Większość obiektów nas otaczających: budynki, drzewa, koledzy z klasy itd., - nie są źródłami światła. Jednak widzimy je. Odpowiedź na pytanie „Dlaczego tak jest?" znajdziesz w tym paragrafie.
Wyjaśniamy dlaczego widzimy ciała, które nie są źródłami światła
Już wiesz, że w ośrodku optycznie jednorodnym światło rozchodzi się prostoliniowo. Co będzie, jeżeli na drodze wiązki światła znajdzie się dowolne ciało? Część światła przejdzie przez ciało, jeżeli jest ono przezroczyste, część będzie pochłaniana przez ciało, a część koniecznie odbije się od niego. Niektóre odbite promienie trafiają do naszych oczu i my widzimy dane ciało (rys. 11.1).
Ustalamy prawa odbicia światła
Prawa odbicia światła ustalamy za pomocą specjalnego przyrządu zwanego półkrążkiem optycznym*. W środku półkrążka umocujemy zwierciadło i skierujemy na niego wąską wiązkę światła tak, aby na powierzchni półkrążka tworzyła ona jasne pasmo. Widzimy, że wiązka światła, odbita od zwierciadła, również tworzy jasne pasmo na po-wierzni półkrążka (patrz rys. 11.2).
Kierunek wiązki padającego światła określamy promieniem CO (rys. 11.2). Promień nazywamy padającym. Kierunek wiązki odbitego światła wskazujemy promieniem OK. Promień nazywamy odbitym.
Z punktu O padania promienia przeprowadzamy prostą prostopadłą, czyli tzw. normalną OB do powierzchni zwierciadła. Zwróć uwagę na to, że promienie padający i odbity oraz prosta prostopadła leżą w jednej płaszczyźnie, - w płaszczyźnie powierzchni półkrążka.
Kąt a padania - kąt zawarty pomiędzy promieniem padającym a normalną poprowadzoną w punkcie padania; kąt β odbicia - kąt pomiędzy promieniem odbitym a normalną poprowadzoną w punkcie odbicia.
Mierząc kąty a i β, przekonasz się, że kąt odbicia jest zawsze równy kątowi padania.
* Półkrążek optyczny - jest to tarcza biała, na której oznaczono podziałki, na brzegu tarczy ustawiono laser.
Jeżeli będziemy przesuwać źródło światła brzegiem półkrążka, to kąt padania wiązki światła będzie zmieniać się, odpowiednio będzie zmieniać się kąt odbicia, przy czym kąt padania i kąt odbicia będą równe (rys. 11.3). Więc, ustaliliśmy prawa odbicia światła:
1. Promień padający, promień odbity oraz prostopadła do powierzchni odbijającej poprowadzona w punkcie padania światła leżą w jednej płaszczyźnie.
2. Kąt odbicia jest równy kątowi padania: β = α.
Prawa odbicia światła ustalił starożytny grecki uczony Euklides jeszcze w III w. p.n.e.
W jakim kierunku ma obrócić zwierciadło profesor, aby „zajączek słoneczny” trafił na chłopczyka (rys. 11.4)?
Za pomocą zwierciadła na półkrążku optycznym można ilustrować odwrotność promieni
świetlnych: jeżeli promień padający biegnie wzdłuż drogi promienia odbitego, to promień odbity przejdzie tę sarną drogę promienia padającego (rys. 11.5).
Badamy obrazy w zwierciadle płaskim
Rozpatrzymy jak tworzy się obraz w zwierciadle płaskim (rys. 11.6). Z punktowego źródła światła S na powierzchnię zwierciadła płaskiego pada rozbieżna wiązka światła. Wyodrębnimy z
niej promieni SA, SB i SC. Stosując prawa odbicia światła, narysujemy promienie odbite AAlt BB1 i CC1 (rys. 11,7, a). Promienie będą wiązką rozbieżną. Jeżeli przedłużymy je w kierunku przeciwnym (za zwierciadło), wszystkie one przetną się w jednym punkcie - Sh znajdującym się za zwierciadłem.
Jeżeli część odbitych od zwierciadła promieni trafi w twoje oko, będzie tobie wydawać się, że promienie odbite wychodzą z punktu S1; chociaż w rzeczywistości żadnego źródła światła w punkcie S1 nie ma. Dlatego punkt Sj nazywamy pozornym obrazem punktu S. Płaskie zwierciadło zawsze daje obraz pozorny.
Wyjaśnijmy, jak są rozmieszczone przedmiot i jego obraz względem zwierciadła. W tym celu, sięgniemy do geometrii. Rozpatrzymy, na przykład promień SC, padający na zwierciadło i odbijający się od niego (rys. 11.7, b).
Rysunek pokazuje, że ASOC =AS1OC - są to trójkąty prostokątne, które mają wspólny bok CO i równe ostre kąty (tak jak zgodnie z prawem odbicia światła α = β). Z równości trójkątów wynika, że S0 = S10, czyli punkt S i jego obraz jest symetryczny względem powierzchni zwierciadła płaskiego.
Podobnie możemy powiedzieć o obrazie przedmiotu rozciągłego: przedmiot i jego obraz są symetryczne wzgłędem powierzchni zwierciadła płaskiego.
Ustaliliśmy zatem ogólne cechy obrazów w zwierciadłach płaskich.
1. Obrazy powstałe przy użyciu zwierciadeł płaskich są pozorne.
2. Obrazy przedmiotów w zwierciadle płaskim są symetryczne względem powierzchni odbijającej, co znaczy:
1) obrazy mają tę samą wielkość co przedmioty;
2) obraz przedmiotu w zwierciadle płaskim znajduje się na tej samej odległości od powierzchni zwierciadła, co i przedmiot;
3) prosta, łącząca punkt na przedmiocie z punktem na obrazie, jest prostopadła do powierzchni zwierciadła.
Lustrzane i rozproszone odbicia światła
Wieczorem, siedząc w pokoju, w którym pali się światło, możesz zobaczyć swój obraz w szybie okna. Jednak obraz zanika, jeżeli zasłonimy zasłony: patrząc się na tkaninę, swego obrazu nie zobaczysz.
Dlaczego nie możesz zobaczyć obrazu na tkaninie? Odpowiedź na pytanie dają przynajmniej dwa zjawiska fizyczne.
Pierwsze z nich - odbicie światła. Aby otrzymać obraz, światło powinno odbić się od powierzchni lustrzanej: po lustrzanym odbiciu światła, które idzie z punktowego źi'ódła światła S, przedłużenie promieni odbitych przetnie się w punkcie Si, które będzie obrazem punktu S (rys. 11.8, a). Takie odbicie jest możliwe tylko od bardzo gładkich powierzchni. Nazywamy je powierzchniami lustrzanymi. Oprócz zwykłego zwierciadła, takimi powierzchniami są szkło, meble polerowane, spokojna woda i in. (rys. 11.8, b, c).
Jeżeli światło odbija się od powierzchni nierównej, chropowatej, to takie odbicie nazywamy rozproszonym lub dyfuzyjnym (rys. 11.9). W tym przypadku promienie odbite rozchodzą się w różnych kierunkach (dlatego widzimy oświetlony przedmiot z dowolnej strony). Powierzchni rozpraszających światło jest o wiele więcej, niżeli lustrzanych.
Rozejrzyj się dookoła i wymień przynajmniej dziesięć powierzchni, które odbijają światło w sposób rozproszony.
Drugie zjawisko, które pomaga zobaczyć obraz, jest to zjawisko pochłaniania światła. Przecież światło nie tylko odbija się od ciał fizycznych, a także jest przez nie pochłaniane. Najlepsze odbijające ciała - zwierciadła: mogą odbijać około 95 % padającego światła. Dobrze odbijają światło ciała o białej barwie; czarna powierzchnia pochłania prawie całe padające na nią światło.
Gdy jesienią pada śnieg, noce stają się o wiele jaśniejsze. Dlaczego?
Uczymy się rozwiązywać zadania Zadanie. Na rys. 1 jest podany schemat przedmiotu BC i zwierciadła MN. Odszukaj sposobem graficznym obraz przedmiotu BC.
Analiza problemu fizycznego. W celu zobaczenia obrazu pewnego punktu w zwierciadle, potrzeba aby w oku obserwatora odbiła się chociażby część promieni, padających z danego punktu na zwierciadło. Jeżeli w oku odbiją się promienie, które wychodzą z krańcowych punktów przedmiotu, to w oku odbiją się również i promienie, wychodzące ze wszystkich punktów przedmiotu.
Rozwiązanie i analiza wyników
1. Otrzymamy konstrukcję punktu By, który jest obrazem punktu B w zwierciadle płaskim (rys. 2, a). Obszar ograniczony powierzchną zwierciadła i promieniami, odbitymi od krańcowych punktów zwierciadła będzie tym obszarem, z którego widać obraz punktu Bx punktu B w zwierciadle.
2. Analogicznie otrzymujemy obraz punktu Cy punktu C, określamy obszar jego widzenia w zwierciadle (rys. 2, b).
3. Zobaczyć przedmiot w całości obserwator będzie mógł tylko wtedy, gdy w jego oko będą trafiały promienie obu obrazów — B} i Cx (rys. 2, c). Więc, pomarańczowy obszar jest to obszar, z którego przedmiot widzimy w całości.
Zinterpretuj otrzymany wynik, ponownie zwracając się do rys. 2 zadania i zaproponuj łatwiejszy sposób znalezienia obszaru widzenia przedmiotu w zwierciadle płaskim. Sprawdź swoje przypuszczenia, konstruując obszar widzenia przedmiotów na dwa sposoby.
Podsumowanie
Wszystkie ciała, które widzimy, odbijają światło. Podczas odbicia światła sprawdzają się dwa prawa odbicia światła: 1) promienie: padający i odbity oraz prosta prostopadła leżą w jednej płaszczyźnie; 2) kąt odbicia jest zawsze równy kątowi padania.
Obrazy otrzymane przy użyciu zwierciadeł płaskich są pozorne, mają tę samą wielkość co przedmioty, są symetryczne względem powierzchni odbijającej i nie są odwrócone.
Rozróżniamy lustrzane i rozproszone odbicia światła. W przypadku lustrzanego odbicia widzimy pozorny obraz przedmiotu w powierzchni odbijającej; w przypadku rozproszonego odbicia obraz nie istnieje.
Pytania kontrolne
1. Dlaczego widzimy świat nas otaczający? 2. Jaki kąt nazywamy kątem padania? kątem odbicia? 3. Sformułuj prawa odbicia światła. 4. Za pomocą jakiego przyrządu można sprawdzać prawa odbicia światła? 5. Na czym polega właściwość odwracalności promieni świetlnych? 6. Jaki obraz nazywamy pozornym? 7. Opisz obraz w zwierciadle płaskim. * 8. Czym różnią się odbicia lustrzane i rozproszone?
Ćwiczenie nr 11
1. Dziewczynka znajduje się na odległości 1,5 m od zwierciadła płaskiego. Na jakiej odległości będzie znajdował się jej obraz? Opisz ten obraz.
2. Kierowca samochodu, patrząc do lusterka, zobaczył w nim pasażera, siedzącego z tyłu za nim. Czy może pasażer w tym samym momencie zobaczyć kierowcę?
3. Narysuj rys. 1 w zeszycie. Dla każdego przypadku narysuj promień padający (lub odbity). Oznacz kąty padania i odbicia.
4. Kąt pomiędzy promieniami padającym i odbitym wynosi 80°. Ile wynosi kąt padania promienia?
Przedmiot znajduje się w odległości 30 cm od zwierciadła płaskiego. Następnie jest przesuwany na odległość 10 cm od zwierciadła w kierunku, prostopadłym do powierzchni zwierciadła, i o 15 cm — równolegle do niej. Określ odległość pomiędzy przedmiotem a jego obrazem przed i po przesunięciu przedmiotu. 6. Idziesz w kierunku powierzchni lustrzanej z prędkością 4 km/h. Z jaką prędkością zbliża się do ciebie twój obraz? O ile skraca się odległość pomiędzy tobą a obrazem, gdy przejdziesz 2 m?
7. Promień słoneczny odbija się od powierzchni jeziora. Kąt pomiędzy promieniem i równikiem jest dwukrotnie większy, niżeli kąt pomiędzy promieniami padającym i odbitym. Ile wynosi kąt padania promienia?
8. Dziewczynka patrzy do lustra, które wisi na ścianie pod niewielkim kątem (rys. 2).
1) Zrób konstrukcję dziewczynki w lustrze.
2) Określ, jaką część swego ciała widzi dziewczynka; obszar z którego dziewczynka jest widoczna w całości.
3) Co będziesz obserwować, gdy lustro będzie stopniowo zakrywane nieprzezroczystym ekranem?
9. Kierowca w nocy w światłach samochodu widzi kałużę na asfalcie w postaci ciemnej plamy na jasnym tle jezdni. Dlaczego?
10. Na rys. 3 pokazano bieg promieni w peryskopie — przyrządzie, podstawą działania którego jest prostoliniowe rozchodzenie się światła. Wyjaśnij, jak pracuje ten przyrząd. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedź się o jego zastosowaniu.
PRACA LABORATORYJNA NR 3
Temat. Badanie odbicia światła za pomocą zwierciadła płaskiego.
Cel: doświadczalnie sprawdzić prawa odbicia światła. Przyrządy: linijka, kątomierz, ołówek, źródło światła
(świeca lub żarówka elektryczna), zwierciadło płaskie, ekran ze szczeliną, kilka kartek białego papieru.
WYKONANIE PRACY
Przygotowanie się do doświadczenia
1. Przed rozpoczęciem pracy, przypomnij sobie: 1) zasady bezpieczeństwa podczas pracy ze szklanymi przedmiotami; 2) prawa odbicia światła.
2. Zmontuj urządzenie doświadczalne (rys. 1). W tym celu:
1) ustaw ekran ze szczeliną na białej kartce;
2) przesuwając źródło światła, uzyskaj na papierze pasmo światła;
3) ustaw zwierciadło płaskie pod pewnym kątem do pasma i prostopadle do papieru; przekonaj się, że odbita wiązka światła tworzy na papierze widoczne pasmo.
Doświadczenie
Przestrzegaj zasad bezpieczeństwa.
1. Wzdłuż zwierciadła narysuj ostrym ołówkiem na papierze linię.
2. Narysuj trzy punkty: pierwszy - po środku wiązki światła padającego, drugi — po środku odbitej wiązki światła, trzeci — w miejscu padania wiązki świetlnej na zwierciadło (rys. 2).
3. Powtórz działania trzykrotnie (na różnych kartkach), ustawiając zwierciadło pod różnymi kątami do padającej wiązki światła.
4. Zmieniając kąt pomiędzy zwierciadłem a papierem, przekonaj się, że w tym przypadku nie zobaczysz odbitej wiązki światła.
Opracowanie wyników doświadczenia
Dla każdego doświadczenia:
1) narysuj promień, padający na zwierciadło i promień odbity;
2) w punkcie padania promienia narysuj prostopadłą do powierzchni zwierciadła;
3) oznacz i zmierz kąt padania (a) i kąt odbicia (β) światła. Wyniki pomiarów zanotuj do tabeli.
Analiza doświadczenia i jego wyników
Analizując doświadczenie i jego wyniki wyciągnij wniosek, w którym zaznacz:
1) otrzymany stosunek pomiędzy kątem padania promienia świetlnego i kątem jego odbicia; 2) czy otrzymane wyniki doświadczeń okazały się dość dokładnymi, jeżeli nie, to wskaż, co miało wpływ na dokładność wyników.
Zadanie twórcze
Stosując rysunek wymyśl i zapisz plan przeprowadzenia doświadczenia określenia wysokości pokoju za pomocą zwierciadła płaskiego; podaj niezbędne przyrządy. W razie możliwości przeprowadź doświadczenie.
Zadanie „z gwiazdką"
Dla każdego doświadczenia oblicz względną niepewność pomiaru według wzoru:
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar