Плоское зеркало: формирование и построение изображения, рассеяние света
Плоские зеркала — это плоские поверхности, отражающие световые лучи. Их обычно изготавливают из металла или стекла и покрывают дополнительным слоем алюминия или серебра.
Почему зеркала так хорошо отражают свет?
Рис. 1. Отражение света от поверхности плоского зеркала
Поверхность зеркала почти идеально плоская (рис. 1); параллельные лучи света, падающие на нее, отражаются точно так, что они остаются параллельными. В результате мы можем видеть в зеркале изображение, которое удивительно точно воспроизводит каждую деталь объекта.
Интересный факт! В древние времена гладкая поверхность достигалась путем полировки металла — так делали, например, в Древнем Египте, Китае и Римской империи.
Позже поверхность стекла стали покрывать тонким слоем серебра или другого металла. Сегодня лучшие зеркала получаются путем напыления очень тонкого слоя металла (толщиной в несколько или около десятка атомов), обычно алюминия.
Формирование изображения в плоском зеркале
Когда вы смотрите на свое отражение в зеркале, у вас может сложиться впечатление, что с другой стороны на вас смотрит ваша точная копия (пример на рисунке 2).
Рис. 2. Отражение в плоском зеркале человека
Более того, эта «копия» находится по другую сторону зеркала на том же расстоянии, что и вы, и повторяет все ваши жесты. Изображение и объект, который вы наблюдаете в зеркале — симметричны друг относительно друга.
Изображение, получаемое в плоском зеркале, как говорят физики, прямое. Оно также равно объекту по размеру, т.е. оно не увеличивается и не уменьшается по отношению к объекту. Это не всегда так — в зеркалах, которые не являются плоскими, получаемое изображение может быть перевернутым, увеличенным или уменьшенным по отношению к объекту.
Построение изображения в плоском зеркале
Чтобы построить изображение точки в плоском зеркале, необходимо использовать как минимум два луча света, исходящих из точки, находящейся перед зеркалом.
Первый луч света, который перпендикулярен поверхности зеркала, отражается от зеркала и возвращается по тому же пути, по которому он пришел. Продляя его, вы сможете определить линию, на которой должно быть размещено изображение.
Однако, когда они попадают в глаз, создается впечатление, что оба луча исходят изнутри зеркала из какой-то точки с другой стороны.
Второй направляется под определенным углом к поверхности зеркала и, в соответствии с законом отражения света, отражается от него под тем углом, под которым падает. Отраженные лучи «расходятся». Однако, когда они достигают глаза, создается впечатление, что оба световых луча исходят изнутри зеркала из какой-то точки с другой стороны. Конечно, в реальности такой точки нет. Точка, о которой мы говорим, является видимым (мнимым) изображением точки, находящейся за зеркалом. Такое изображение создается в точке пересечения лучей, отраженных от зеркала. Это можно увидеть на рисунке 3 ниже:
Рис. 3. Иллюстрация изображения кажущегося пламени свечи
Видимое изображение формируется за зеркалом в точке, где пересекаются продолжения отраженных лучей. На самом деле лучи не покидают эту точку, но кажется, что они покидают ее. В результате наблюдатель видит в зеркале изображение точки именно в том месте, где пересекаются продолжения отраженных лучей — отсюда и впечатление, что он видит мир по ту сторону зеркала.
Аналогичным образом мы создаем изображения более сложных объектов. В случае с фигурами описанное выше построение следует повторить для каждой из их вершин. Закрепите полученные знания, проанализировав ход лучей на рисунке 4 ниже. Определите лучи, падающие на зеркало и отраженные от него, а также продолжение отраженных лучей.
Рис. 4. Построение изображения фигуры в плоском зеркале
Пример построения изображения.
В другом примере мы хотим нарисовать траекторию луча для плоского зеркала. Две точки A и B лежат немного смещенными перед зеркальной плоскостью. Чтобы построить траекторию луча света, мы можем нарисовать точки виртуального изображения следующим образом:
- Сначала проведем прямую из точки A перпендикулярно зеркальной плоскости и продлим ее за ее пределы на длину a, которая соответствует расстоянию от точки A до плоскости зеркала. Конечной точкой линии является точка мнимого изображения A ′ .
- Далее, проведем линию из точки мнимого изображения A ′ к местоположению наблюдателя. (Для этого мы просто обозначаем глаз).
- Наконец, проводим линию от точки A до пересечения соединительной линии с плоскостью зеркала.
- Если теперь провести перпендикуляр к плоскости зеркала, то мы увидим, что построили траекторию луча по закону отражения света — угол отражения равен углу падения, поэтому мы можем назвать оба угла α.
Затем вся процедура повторяется для точки B. Вы получите в итоге следующее изображение:
Рис. 5. Пример построения изображения в плоском зеркале
Здесь мы можем увидеть и подтвердить другие, важные свойства зеркальных изображений. В реальном мире точка A лежит слева от точки B. В зеркальном мире точка A′ также лежит слева от точки B′. Таким образом, зеркальное отображение не переворачивается. Однако в реальном мире точка B находится перед точкой A, а в зеркальном мире все наоборот: задняя и передняя части поменялись местами.
На основании написанного выше подведем итог:
« Изображение объекта в плоском зеркале является мнимым, прямым, по размерам равным объекту и находится на таком же расстоянии за зеркалом, на котором расположен объект перед зеркалом. »
Учебник, Физика, 8 класс. Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский, В.В. Дорофейчик
Какого размера должно быть зеркало, для того, чтобы полностью увидеть себя в нём?
Иногда хочется полностью увидеть себя в зеркале. Для этого свет, исходящий от ног или волос, должен попасть в глаза после отражения в зеркале.
Поскольку, согласно закона отражения света, угол падения и угол отражения равны, из этого следует, что размер зеркала должен быть равен половине расстояния от стопы до глаза, плюс половину расстояния от глаза до волос. Поэтому, если вы хотите видеть себя полностью, зеркало должно быть не менее половины размера человека.
Рис. 6. Зеркало и человек
Применение плоских зеркал
Плоские зеркала нашли широкое применение как в повседневной жизни, так и во многих устройствах. Каждый из нас смотрится в зеркало хотя бы раз в день, а девушки и женщины любуются собою по много раз на дню.
Например, зеркало заднего вида в вашем автомобиле повышает безопасность вождения. Это позволяет нам правильно оценить расстояние позади нашего автомобиля до других участников дорожного движения. Следует отметить, однако, что выпуклые зеркала часто играют роль зеркала заднего вида, но их назначение такое же.
В приборах обычно используются плоские зеркала для изменения направления световых лучей. Ян Гевелий изобрел перископ, важным компонентом которого является система плоских зеркал.
Перископ в его первоначальном варианте использовал расположение зеркал, которое позволяло формировать в наших глазах изображения объектов, находящихся за препятствиями. Сам перископ нашел, например, применение в подводных лодках, ведь с их помощью из под воды можно видеть, что происходит над поверхностью воды.
Интересный факт! Общее название одного из типов фотоаппаратов — «зеркалка» — относится к плоскому зеркалу, которое является неотъемлемой частью его конструкции.
Рассеяние света
То, что вы можете видеть изображение в зеркале, объясняется тем, как свет отражается от его поверхности. Большая часть отраженных лучей достигает нашего глаза, где на сетчатке формируется перевернутое изображение объекта. Но что произойдет, если поверхность зеркала будет шероховатой? В такой ситуации будет происходить рассеяние света (смотрите рисунок 7 ниже).
Рис. 7. Поверхность предметов, на которых рассеивается свет, шероховатая
Отраженные лучи из-за неровности зеркальной плоскости, согласно закону отражения света, шли бы в совершенно разных направлениях, не достигая нашего глаза вообще или достигая лишь частично. В этом случае изображение объекта будет невидимым или размытым. Другими словами, направления отраженных лучей перестают быть параллельными и становятся случайными.
Рассеяние света также происходит, когда луч проходит через область, где есть, например, частицы пыли или капли воды (туман). Стоит знать, что свет также рассеивается на атомах и молекулах газов, составляющих атмосферу Земли. Однако в случае рассеяния света в атмосфере Земли эффект более интересен — наиболее сильно рассеиваются синие лучи, отсюда и синий цвет неба. Во время заката свет солнца сильно рассеивается, поэтому до наших глаз доходит в основном красный и оранжевый свет — вот почему заходящее солнце имеет красно-оранжевый цвет.
Плоское, сферическое зеркало
Любые отражающие поверхности в курсе школьной физики принято называть зеркалами. Рассматривают две геометрические формы зеркал:
- плоское
- сферическое
Плоское зеркало — отражающая поверхность, формой которой является плоскость. Построение изображения в плоском зеркале основывается на законах отражения, которые, в общем случае, даже можно упростить (рис. 1).
Рис. 1. Плоское зеркало
Пусть источником в нашем примере будет точка А (точечный источник света). Лучи от источника распространяются во все стороны. Чтобы найти положение изображения, достаточно проанализировать ход двух любых лучей и найти построением точку их пересечения. Первый луч (1) пустим под любым углом к плоскости зеркала, и, по законам отражения, его дальнейшее движение будет под углом отражения, равным углу падения. Второй луч (2) также можно пускать под любым углом, но проще нарисовать его перпендикулярно поверхности, т.к., в этом случае, он не испытает преломления. Продолжения лучей 1 и 2 сходятся в точке B, в нашем случае, данная точка и есть изображение точки А (мнимое) (рис. 1.1).
Однако получившиеся на рисунке 1.1 треугольники одинаковы (по двум углам и общей стороне), тогда в качестве правила построения изображения в плоском зеркале можно принять: при построении изображения в плоском зеркале достаточно из источника А опустить перпендикуляр на плоскость зеркала, а затем продолжить данный перпендикуляр на ту же длину по другую сторону от зеркала (рис. 1.2).
Воспользуемся этой логикой (рис. 2).
Рис. 2. Примеры построения в плоском зеркале
В случае не точечного предмета важно помнить, что форма предмета в плоском зеркале не меняется. Если учесть, что любой предмет фактически состоит из точек, то, в общем случае, надо отразить каждую точку. В упрощённом варианте (например, отрезок или простая фигура) можно отразить крайние точки, а потом соединить их прямыми (рис. 3). При этом АВ — предмет, А’В’ — изображение.
Рис. 3. Построение предмета в плоском зеркале
Также нами было введено новое понятие — точечный источник света — источник, размерами которого можно пренебречь в нашей задаче.
Сферическое зеркало — отражающая поверхность, формой которой является часть сферы. Логика поиска изображения та же — найти два луча, идущих от источника, пересечение которых (или их продолжений) и даст искомое изображение. На самом деле, для сферического тела есть три достаточно простых луча, преломление которых можно легко предсказать (рис. 4). Пусть — точечный источник света.
Рис. 4. Сферическое зеркало
Для начала введём характерную линию и точки сферического зеркала. Точка 4 называется оптическим центром сферического зеркала. Эта точка является геометрическим центром системы. Линия 5 — главная оптическая ось сферического зеркала — линия, проходящая через оптический центр сферического зеркала и перпендикулярно касательной к зеркалу в этой точке. Точка F — фокус сферического зеркала, обладающая особыми свойствами (об этом позже).
Тогда существует три хода лучей, достаточно простых для рассмотрения:
- синий. Луч, проходящий через фокус, отражаясь от зеркала, проходит параллельно главной оптической оси (свойство фокуса),
- зелёный. Луч, падающий на главный оптический центр сферического зеркала, отражается под тем же углом (законы отражения),
- красный. Луч, идущий параллельно главной оптической оси, после преломления проходит через фокус (свойство фокуса).
Выбираем любые два луча и их пересечение даёт изображение нашего предмета ().
Фокус — условная точка на главной оптической оси, в которую сходятся лучи, отражённые от сферического зеркала шедшие параллельно главной оптический оси.
Для сферического зеркала фокусное расстояние (расстояние от оптического центра зеркала до фокуса) чисто геометрическое понятие, и данный параметр может быть найден через соотношение:
- где
- — фокусное расстояние,
- — радиус кривизны зеркала.
Вывод: для зеркал используются самые общие законы отражения. Для плоского зеркала существует упрощение для построения изображений (рис. 1.2). Для сферических зеркал существуют три хода луча, два любых из которых дают изображение (рис. 4).
Плоское зеркало
Плоское зеркало — это незаменимый предмет домашнего и рабочего обихода. Но такие зеркала также являются очень важными оптическими деталями, которые применяются в конструкциях фото- и киноаппаратов, телескопов, лазеров и других оптических приборах. Рассмотрим физические характеристики этого вида зеркал.
Что такое зеркало с точки зрения физики
Оптическим зеркалом называется тело, обладающее полированной поверхностью правильной формы, способной отражать световые лучи с соблюдением равенства углов падения и отражения, и образующее оптические изображения предметов (в том числе источников света).
Рис. 1. Примеры различных зеркал.
Различают зеркала трех видов — плоские, выпуклые и вогнутые. Качество зеркала тем выше, чем ближе его форма и гладкость поверхности к идеальной. Микронеровности (шероховатости) отражающих поверхностей должны быть малы по сравнению с длиной падающей световой волны.
Основным свойством плоских зеркал является их способность отражать свет без каких-либо искажений и воспроизводить натуральные изображения, и размеры предметов.
История изготовления зеркал насчитывает много веков. Изначально их делали из металлов: серебра, меди, бронзы. Позднее, в XIII веке, появилась технология стеклянных зеркал, которые стали покрывать тонким слоем олова. В настоящее время эта технология усовершенствована с помощью использования высококачественных видов стекла и напыления (нанесения) разных отражающих металлов (серебра, алюминия и др.).
Как возникает изображение в плоском зеркале
Оптическое изображение — это визуализация (картинка), которая получается после прохождения световых лучей через оптическую систему от объекта.
Рис. 2. Мнимое изображение от точечного источника в плоском зеркале.Представим себе точечный источник света S (свечу или маленькую светодиодную лампочку), стоящий перед зеркалом. Рассмотрим три луча, падающих на зеркало: SA, SB, и SC. С помощью закона отражения света можно построить отраженные лучи AA1, BB1 и СС1. Эти лучи будут расходящимися. Если продолжить эти лучи в противоположном направлении, то они пересекутся в одной точке S1, расположенной за зеркалом. Как будто эти лучи вышли из точки S1, хотя, на самом деле, источника света в этой точке нет. В связи с этим точка S1 называется мнимым (кажущимся) изображением точки S.
Действительное изображение получается, когда после всех преломлений и отражений световые лучи, вышедшие из одной точки объекта, собираются в одну точку. Действительное изображение создают оптические приборы (фотоаппараты, кинопроекторы), в которых применяются собирающие линзы.
Наряду с плоским зеркалом мнимое изображение получается с помощью биноклей и микроскопов.
Какой размер у изображения в плоском зеркале?
Ответ на этот вопрос дает простой эксперимент. Если взять кусок плоского, гладкого стекла, и установить его вертикально, то получится зеркало, через которое можно будет наблюдать предметы за ним, так как часть света будет проходить сквозь стекло, а часть отражаться.
Рис. 3. Размер мнимого изображения в плоском зеркале.Перед стеклом ставится зажженная свеча. В стекле появляется ее изображение. За стеклом, где мы наблюдаем изображение, ставится еще одна, точно такая же, но незажженная свеча. Если эту свечу поместить в точку, где находится изображение, то она окажется как будто зажженной. Следовательно, реальная, потушенная свеча попала точно на место мнимого изображения.
Измерив два расстояния до стекла — от свечи и от ее изображения, мы убедимся, что они равны. Поскольку размеры свеч равны друг другу, то это означает, что размер изображения в плоском зеркале равен размеру исходного предмета.
Следовательно, при отражении не происходит ни уменьшения, ни увеличения плоским зеркалом размеров объектов.
Посмотрите на себя в обычное, домашнее зеркало. Помахав себе правой рукой, вы увидите, что ваше отражение машет левой рукой. Мало того — ваше правое ухо в зеркале стало “левым” и т.д. При этом в вертикальном направлении отражение все оставило на своих местах. Таким образом, в зеркале мы видим не точную копию предмета, а его зеркально-симметричное отражение.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что зеркала бывают плоскими, выпуклыми и вогнутыми. Плоское зеркало отражает падающий свет практически без искажений и формирует изображения предметов, не отличающиеся от исходных. Мнимое изображение в зеркале располагается симметрично относительно зеркальной поверхности.
Из чего состоит плоское зеркало
Простейшим оптическим устройством, способным создавать изображение предмета, является плоское зеркало . Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение является мнимым, так как оно образуется пересечением не самих отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье» (рис 3.2.1).
Вследствие закона отражения света мнимое изображение предмета располагается симметрично относительно зеркальной поверхности. Размер изображения равен размеру самого предмета.
Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала . Вершину сферического сегмента называют полюсом . Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.
Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми . Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом зеркала. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой . У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала (рис 3.2.2).
Следует иметь в виду, что отраженные лучи пересекаются приблизительно в одной точке только в том случае, если падающий параллельный пучок был достаточно узким (так называемый параксиальный пучок ).
Главный фокус выпуклого зеркала является мнимым. Если на выпуклое зеркало падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после отражения в фокусе пересекутся не сами лучи, а их продолжения (рис 3.2.3).
Фокусным расстояниям сферических зеркал приписывается определенный знак: для вогнутого зеркала для выпуклого где – радиус кривизны зеркала.
Изображение какой-либо точки предмета в сферическом зеркале можно построить с помощью любой пары стандартных лучей:
- луч , проходящий через оптический центр зеркала; отраженный луч идет по той же прямой;
- луч , идущий через фокус зеркала; отраженный луч идет параллельно главной оптической оси;
- луч , падающий на зеркало в его полюсе; отраженный луч симметричен с падающим относительно главной оптической оси.
- луч , параллельный главной оптической оси; отраженный луч проходит через фокус зеркала.
На рис 3.2.4 перечисленные выше стандартные лучи изображены для случая вогнутого зеркала. Все эти лучи проходят через точку , которая является изображением точки . Все остальные отраженные лучи также проходят через точку . Ход лучей, при котором все лучи, вышедшие из одной точки, собираются в другой точке, называется стигматическим . Отрезок является изображением предмета . Аналогичны построения для случая выпуклого зеркала.
Положение изображения и его размер можно также определить с помощью формулы сферического зеркала :
- и – для действительных предметов и изображений;
- и – для мнимых предметов и изображений.
Для случая, изображенного на рис 3.2.4, имеем:
(зеркало вогнутое); (действительный предмет).
По формуле сферического зеркала получаем: следовательно, изображение действительное.
Если бы на месте вогнутого зеркала стояло выпуклое зеркало с тем же по модулю фокусным расстоянием, мы получили бы следующий результат:
Линейное увеличение сферического зеркала Γ определяется как отношение линейных размеров изображения ‘ и предмета .
Величине ‘ удобно приписывать определенный знак в зависимости от того, является изображение прямым () или перевернутым (). Величина всегда считается положительной. При таком определении линейное увеличение сферического зеркала выражается формулой, которую можно легко получить из рис 3.2.4:
В первом из рассмотренных выше примеров – следовательно, изображение перевернутое, уменьшенное в 2 раза. Во втором примере – изображение прямое, уменьшенное в 4 раза.