektiert. Wenn wir die reflektierten Strahlen hinter dem Spiegel fortsetzen, konvergieren sie am Punkt S 1, der ein virtuelles Bild des Punktes S in einem ebenen Spiegel ist. Somit scheint es für einen Menschen, dass die Strahlen vom Punkt S 1 ausgehen, obwohl tatsächlich keine Strahlen diesen Punkt verlassen und in das Auge eindringen. Das Bild von Punkt S 1 liegt symmetrisch zum hellsten Punkt S relativ zum CM-Spiegel. Lass es uns beweisen.

Der in einem Winkel von 2 auf den Spiegel einfallende Strahl SB (Abb. 5.) wird nach dem Gesetz der Lichtreflexion in einem Winkel von 1 = 2 reflektiert.

Reis. 5. Reflexion von einem flachen Spiegel.

Aus Abb. In Abb. 1.8 sieht man, dass die Winkel 1 und 5 gleich sind – wie die vertikalen. Die Winkelsummen betragen 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Daher sind die Winkel 3 = 4 und 2 = 5.

Rechtwinklige Dreiecke ΔSOB und ΔS 1 OB haben einen gemeinsamen Schenkel OB und gleiche spitze Winkel 3 und 4, daher sind diese Dreiecke gleich in der Seite und zwei an den Schenkel angrenzenden Winkeln. Dies bedeutet, dass SO = OS 1, d. h. Punkt S 1 liegt symmetrisch zum Punkt S relativ zum Spiegel.

Um das Bild eines Objekts AB in einem flachen Spiegel zu finden, genügt es, Senkrechte von den Extrempunkten des Objekts auf den Spiegel abzusenken und sie über den Spiegel hinaus fortzusetzen und dahinter einen Abstand gleich dem Abstand von beiseite zu legen den Spiegel bis zum äußersten Punkt des Objekts (Abb. 6.). Dieses Bild wird virtuell und lebensgroß sein. Die Abmessungen und die relative Position der Objekte bleiben erhalten, aber gleichzeitig ändern sich im Spiegel die linke und rechte Seite des Bildes im Vergleich zum Objekt selbst. Auch die Parallelität der auf einen ebenen Spiegel einfallenden Lichtstrahlen nach der Reflexion wird nicht verletzt.

Reis. 6. Bild eines Objekts in einem flachen Spiegel.

In der Technik werden häufig Spiegel mit einer komplex gekrümmten reflektierenden Oberfläche, beispielsweise sphärische Spiegel, verwendet. Sphärischer Spiegel- Dies ist die Oberfläche des Körpers, die die Form eines Kugelsegments hat und Licht spiegelnd reflektiert. Die Parallelität der von solchen Oberflächen reflektierten Strahlen wird verletzt. Der Spiegel heißt konkav, wenn die Strahlen von der Innenfläche des Kugelsegments reflektiert werden.

Parallele Lichtstrahlen werden nach der Reflexion an einer solchen Oberfläche an einem Punkt gesammelt, weshalb man einen Hohlspiegel nennt sammeln. Wenn die Strahlen von der Außenfläche des Spiegels reflektiert werden, dann wird dies der Fall sein konvex. Parallele Lichtstrahlen werden also in verschiedene Richtungen gestreut konvexer Spiegel angerufen dispersiv.

Brechung An der Grenzfläche zwischen zwei Medien wird der einfallende Lichtstrom in zwei Teile geteilt: Ein Teil wird reflektiert, der andere gebrochen.
V. Snell (Snellius) entdeckte 1621 vor H. Huygens und I. Newton experimentell das Gesetz der Lichtbrechung, erhielt jedoch keine Formel, sondern drückte es in Form von Tabellen aus, weil Zu diesem Zeitpunkt waren die Funktionen sin und cos in der Mathematik noch nicht bekannt.
Die Lichtbrechung folgt dem Gesetz: 1. Der einfallende Strahl und der gebrochene Strahl liegen in derselben Ebene mit der am Einfallspunkt des Strahls errichteten Senkrechten zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien. 2. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels für zwei gegebene Medien ist ein konstanter Wert (für monochromatisches Licht).
Der Grund für die Brechung ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen in verschiedenen Medien.
Der Wert, der dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium entspricht, wird als absoluter Brechungsindex des Mediums bezeichnet. Dieser Tabellenwert ist ein Merkmal einer bestimmten Umgebung.
Der Wert, der dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in einem Medium zur Lichtgeschwindigkeit in einem anderen Medium entspricht, wird als relativer Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten bezeichnet.
Beweis des Brechungsgesetzes. Ausbreitung einfallender und gebrochener Strahlen: MM“ – die Grenzfläche zwischen zwei Medien. Strahlen A 1 A und B 1 B – einfallende Strahlen; α – Einfallswinkel; AC – Wellenoberfläche in dem Moment, in dem Strahl A 1 A die Grenzfläche zwischen erreicht Unter Verwendung des Huygens-Prinzips konstruieren wir die Wellenoberfläche in dem Moment, in dem der Strahl B 1 B die Grenzfläche zwischen den Medien erreicht. Wir werden die gebrochenen Strahlen AA 2 und BB 2 konstruieren. β ist der Brechungswinkel AB - Die gemeinsame Seite der Dreiecke ABC und ABD ist senkrecht, dann ist der Winkel ABD = α und der Winkel BAC = β. Dann erhalten wir:
Bei einem Prisma oder einer planparallelen Platte erfolgt die Brechung auf jeder Fläche nach dem Gesetz der Lichtbrechung. Vergessen Sie nicht, dass es immer eine Reflexion gibt. Darüber hinaus hängt der tatsächliche Strahlengang sowohl vom Brechungsindex als auch vom Brechungswinkel – dem Winkel an der Spitze des Prismas – ab.)
Totalreflexion Fällt Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium, so verschwindet bei einem bestimmten Einfallswinkel für jedes Medium der gebrochene Strahl. Es wird nur die Brechung beobachtet. Dieses Phänomen wird Totalreflexion genannt.
Der Einfallswinkel, der einem Brechungswinkel von 90° entspricht, wird als Grenzwinkel der Totalreflexion (a 0) bezeichnet. Aus dem Brechungsgesetz folgt, dass beim Übergang von Licht von einem beliebigen Medium ins Vakuum (oder in die Luft)
Wenn wir versuchen, von unter Wasser aus auf die Luft zu blicken, können wir in einem bestimmten Blickwinkel sehen, wie sich der Boden von der Wasseroberfläche spiegelt. Dies gilt es zu berücksichtigen, um nicht die Orientierung zu verlieren.
Bei Schmuck wird der Schliff der Steine ​​so gewählt, dass auf jeder Seite eine vollständige Reflexion zu beobachten ist. Dies erklärt das „Spiel mit den Steinen“.
Das Phänomen der Fata Morgana wird auch durch Totalreflexion erklärt.

Das Reflexionsgesetz wurde erstmals in Euklids Katoptrie aus der Zeit um 300 v. Chr. erwähnt. e.

Gesetze der Reflexion. Fresnel-Formeln

Das Gesetz der Lichtreflexion – legt eine Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls infolge des Auftreffens auf eine reflektierende (Spiegel-)Oberfläche fest: Der einfallende und der reflektierte Strahl liegen in derselben Ebene mit der Normalen zur reflektierenden Oberfläche bei der Einfallspunkt, und diese Normale teilt den Winkel zwischen den Strahlen in zwei gleiche Teile. Die weit verbreitete, aber weniger präzise Formulierung „Einfallswinkel ist gleich Reflexionswinkel“ gibt nicht die genaue Reflexionsrichtung des Strahls an. Allerdings sieht es so aus:

Dieses Gesetz ist eine Folge der Anwendung des Fermatschen Prinzips auf eine reflektierende Oberfläche und leitet sich wie alle Gesetze der geometrischen Optik aus der Wellenoptik ab. Das Gesetz gilt nicht nur für perfekt reflektierende Oberflächen, sondern auch für die Grenze zweier Medien, die Licht teilweise reflektieren. In diesem Fall sagt es ebenso wie das Gesetz der Lichtbrechung nichts über die Intensität des reflektierten Lichts aus.

Reflexionsmechanismus

Wenn eine elektromagnetische Welle auf eine leitende Oberfläche trifft, entsteht ein Strom, dessen elektromagnetisches Feld dazu neigt, diesen Effekt zu kompensieren, was zu einer nahezu vollständigen Lichtreflexion führt.

Arten der Reflexion

Lichtreflexion kann sein gespiegelt(das heißt, wie es bei der Verwendung von Spiegeln beobachtet wird) oder diffus(in diesem Fall bleibt bei der Reflexion nicht der Strahlengang vom Objekt erhalten, sondern nur der Energieanteil des Lichtstroms) abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche.

Spiegel O. s. zeichnet sich durch eine bestimmte Beziehung zwischen den Positionen der einfallenden und reflektierten Strahlen aus: 1) der reflektierte Strahl liegt in der Ebene, die durch den einfallenden Strahl und die Normale zur reflektierenden Oberfläche verläuft; 2) Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einfallswinkel j. Die Intensität des reflektierten Lichts (charakterisiert durch den Reflexionskoeffizienten) hängt von j und der Polarisation des einfallenden Strahlenbündels (siehe Polarisation des Lichts) sowie vom Verhältnis der Brechungsindizes n2 und n1 des 2. und 1. Mediums ab . Diese Abhängigkeit (für ein reflektierendes Medium – ein Dielektrikum) wird quantitativ durch die Fresnel-Formel ausgedrückt. Daraus folgt insbesondere, dass bei senkrecht zur Oberfläche einfallendem Licht der Reflexionskoeffizient nicht von der Polarisation des einfallenden Strahls abhängt und gleich ist

(n2 - n1)²/(n2 + n1)²

Im sehr wichtigen Sonderfall eines normalen Sturzes von Luft oder Glas auf deren Grenzfläche (nair " 1,0; nst = 1,5) beträgt sie " 4 %.

Die Art der Polarisation des reflektierten Lichts ändert sich mit Änderungen von j und unterscheidet sich für Komponenten des einfallenden Lichts, die parallel (p-Komponente) und senkrecht (s-Komponente) zur Einfallsebene polarisiert sind. Unter Polarisationsebene verstehen wir wie üblich die Schwingungsebene des elektrischen Vektors der Lichtwelle. Bei Winkeln j gleich dem sogenannten Brewster-Winkel (siehe Brewster-Gesetz) wird das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene vollständig polarisiert (die p-Komponente des einfallenden Lichts wird vollständig in das reflektierende Medium gebrochen; wenn dieses Medium stark ist). absorbiert Licht, dann gelangt die gebrochene p-Komponente auf sehr kleinem Weg in die Umgebung). Diese Funktion des Spiegels O. s. Wird in einer Reihe von Polarisationsgeräten verwendet. Für j größer als der Brewster-Winkel nimmt der Reflexionskoeffizient von Dielektrika mit zunehmendem j zu und tendiert im Grenzfall zu 1, unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts. In einem spiegelnden optischen System ändert sich, wie aus Fresnels Formeln hervorgeht, die Phase des reflektierten Lichts im Allgemeinen abrupt. Wenn j = 0 (Licht fällt normal auf die Grenzfläche), dann verschiebt sich für n2 > n1 die Phase der reflektierten Welle für n2 um p< n1 - остаётся неизменной. Сдвиг фазы при О. с. в случае j ¹ 0 может быть различен для р- и s-составляющих падающего света в зависимости от того, больше или меньше j угла Брюстера, а также от соотношения n2 и n1. О. с. от поверхности оптически менее плотной среды (n2 < n1) при sin j ³ n2 / n1 является полным внутренним отражением, при котором вся энергия падающего пучка лучей возвращается в 1-ю среду. Зеркальное О. с. от поверхностей сильно отражающих сред (например, металлов) описывается формулами, подобными формулам Френеля, с тем (правда, весьма существенным) изменением, что n2 становится комплексной величиной, мнимая часть которой характеризует поглощение падающего света.

Die Absorption in einem reflektierenden Medium führt zum Fehlen eines Brewster-Winkels und zu höheren (im Vergleich zu Dielektrika) Werten des Reflexionskoeffizienten – selbst bei normalem Einfall kann er 90 % überschreiten (dies erklärt die weit verbreitete Verwendung von glattem Metall und metallisierten Oberflächen in Auch die Polarisationseigenschaften der vom absorbierenden Medium reflektierten Lichtwellen unterscheiden sich (aufgrund anderer Phasenverschiebungen der p- und s-Komponenten der einfallenden Wellen). Die Art der Polarisation des reflektierten Lichts hängt so empfindlich von den Parametern des reflektierenden Mediums ab, dass zahlreiche optische Methoden zur Untersuchung von Metallen auf diesem Phänomen basieren (siehe Magnetooptik, Metalloptik).

Diffuses O. s. - seine Ausbreitung durch die unebene Oberfläche des 2. Mediums in alle möglichen Richtungen. Die räumliche Verteilung des reflektierten Strahlungsflusses und seine Intensität sind in verschiedenen Einzelfällen unterschiedlich und werden durch den Zusammenhang zwischen l und der Größe der Unregelmäßigkeiten, der Verteilung der Unregelmäßigkeiten über die Oberfläche, den Lichtverhältnissen und den Eigenschaften des reflektierenden Mediums bestimmt . Der Grenzfall der räumlichen Verteilung von diffus reflektiertem Licht, der in der Natur nicht streng erfüllt ist, wird durch das Lambertsche Gesetz beschrieben. Diffuses O. s. Es wird auch bei Medien beobachtet, deren innere Struktur inhomogen ist, was zur Streuung des Lichts im Volumen des Mediums und zur Rückkehr eines Teils davon in das erste Medium führt. Muster diffuser O. s. aus solchen Medien werden durch die Art der Prozesse der einfachen und mehrfachen Lichtstreuung in ihnen bestimmt. Sowohl die Absorption als auch die Streuung von Licht können eine starke Abhängigkeit von l aufweisen. Die Folge davon ist eine Veränderung der spektralen Zusammensetzung des diffus reflektierten Lichts, das (bei Beleuchtung mit weißem Licht) visuell als Farbe von Körpern wahrgenommen wird.

Totale innere Reflexion

Mit zunehmendem Einfallswinkel ich, nimmt auch der Brechungswinkel zu, während die Intensität des reflektierten Strahls zunimmt und der gebrochene Strahl abnimmt (ihre Summe ist gleich der Intensität des einfallenden Strahls). Zu einem gewissen Wert ich = ich k Ecke R= π / 2, die Intensität des gebrochenen Strahls wird gleich Null, das gesamte Licht wird reflektiert. Mit weiterer Winkelvergrößerung ich > ich k Der Strahl wird nicht gebrochen, das Licht wird vollständig reflektiert.

Wir werden den Wert des kritischen Einfallswinkels ermitteln, bei dem die Totalreflexion beginnt, und ihn in das Brechungsgesetz einfügen R= π / 2, dann sin R= 1 bedeutet:

Sünde ich k = N 2 / N 1

Diffuse Lichtstreuung

θ i = θ r .
Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel

Funktionsprinzip eines Eckreflektors


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    REFLEXION VON LICHT, die Rückkehr eines Teils des auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien einfallenden Lichtstrahls zurück zum ersten Medium. Man unterscheidet zwischen spiegelnder Reflexion des Lichts (die Abmessungen L von Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche sind kleiner als die Lichtwellenlänge l) und diffuser Reflexion (L?... ... Moderne Enzyklopädie

    Reflexion von Licht- REFLEXION DES LICHTS, die Rückkehr eines Teils des auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien einfallenden Lichtstrahls „zurück“ zum ersten Medium. Man unterscheidet zwischen spiegelnder Reflexion des Lichts (die Abmessungen L von Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche sind kleiner als die Lichtwellenlänge l) und diffuser Reflexion (L... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

    Lichtreflexion- Das Phänomen, dass Licht, das an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes einfällt, teilweise oder vollständig in das Medium zurückfließt, aus dem es fällt. [Sammlung empfohlener Begriffe. Ausgabe 79. Physisch... ... Leitfaden für technische Übersetzer

    Das Phänomen, dass, wenn Licht (optische Strahlung (siehe Optische Strahlung)) von einem Medium auf seine Grenzfläche zum zweiten Medium fällt, die Wechselwirkung von Licht mit Materie zum Auftreten einer Lichtwelle führt,... ... Große sowjetische Enzyklopädie

    Die Rückkehr einer Lichtwelle, wenn sie auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes „zurück“ zum ersten Medium fällt. Es gibt spiegelnde Lichtreflexionen (die Abmessungen l der Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche sind kleiner als die Länge des Lichts... ... Enzyklopädisches Wörterbuch

    Lichtreflexion- šviesos atspindys statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Lichtreflexion vok. Reflexion des Lichtes, f rus. Reflexion des Lichts, n pranc. réflexion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas