Почему свет отражается?

Отражение происходит, когда свет, проходя через один материал, "отскакивает" от другого материала. Отраженный свет по-прежнему движется по прямой линии, но в другом направлении и под тем же углом, что и при попадании на новую поверхность (см. ниже). Угол падения (угол между входящим светом и линией, перпендикулярной поверхности, называемой нормалью) равен углу отражения (угол между отраженным светом и нормалью). Символ Ɵ означает "угол", а стрелка представляет лучи света.

Явление, при котором весь свет отражается в одном направлении, называется зеркальным отражением. На гладкой, плоской поверхности нормаль всегда направлена в одну сторону, поэтому весь свет отражается под одним и тем же углом. Поэтому отраженное изображение идентично исходному изображению (A). На рисунке B показан свет, отраженный от неровной поверхности. Это называется диффузным отражением. Нормаль направлена во все стороны в зависимости от того, где она находится, поэтому свет отражается под разными углами.

Стрелки показывают, в каких направлениях будут появляться отраженные изображения. Представим себе фары автомобиля, освещающие дорогу ночью. Когда дорога сухая, свет отражается диффузно (A), так как асфальт не гладкий. Если прошел дождь, вода делает поверхность дороги более гладкой, и в свете фар (B) отражается больше света. Водитель может быть ослеплен светом, отраженным от поверхности, которая действует как зеркало.

Преломление

Когда свет, проходящий через одну среду, достигает второй среды, часть света отражается, а часть попадает во вторую среду. В точке, где свет попадает во вторую среду, свет будет изгибаться и двигаться в другом направлении, чем падающий свет.

Это явление называется преломлением. Преломление происходит потому, что скорость света меняется в зависимости от среды (но она всегда ниже, чем в вакууме).

Представьте, что тележку с продуктами толкают по асфальту на траву, как показано на рисунке ниже. Телегу труднее толкать по траве, поэтому правое колесо притормаживает. Левое колесо, все еще на асфальте, катится с начальной скоростью, что заставляет тележку изменить направление (в данном случае повернуть направо).

Показатель преломления

Одним из свойств материалов является их показатель преломления, обозначаемый буквой n. Она равна скорости света в вакууме, деленной на скорость света в материале. Чем выше показатель преломления, тем медленнее свет проходит через материал. Когда свет, проходящий через один материал, преломляется во втором материале, он будет отклоняться в сторону нормали, если показатель преломления второго материала, n2, выше, чем у первого материала, n1 (свет медленнее проходит через второй материал) (n1 < n2) (A). Если показатель преломления второго материала ниже, свет будет отклоняться от нормали (свет распространяется быстрее во втором материале (n1 > n2) (B). В отличие от отражения, угол падения не равен углу преломления.

Эти два угла математически связаны с показателем преломления каждого материала законом преломления, который также называется законом Снеллиуса.

Сходящийся и расходящийся свет

Когда свет проходит через линзу (оптическое устройство из пластика или стекла), можно предсказать, как он будет преломляться в зависимости от формы поверхностей. Они могут быть выпуклыми (изогнутыми наружу) или вогнутыми (изогнутыми внутрь). Когда параллельные лучи света падают на выпуклую (биконвексную) линзу с обеих сторон, они преломляются внутрь и, как говорят, сходятся (A).

Световые лучи пересекаются в точке, называемой фокусом, которая находится за линзой (справа от нее). Когда лучи падают на вогнутую линзу с обеих сторон (биконическую), лучи преломляются наружу и, как говорят, расходятся (B). В этом случае фокус находится перед объективом (слева от него).

Прохождение света через призму

Свет, проходящий через пластиковую или стеклянную призму (обычно треугольную), преломляется один раз при входе и второй раз при выходе. Когда белый свет попадает в призму, он преломляется во все составляющие его цвета. Если спроецировать этот свет на белую поверхность, вы увидите то, что похоже на радугу. Все цвета, составляющие белый свет, разделены под разными углами, потому что каждый цвет преломляется в призме под разным углом.