De wetten van de lichtreflectie en de geschiedenis van hun ontdekking

De wet van de weerkaatsing van licht werd ontdekt door waarneming en experiment. Natuurlijk kan het ook theoretisch worden afgeleid, maar alle beginselen die nu worden gebruikt, zijn door praktische middelen bepaald en gerechtvaardigd. Kennis van de basiskenmerken van dit verschijnsel helpt bij de planning van de verlichting en de keuze van de apparatuur. Dit principe werkt ook op andere gebieden - radiogolven, röntgenstralen enz. gedragen zich bij weerkaatsing op precies dezelfde wijze.

Wat is lichtreflectie en zijn variëteiten, mechanisme

De wet wordt als volgt geformuleerd: De invallende en weerkaatste stralen liggen in hetzelfde vlak met een loodlijn op het weerkaatsende oppervlak dat uit het invalspunt komt. De hoek van inval is gelijk aan de hoek van reflectie.

Reflectie is in wezen een fysisch proces waarbij een straal, deeltje of straling in wisselwerking treedt met een vlak. De richting van de golven verandert op de grens van de twee media omdat zij verschillende eigenschappen hebben. Het weerkaatste licht keert altijd terug naar het medium waar het vandaan kwam. Vaker wel dan niet gaat reflectie ook gepaard met het verschijnsel van golfbreking.

Dit is een schematische uitleg van de wet van de lichtreflectie.

Spiegel reflectie

In dit geval is er een duidelijk verband tussen de weerkaatste en de invallende stralen, dit is het belangrijkste kenmerk van deze soort. Er zijn verschillende hoofdpunten die kenmerkend zijn voor speculaire weerkaatsing:

1. De weerkaatste straal ligt altijd in een vlak dat loopt door de invallende straal en de normaal op het weerkaatsende oppervlak, dat op het punt van inval wordt hersteld.
2. De hoek van inval is gelijk aan de hoek van reflectie van de lichtstraal.
3. De kenmerken van de weerkaatste straal zijn evenredig met de polarisatie van de straal en de hoek van inval. Ook de kenmerken van de twee media hebben een effect op de index.

Bij speculaire reflectie zijn de invals- en reflectiehoeken altijd gelijk.

De brekingsindex hangt af van de eigenschappen van het vlak en van de eigenschappen van het licht. Deze reflectie kan overal worden aangetroffen waar gladde oppervlakken zijn. Maar de omstandigheden en principes kunnen per omgeving verschillen.

Totale interne reflectie

Kenmerkend voor geluid en elektromagnetische golven. Treedt op waar twee media elkaar ontmoeten. In dit geval moeten de golven uit het medium vallen waar de voortplantingssnelheid lager is. In het geval van licht kunnen we zeggen dat de brekingsindices in dit geval sterk toenemen.

Totale interne reflectie is kenmerkend voor het oppervlak van water.

De hoek van inval van de lichtstraal beïnvloedt de brekingsindex. Naarmate de invalshoek toeneemt, neemt de intensiteit van het gereflecteerde licht toe en die van het gebroken licht af. Wanneer een bepaalde kritische waarde wordt bereikt, nemen de brekingsindices af tot nul, hetgeen resulteert in de totale weerkaatsing van de stralen.

De kritische hoek wordt voor verschillende media afzonderlijk berekend.

Diffuse lichtreflectie

Deze variant wordt gekenmerkt door het feit dat wanneer stralen een oneffen oppervlak raken, zij in verschillende richtingen worden weerkaatst. Weerspiegeld licht verstrooit eenvoudig en het is daardoor dat men zijn weerkaatsing op een oneffen of mat vlak niet kan zien. Het verschijnsel van diffuse stralen wordt waargenomen wanneer de onregelmatigheden gelijk zijn aan of groter zijn dan de golflengte.

Hetzelfde vlak kan diffuus reflecterend zijn voor licht of ultraviolet, maar het infraroodspectrum goed reflecteren. Het hangt allemaal af van de kenmerken van de golven en de eigenschappen van het oppervlak.

Diffuse reflectie is chaotisch als gevolg van onregelmatigheden in het oppervlak.

Omgekeerde reflectie

Dit verschijnsel wordt waargenomen wanneer stralen, golven of andere deeltjes worden teruggekaatst, d.w.z. in de richting van de bron. Deze eigenschap kan worden gebruikt in de astronomie, de natuurwetenschappen, de geneeskunde, de fotografie en op andere gebieden. Dankzij het systeem van bolle lenzen in telescopen is het mogelijk het licht van sterren te zien dat met het blote oog niet zichtbaar is.

Omgekeerde reflectie kan worden geregeld door de sferische vorm van het reflecterende oppervlak.

Het is belangrijk om bepaalde voorwaarden te scheppen zodat het licht terugkeert naar de bron; dit wordt meestal bereikt door optica en bundelbesturing. Dit principe wordt bijvoorbeeld toegepast bij echo-onderzoeken; de weerkaatste ultrageluidsgolven zorgen ervoor dat het beeld van het te onderzoeken orgaan op de monitor wordt weergegeven.

Geschiedenis van de ontdekking van de wetten van de reflectie

Dit fenomeen was al lang bekend. De weerkaatsing van licht werd voor het eerst vermeld in het werk "Katoptrika", dat dateert van 200 v.C., geschreven door de oude Griekse wetenschapper Euclides. De eerste experimenten waren eenvoudig, zodat er destijds geen theoretische basis ontstond, maar hij was het die het verschijnsel ontdekte. Het principe van Fermat voor spiegeloppervlakken werd gebruikt.

Lees ook

Met welke snelheid plant het licht zich voort in een vacuüm

 

Fresnel-formules

Auguste Fresnel was een Franse natuurkundige die een aantal formules afleidde die ook vandaag nog op grote schaal worden gebruikt. Zij worden gebruikt bij de berekening van de intensiteit en de amplitude van gereflecteerde en afgebogen elektromagnetische golven. Daarbij moeten zij een duidelijke grens passeren tussen twee media met verschillend brekingsvermogen.

Alle verschijnselen die voldoen aan de formules van de Franse natuurkundige worden Fresneliaanse reflecties genoemd. Maar men mag niet vergeten dat alle afgeleide wetten alleen waar zijn wanneer de media isotroop zijn en de grens tussen beide duidelijk is. In dit geval is de hoek van inval altijd gelijk aan de hoek van reflectie en wordt de waarde van breking bepaald door de wet van Snellius.

Het is belangrijk dat wanneer licht op een plat oppervlak valt, er twee soorten polarisatie kunnen zijn:

1. De p-polarisatie wordt gekenmerkt door het feit dat de vector van de elektromagnetische veldsterkte in het vlak van de inval ligt.
2. s-polarisatie verschilt van het eerste type in die zin dat de intensiteitsvector van de elektromagnetische golven loodrecht staat op het vlak waarin zowel de invallende als de weerkaatste bundel liggen.

Fresnel leidde een hele reeks formules af die het mogelijk maken alle nodige berekeningen te maken.

De formules verschillen voor situaties met verschillende polarisatie. Dit komt doordat de polarisatie de eigenschappen van de straal beïnvloedt en deze anders wordt gereflecteerd. Wanneer licht onder een bepaalde hoek valt, kan de weerkaatste straal volledig gepolariseerd zijn. Deze hoek wordt de Brewster-hoek genoemd, en hangt af van de brekingskenmerken van de media op het grensvlak.

Tussen haakjes! De weerkaatste straal is altijd gepolariseerd, zelfs als het invallende licht ongepolariseerd was.

Het Huygens principe

Huygens was een Nederlandse natuurkundige die erin slaagde principes af te leiden om golven van welke aard dan ook te beschrijven. Hij was het die het vaakst werd gebruikt om zowel de wet van reflectie als ...de wet van breking van licht....

Zo ziet de eenvoudigste schematische voorstelling van het Huygens-principe eruit.

In dit geval wordt licht bedoeld als een golf met een vlakke vorm, d.w.z. dat alle golfoppervlakken vlak zijn. In dit geval is het golfoppervlak een verzameling punten met oscillatie in dezelfde fase.

De formulering gaat als volgtElk punt waar een verstoring aankomt, wordt vervolgens een bron van sferische golven.

De video legt de wet uit van de 8e graad fysica in zeer eenvoudige bewoordingen met behulp van grafieken en animatie.

Fedorov verschuiving

Het wordt ook wel het Fedorov-Ember effect genoemd. In dit geval is er een verschuiving van de lichtbundel met totale interne reflectie. De verschuiving is niet significant en is altijd kleiner dan de golflengte. Door deze verschuiving ligt de weerkaatste straal niet in hetzelfde vlak als de invallende straal, hetgeen indruist tegen de wet van de lichtreflectie.

Het diploma voor wetenschappelijke ontdekking werd in 1980 uitgereikt aan F.I. Fedorov.

Zijdelingse verplaatsing van de stralen werd in 1955 theoretisch bewezen door een Sovjet-wetenschapper dankzij wiskundige berekeningen. De experimentele bevestiging van dit effect werd iets later gedaan door de Franse natuurkundige Embert.

Gebruik van de wet in de praktijk

Voorbeelden van de weerkaatsing van licht zijn overal te vinden.

De wet in kwestie is veel gebruikelijker dan het lijkt. Het principe wordt op veel verschillende gebieden toegepast:

1. Spiegel - is het eenvoudigste voorbeeld. Het is een glad oppervlak dat licht en andere soorten straling goed weerkaatst. Zowel vlakke versies als elementen met andere vormen worden gebruikt, b.v. bolvormige oppervlakken maken het mogelijk objecten af te leiden, waardoor ze onmisbaar zijn als achteruitkijkspiegels in auto's.
2. Een verscheidenheid van optische apparatuur werkt ook dankzij de hierboven besproken beginselen. Dit omvat alles van brillen, die overal te vinden zijn, tot krachtige telescopen met bolle lenzen of microscopen die in de geneeskunde en de biologie worden gebruikt.
3. Echografiemachines ook het principe in kwestie gebruiken. Echografie-apparatuur maakt nauwkeurige onderzoeken mogelijk. Röntgenstralen worden volgens dezelfde principes gedistribueerd.
4. Magnetrons - Nog een voorbeeld van de toepassing van de wet in de praktijk. Alle apparatuur die werkt met infraroodstraling (bv. nachtkijkers) kan hier ook worden opgenomen.
5. Concave spiegels kunnen zaklampen en armaturen hun prestaties verbeteren. In dit geval kan het vermogen van de gloeilamp veel lager zijn dan zonder het spiegelelement.

Tussen haakjes! Wij zien de maan en de sterren door de weerkaatsing van het licht.

De wet van de lichtreflectie verklaart vele natuurverschijnselen, en de kennis van de kenmerken ervan heeft het mogelijk gemaakt apparatuur te maken die tegenwoordig op grote schaal wordt gebruikt.