חוקי השתקפות האור וההיסטוריה של גילוים

חוק השתקפות האור התגלה באמצעות תצפיות וניסויים. כמובן שניתן לגזור את זה באופן תיאורטי, אבל כל העקרונות הנהוגים כעת הוגדרו ומבוססים בפועל. הכרת המאפיינים העיקריים של תופעה זו מסייעת בתכנון התאורה ובבחירת הציוד. עיקרון זה פועל גם בתחומים אחרים - גלי רדיו, קרני רנטגן וכו'. להתנהג בדיוק אותו הדבר בהשתקפות.

מהי השתקפות האור והזנים שלו, מנגנון

החוק מנוסח כך: הקרניים התקפות והמוחזרות שוכנות באותו מישור, בעלות ניצב למשטח המשקף, היוצא מנקודת הפגיעה. זווית הפגיעה שווה לזווית ההשתקפות.

בעצם, השתקפות היא תהליך פיזיקלי שבו אלומה, חלקיקים או קרינה מקיימים אינטראקציה עם מישור. כיוון הגלים משתנה בגבול של שני אמצעים, מכיוון שיש להם תכונות שונות.האור המוחזר תמיד חוזר למדיום ממנו הוא הגיע. לרוב במהלך השתקפות, נצפית גם תופעת שבירה של גלים.

זהו הסבר סכמטי של חוק החזרת האור.

השתקפות מראה

במקרה זה, קיים קשר ברור בין הקרניים המשתקפות והקרני המתרחשות, זוהי התכונה העיקרית של מגוון זה. ישנן מספר נקודות עיקריות ספציפיות לשיקוף:

1. הקרן המוחזרת נמצאת תמיד במישור העובר דרך הקרן הנובעת והנורמלי למשטח המשקף, המשוחזר בנקודת הפגיעה.
2. זווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה של קרן האור.
3. המאפיינים של האלומה המוחזרת הם פרופורציונליים לקיטוב של אלומת האלומה וזווית הפגיעה שלה. כמו כן, המחוון מושפע מהמאפיינים של שתי הסביבות.

בהשתקפות אספקלרית, זוויות השתקפות וההשתקפות תמיד זהות.

במקרה זה, מדדי השבירה תלויים בתכונות המטוס ובמאפייני האור. השתקפות זו ניתן למצוא בכל מקום שיש משטחים חלקים. אבל עבור סביבות שונות, התנאים והעקרונות עשויים להשתנות.

השתקפות פנימית מוחלטת

אופייני לקול וגלים אלקטרומגנטיים. מתרחש בנקודה שבה שתי סביבות נפגשות. במקרה זה, הגלים חייבים לרדת ממדיום שבו מהירות ההתפשטות נמוכה יותר. לגבי האור, ניתן לומר כי מדדי השבירה במקרה זה עולים מאוד.

השתקפות פנימית מוחלטת אופיינית למשטח המים.

זווית הפגיעה של קרן אור משפיעה על זווית השבירה. עם עלייה בערכו, עוצמת הקרניים המוחזרות עולה, והנשברות פוחתות.כאשר מגיעים לערך קריטי מסוים, מדדי השבירה יורדים לאפס, מה שמוביל להחזרה הכוללת של הקרניים.

הזווית הקריטית מחושבת בנפרד עבור מדיות שונות.

השתקפות מפוזרת של אור

אפשרות זו מאופיינת בכך שכאשר היא פוגעת במשטח לא אחיד, הקרניים משתקפות לכיוונים שונים. האור המוחזר פשוט מתפזר ובגלל זה אתה לא יכול לראות את ההשתקפות שלך על משטח לא אחיד או מט. תופעת דיפוזיית הקרניים נצפית כאשר אי הסדירות שווים או גדולים מאורך הגל.

במקרה זה, מישור אחד ויחיד יכול להיות מחזיר אור או אולטרה סגול בצורה מפוזרת, אך באותו זמן לשקף היטב את ספקטרום האינפרא אדום. הכל תלוי במאפיינים של הגלים ובמאפייני המשטח.

השתקפות מפוזרת היא כאוטית עקב אי סדרים על פני השטח.

השתקפות הפוכה

תופעה זו נצפית כאשר קרניים, גלים או חלקיקים אחרים מוחזרים בחזרה, כלומר לכיוון המקור. ניתן להשתמש בנכס זה באסטרונומיה, מדעי הטבע, רפואה, צילום ותחומים אחרים. בשל מערכת העדשות הקמורות בטלסקופים, ניתן לראות אור של כוכבים שאינם נראים לעין בלתי מזוינת.

ניתן לשלוט בהשתקפות האחורית על ידי הצורה הכדורית של המשטח הרפלקטיבי.

חשוב ליצור תנאים מסוימים לחזרת האור למקור, הדבר מושג לרוב באמצעות אופטיקה וכיוון האלומה של הקרניים. לדוגמה, עיקרון זה משמש במחקרי אולטרסאונד, הודות לגלים הקוליים המשתקפים, תמונה של האיבר הנחקר מוצגת על הצג.

היסטוריה של גילוי חוקי ההשתקפות

תופעה זו ידועה כבר זמן רב.לראשונה הוזכרה השתקפות האור ביצירה "Katoptrik", המתוארכת לשנת 200 לפני הספירה. ונכתב על ידי החוקר היווני העתיק אוקלידס. הניסויים הראשונים היו פשוטים, אז לא הופיע בסיס תיאורטי באותה תקופה, אבל הוא זה שגילה את התופעה הזו. במקרה זה, נעשה שימוש בעקרון של פרמה למשטחי מראה.

קרא גם

כמה מהר עובר האור בוואקום

 

נוסחאות פרנל

אוגוסט פרנל היה פיזיקאי צרפתי שפיתח מספר נוסחאות שנמצאות בשימוש נרחב עד היום. הם משמשים בחישוב העוצמה והמשרעת של גלים אלקטרומגנטיים מוחזרים ושבורים. יחד עם זאת, עליהם לעבור גבול ברור בין שני אמצעי תקשורת בעלי ערכי שבירה שונים.

כל התופעות שמתאימות לנוסחאות של פיזיקאי צרפתי נקראות השתקפות פרנל. אך יש לזכור כי כל החוקים הנגזרים תקפים רק כאשר אמצעי התקשורת הם איזוטריים, והגבול ביניהם ברור. במקרה זה, זווית הפגיעה תמיד שווה לזווית ההשתקפות, וערך השבירה נקבע על פי חוק סנל.

חשוב שכאשר אור נופל על משטח שטוח, יכולים להיות שני סוגים של קיטוב:

1. קיטוב p מאופיין בכך שהווקטור של השדה האלקטרומגנטי נמצא במישור ההתרחשות.
2. קיטוב s שונה מהסוג הראשון בכך שוקטור עוצמת הגל האלקטרומגנטי ממוקם בניצב למישור בו מצויות הן התקרית והן הקרן המוחזרת.

פרנל הסיק מגוון שלם של נוסחאות המאפשרות לך לבצע את כל החישובים הדרושים.

נוסחאות למצבים עם קיטובים שונים שונים.זאת בשל העובדה שקיטוב משפיע על מאפייני הקרן והוא משתקף בדרכים שונות. כאשר האור נופל בזווית מסוימת, הקרן המוחזרת יכולה להיות מקוטבת לחלוטין. זווית זו נקראת זווית ברוסטר, היא תלויה במאפייני השבירה של המדיה בממשק.

דרך אגב! הקרן המוחזרת מקוטבת תמיד, גם אם האור הנכנס לא היה מקוטב.

עקרון הויגנס

הויגנס הוא פיזיקאי הולנדי שהצליח לגזור עקרונות המאפשרים לתאר גלים מכל טבע. זה בעזרתו שלרוב הם מוכיחים גם את חוק ההשתקפות וגם חוק השבירה של האור.

זהו הייצוג הסכמטי הפשוט ביותר של עקרון הויגנס.

במקרה זה, האור מובן כגל בעל צורה שטוחה, כלומר, כל משטחי הגלים שטוחים. במקרה זה, משטח הגל הוא קבוצה של נקודות עם תנודות באותו שלב.

הניסוח הולך ככה: כל נקודה שאליה הגיעה ההפרעה הופכת לאחר מכן למקור של גלים כדוריים.

בסרטון מוסבר חוק מכיתה ח' בפיזיקה במילים פשוטות מאוד באמצעות גרפיקה ואנימציה.

המשמרת של פדורוב

זה נקרא גם אפקט Fedorov-Ember. במקרה זה, יש תזוזה של קרן האור עם השתקפות פנימית מוחלטת. במקרה זה, השינוי אינו משמעותי, הוא תמיד קטן מאורך הגל. בגלל תזוזה זו, הקרן המוחזרת אינה שוכנת באותו מישור כמו הקרן הנובעת, דבר הנוגד את חוק החזר האור.

הדיפלומה לגילוי מדעי הוענקה ל-F.I. פדורוב בשנת 1980.

העקירה הצידית של הקרניים הוכחה תיאורטית על ידי מדען סובייטי ב-1955 הודות לחישובים מתמטיים. באשר לאישור הניסוי של השפעה זו, הפיזיקאי הצרפתי אמבר עשה זאת מעט מאוחר יותר.

שימוש בחוק בפועל

דוגמאות להחזרת אור נמצאות בכל מקום.

החוק המדובר הוא הרבה יותר נפוץ ממה שהוא נראה. עיקרון זה נמצא בשימוש נרחב בתחומים שונים:

1. מַרְאָה היא הדוגמה הפשוטה ביותר. זהו משטח חלק המחזיר אור וסוגים אחרים של קרינה היטב. הן גרסאות שטוחות והן אלמנטים של צורות אחרות משמשים, למשל, משטחים כדוריים מאפשרים להרחיק חפצים, מה שהופך אותם חיוניים כמו מראות אחוריות במכונית.
2. ציוד אופטי מגוון עובד גם בשל העקרונות הנחשבים. זה כולל הכל, החל ממשקפיים, שנמצאים בכל מקום, ועד טלסקופים רבי עוצמה עם עדשות קמורות או מיקרוסקופים המשמשים ברפואה ובביולוגיה.
3. מכשירי אולטרסאונד גם להשתמש באותו עיקרון. ציוד אולטרסאונד מאפשר לבצע בדיקות מדויקות. קרני רנטגן מתפשטות על פי אותם עקרונות.
4. תנורי מיקרוגל - דוגמה נוספת ליישום החוק הנדון בפועל. הוא כולל גם את כל הציוד הפועל עקב קרינת אינפרא אדומה (לדוגמה, מכשירי ראיית לילה).
5. מראות קעורות לאפשר לפנסים ולמנורות להגביר את הביצועים. במקרה זה, הספק של הנורה יכול להיות הרבה פחות מאשר ללא שימוש באלמנט מראה.

דרך אגב! דרך השתקפות האור, אנו רואים את הירח והכוכבים.

חוק השתקפות האור מסביר תופעות טבע רבות, והכרת תכונותיו אפשרה ליצור ציוד שנמצא בשימוש נרחב בתקופתנו.