Отражение света. Плоское зеркало

Закон отражения света.
Вам уже известно, что свет от источника или от освещённого тела воспринимается человеком, если лучи света попадают в глаза. Как будет вести себя свет, если на его пути имеется преграда? Чтобы узнать это, проделаем следующий опыт.







От источника S направим через щель пучок света на экран. Экран будет освещён, но между источником и экраном мы ничего не увидим (рис. 134, а). Теперь между источником и экраном разместим какой-либо предмет: руку, листок бумаги. В этом случае излучение, достигнув поверхности предмета, отражается, изменяет своё направление и попадает в наши глаза, т. е. он становится виден.

Если запылить воздух между экраном и источником света, то становится видимым весь пучок света (рис. 134, б). Пылинки отражают свет и направляют его в глаза наблюдателя.

Это явление часто наблюдается, когда лучи солнца проникают в запылённый воздух комнаты.

Известно, что в солнечный день при помощи зеркала можно получить световой «зайчик» на стене, полу, потолке. Объясняется это тем, что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, т. е. изменяет своё направление. Световой «зайчик» — это след отражённого пучка света на каком-либо экране. На рисунке 135 показано отражение света от зеркальной поверхности.

Линия MN — поверхность раздела двух сред (воздух, зеркало). На эту поверхность из точки S падает пучок света. Его направление задано лучом SO. Направление отражённого пучка показано лучом ОB. Луч SO — падающий луч, луч ОBотражённый луч. Из точки падения луча О проведён перпендикуляр ОС к поверхности MN. Угол SОС, образованный падающим лучом SO и перпендикуляром, называется углом падения (α). Угол СОВ, образованный тем же перпендикуляром ОС и отражённым лучом, называется углом отражения (β).

При изменении угла падения луча будет меняться и угол отражения. Это явление удобно наблюдать на специальном приборе (рис. 136). Прибор представляет собой диск на подставке. На диск нанесена круговая шкала с ценой деления 10°. По краю диска можно передвигать осветитель, дающий узкий пучок света. Закрепим в центре диска зеркальную пластинку и направим на неё пучок света (см. рис. 136). Если пучок света падает под углом 45°, то под таким же углом он и отражается от зеркала. Передвигая осветитель по краю диска, будем менять угол падения луча и каждый раз отмечать соответствующий ему угол отражения. Во всех случаях угол отражения равен углу падения луча. При этом лучи отражённый и падающий лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к зеркалу в точке падения луча. Таким образом, отражение света происходит по следующему закону: лучи падающий и отражённый лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к границе раздела двух сред в точке падения луча.

Угол падения α равен углу отражения β.

α = β.

Если луч падает на зеркало в направлении ВО (см. рис. 135), то отражённый луч пойдёт в направлении OS. Следовательно, падающий и отражённый лучи могут меняться местами. Это свойство лучей (падающего и отражённого) называется обратимостью световых лучей.

Всякая незеркальная, т. е. шероховатая, негладкая, поверхность рассеивает свет, так как на ней имеются небольшие выступы и углубления.

Такую поверхность можно представить в виде целого ряда малых плоских поверхностей, расположенных под разными углами друг к другу. Поэтому падающий на такую поверхность свет отражается по разным направлениям.

Плоское зеркало.

Рассмотрим изображение предмета в плоском зеркале. Плоским зеркалом называют плоскую поверхность, зеркально отражающую свет. Изображение предмета в плоском зеркале образуется за зеркалом, т. е. там, где предмета нет на самом деле. Как это получается?

Пусть из точечного источника света S падают на зеркало MN расходящиеся лучи SO, SO1, SО2 (рис. 139). По закону отражения луч SО отражается от зеркала под углом 0°; луч SО1 — под углом β1 = α1; луч SO2 отражается под углом β2 = α2. В глаз попадает расходящийся пучок света. Если продолжить отражённые лучи за зеркало, то они сойдутся в точке S1. В глаз попадает расходящийся пучок света, исходящий как будто бы из точки Эта точка называется мнимым изображением точки S.

Рассмотрим, как располагался источник света и его мнимое изображение относительно зеркала. По рисунку 139 можно доказать, пользуясь признаками равенства треугольников, что S1O = OS. Это значит, что изображение предмета находится на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.

Сделанный вывод подтверждает и другой опыт. Укрепим на подставке кусок плоского стекла в вертикальном положении. Поставив перед стеклом зажжённую свечу (рис. 140), мы увидим в стекле, как в зеркале, изображение свечи. Возьмём теперь вторую такую же, но незажжённую свечу и расположим её по другую сторону стекла. Передвигая вторую свечу, найдём такое положение, при котором вторая свеча будет казаться тоже зажжённой. Это значит, что незажжённая свеча находится на том же месте, где наблюдается изображение зажжённой свечи. Измерив расстояние от свечи до стекла и от её изображения до стекла, убедимся, что эти расстояния одинаковы.

Таким образом, мнимое изображение предмета в плоском зеркале находится на таком же расстоянии от зеркала, на каком находится сам предмет.

Опыт также показывает, что высота изображения свечи равна высоте самой свечи. Это значит, что размеры изображения предмета в плоском зеркале равны размерам предмета.

Предмет и его изображение в плоском зеркале представляют собой не тождественные, а симметричные фигуры.

Например, зеркальное изображение правой руки представляет собой как будто бы левую руку (рис. 141).

Плоским зеркалом широко пользуются и в быту, и в технике при создании различных устройств и приборов.

Домашнее задание:
I. Учить §§ 65, 66
II. Ответить на вопросы:
1. Пользуясь рисунком 135, расскажите содержание опытов, на основании которых были установлены законы отражения света.
2. Какой угол называют углом падения; углом отражения?
3. Сформулируйте законы отражения света.
4. Какое свойство лучей называется обратимостью?

5. Пользуясь рисунком 139, объясните, как строится изображение точки в зеркале.
6. Почему изображение точки в плоском зеркале называется мнимым?
7. Пользуясь рисунком 140, расскажите содержание опыта, поясняющего особенности изображения предмета в плоском зеркале.
8. Какие особенности имеет изображение предмета в плоском зеркале?
III. Решить упражнение 45 (1 – 3)
1. Угол падения луча на зеркало равен 45°. Начертите отражённый луч. На этом же чертеже покажите расположение лучей для случая, когда угол падения равен 60°.
2. Угол падения луча на зеркало равен 0°. Чему равен угол отражения?
3. Перечертите в тетрадь рисунок 137. Постройте для каждого случая положение отражённого или падающего луча.
IV. Читать текст «Это любопытно…» на стр. 201.
Как Архимед поджёг римский флот
Существует легенда о том, что Архимед с помощью зеркал сжёг римские корабли во время войны в 212 г. до н.э., когда греческий город Сиракузы подвергся осаде римлян. До вражеских кораблей было очень далеко, около 150 м, и обстреливать их из катапульт, сконструированных Архимедом, не представлялось возможным. Архимед предложил отполировать до блеска щиты и сфокусировать лучи солнца на римских триерах. Греческие воины выполнили указания Архимеда, и вражеские корабли загорелись.

Другая легенда гласит, что Архимеду поджечь вражеские корабли помогли женщины Сиракуз. По его указу они поднялись на крепостную стену и направили солнечные лучи с помощью отполированной до блеска медной посуды на корабли римлян и подожгли их. Противник вынужден был отступить.

Ещё по одной версии Архимед вместе с древнегреческими учёными соорудил машину, состоящую из огромного бронзового многоугольного зеркала, набранного из небольших четырёхугольных зеркал. Каждое зеркало было закреплено на шарнирах, благодаря чему можно было подбирать углы поворота так, чтобы отражённые солнечные лучи фокусировались в одной точке. Но эту легенду, как и все предыдущие, учёные опровергли.

Некоторым учёным удалось повторить опыты, описанные в легендах об Архимеде. У других все попытки поджечь дерево на расстояние более 50 м успехом не увенчались.

А вот итальянские учёные в XX в. утверждали, что зеркала могли использоваться, но только для того, чтобы ослепить противника. Как только римские воины были ослеплены, греки запускали катапульты из смеси серы, смолы и селитры с крепостных стен по вражеским кораблям, и они загорались. Учёные полагают, что Архимед разработал метательный аппарат, в котором тетива спускалась в момент, когда ось стрелы совмещалась с «солнечным зайчиком». Скорее всего, когда вражеский флот подходил на расстояние порядка 50 м, зеркала расчехлялись и в корабли летели стрелы, наводимые «солнечными зайчиками».

Легенда о том, что Архимед с помощью зеркал поджёг римский флот, так и остаётся легендой, а попытки доказать или опровергнуть осаду Сиракуз продолжаются и поныне.