Фізика. 9 клас. Головко

§ 13. Відбивання світла

• Відбивання світла

• Закони відбивання світла

• Оборотність світлового променя

• Дзеркальне та дифузне відбивання світла

ВІДБИВАННЯ СВІТЛА. Починаючи вивчення питання відбивання світла, поміркуємо над тим, чи можемо ми бачити одне одного темної ночі або в темному приміщенні, коли до нього не потрапляє світло? А якщо увімкнути ліхтарик? Відповідь очевидна. Але чому так відбувається? Саме завдяки відбиванню світла ми можемо бачити різні предмети, розрізняти їх колір, милуватися краєвидами природи тощо. Вчення про явища поширення та відбивання й заломлення світла — феноменологічна, тобто описова, наука. Витоки цього вчення беруть початок у глибокій давнині. Вважається, що закони прямолінійного поширення світла в однорідному прозорому середовищі та дзеркального відбивання формулював ще Евклід. Французький математик та філософ Рене Декарт експериментально й теоретично вивчав закони поведінки світлових променів на границі розподілу двох середовищ. До середини XVII ст. було сформульовано всі основні закони поширення та відбивання світла для однорідних середовищ, а в 1660 р. французький вчений П’єр Ферма сформулював принцип найменшого оптичного шляху, який є загальним законом поширення світла.

ЗАКОНИ ВІДБИВАННЯ СВІТЛА. Розглянемо детальніше закони, за якими відбувається явище відбивання світла. Виконаємо дослід. На оптичному диску (рис. 13.1), що являє собою коло з поділками, закріплено дзеркало. Спрямуємо вузький пучок світла, світловий промінь АО на дзеркало. Досягнувши поверхні дзеркала, він майже повністю відбивається, утворюючи відбитий промінь ОВ.

Рис. 13.1. Відбивання світлового променя від поверхні дзеркала, закріпленого на оптичному диску

З точки О, яка є точкою падіння, а також точкою відбивання променів АО та ОВ, проведемо перпендикуляр до поверхні дзеркала (пряма ОС). Позначимо на рисунку кут падіння α та кут відбивання γ променів.

Кутом падіння α називають кут між падаючим променем та перпендикуляром, проведеним із точки падіння.

Кутом відбивання γ називають кут між відбитим променем та перпендикуляром, проведеним із точки падіння.

Порівняємо між собою кути падіння та відбивання. З рис. 13.1. бачимо, що вони є рівними між собою, тобто α = γ. Виявляється, що рівними між собою вони залишаться, навіть якщо змінити кут падіння (рис. 13.2, а).

Той факт, що на оптичному диску ми можемо бачити як кут падіння, так і кут відбивання, свідчить про те, що падаючий та відбитий промені лежать в одній площині — площині оптичного диска.

Проведений аналіз досліду дає змогу сформулювати закони відбивання світла:

1. Падаючий промінь, відбитий промінь та перпендикуляр, проведений у точці падіння до поверхні відбивання, лежать в одній площині.

2. Кут падіння дорівнює куту відбивання.

ОБОРОТНІСТЬ СВІТЛОВОГО ПРОМЕНЯ. Розгляньте уважно рис. 13.2. Зверніть увагу на те, що точки випромінювання світла та його виходу з оптичного диска поміняли місцями. Отже, тепер по напрямку відбитого променя (рис. 13.2, б) пустили промінь світла від джерела. Падаючий промінь відбивається від дзеркала і йде по тому напряму, по якому в попередньому досліді йшов падаючий промінь. Тобто промені ніби помінялися місцями.

Рис. 13.2. Оборотність світлового променя

Цю властивість падаючого і відбитого променів називають оборотністю світлових променів.

ДЗЕРКАЛЬНЕ ТА ДИФУЗНЕ ВІДБИВАННЯ. Спостерігаючи яви ще відбивання світла, поміркуйте, чи всі поверхні однаково відбивають світло? Розгляньте рис. 13.3, на якому зображено відбивання світла від дзеркальної та шорсткої поверхні. Оскільки ми можемо бачити світло, коли воно потрапляє нам в очі, світло, відбите від дзеркальної поверхні, ми можемо бачити лише в положенні 2 (рис. 13.3, а). У положеннях 1 та 3 відбитий промінь ми не побачимо. Разом із тим, якщо поверхня є шорсткою, то промені світла, спрямовані на неї, відбиваються в усіх напрямах (рис. 13.3, б). Таке відбивання називають дифузним, або розсіяним. Шорсткими поверхнями, які відбивають світло в усіх напрямах, є підручник, стіни та підлога кімнати, врешті-решт, усі предмети, які ми бачимо, хоча вони не є джерелами світла.

Рис. 13.3. Дзеркальне та дифузне відбивання світла від поверхонь: а) дзеркальне відбивання; б) дифузне відбивання

Отже, поверхні, які відбивають світло дзеркально, є блискучими, а ті, що відбивають світло дифузно — матовими. Причому, чим більше світла відбиває поверхня, тим світлішою ми її бачимо. Відповідно до цього, якщо поверхня не відбиває світло, ми її бачимо чорною.

Приклад. Сонячні промені утворюють з горизонтом кут 40°. Під яким кутом до горизонту необхідно розташувати дзеркало, щоб відбитий від нього промінь спрямувати вертикально догори?

Рис. 13.4

! Головне в цьому параграфі

Кутом падіння а називають кут між падаючим променем та перпендикуляром, проведеним із точки падіння.

Кутом відбивання γ називають кут між відбитим променем та перпендикуляром, проведеним із точки падіння.

Закони відбивання світла:

1. Падаючий промінь, відбитий промінь та перпендикуляр, проведений у точку падіння до поверхні відбивання, лежать в одній площині.

2. Кут падіння дорівнює куту відбивання.

Світловий промінь є оборотним.

Дзеркальне відбивання — відбивання світлових променів поверхнею в певному напрямі (створюється дзеркальною, блискучою поверхнею).

Дифузне відбивання — відбивання променів світла, спрямованих на поверхню в усіх напрямках (створюється шорсткою, матовою поверхнею).

? Запитання для самоперевірки

1. Що називають кутом падіння, кутом відбивання? Якими літерами їх позначають?
2. Як зміниться кут відбивання, якщо кут падіння збільшити на 10°^?
3. У чому полягає оборотність світлових променів?
4. Поясніть, чому шорстку поверхню можна бачити з будь-якого її положення, а дзеркальну тільки з певного.
5. Яка поверхня: біла чи чорна відбиває більше світла?

Вчимося розв'язувати задачі на закони відбивання світла

Починаючи розв’язувати задачі на закони відбивання світла, необхідно чітко розуміти, що таке кут падіння та кут відбивання світла та який зв’язок між ними існує. Важливою умовою успішного розв’язку є правильно та чітко виконаний рисунок, який допоможе знайти відповідь на запитання, сформульоване в задачі.

Пропонуємо вам декілька порад щодо виконання рисунку. Для того щоб побудувати відбитий (падаючий) промінь при заданому напрямі падаючого (відбитого) необхідно:

1) з точки поверхні провести перпендикуляр до поверхні відбивання;
2) виміряти за допомогою транспортира заданий кут;
3) побудувати кут, що дорівнює заданому, по інший бік перпендикуляру.

Не забувайте, що оскільки кут падіння дорівнює куту відбивання, то з цього випливає, що перпендикуляр до поверхні відбивання ділить кут між падаючим та відбитим променями навпіл, а отже, є його бісектрисою.

Вправа до § 13

1 (п). Визначте кути відбивання, якщо світловий промінь падає: а) перпендикулярно до поверхні дзеркала; б) під кутом 30°?

2 (с). Перекресліть у зошит рисунок до задачі. З’ясуйте, який промінь зображено в кожному випадку. Побудуйте падаючий або відбитий промені.

Рис. 13.5. До завдання 2

3 (с). Поясніть, якою є поверхня місяця: дзеркальною чи матовою?

4 (д). Кут між падаючим та відбитим променями становить 70°. Визначте кут відбивання променя.

5 (д). Кут падіння променя дорівнює 30°. Визначте кут між відбитим променем та поверхнею дзеркала.

6 (д). Кут між падаючим та відбитим променями в три рази більший, ніж кут між падаючим променем та поверхнею дзеркала. Обчисліть кут падіння променя.

7 (в). Як зміниться кут між падаючим і відбитим променями, якщо дзеркало повернути за годинниковою стрілкою на 20°, а положення падаючого променя при цьому не зміниться?

8 (в). Сонячні промені падають під кутом 40° до горизонту. Під яким кутом до горизонту необхідно розташувати дзеркало, щоб відбитий промінь спрямувати: а) вертикально донизу; б) горизонтально?

Зміст