Muito provavelmente, hoje não existe uma única casa onde não haja espelho. Tornou-se tão firmemente estabelecido em nossas vidas que é difícil para uma pessoa viver sem ele. O que é esse objeto, como a imagem o reflete? E se você colocar dois espelhos um em frente ao outro? Este objeto incrível tornou-se central em muitos contos de fadas. Há um número suficiente de sinais sobre ele. O que a ciência diz sobre o espelho?

Um pouco de história

A maioria dos espelhos modernos são de vidro revestido. Como revestimento, uma fina camada de metal é aplicada na parte traseira do vidro. Há literalmente mil anos, os espelhos eram discos de cobre ou bronze cuidadosamente polidos. Mas nem todos podiam comprar um espelho. Custou muito dinheiro. Portanto, os pobres foram forçados a olhar para seus próprios espelhos, que mostram uma pessoa em pleno crescimento - esta é geralmente uma invenção relativamente jovem. Ele tem aproximadamente 400 anos.

O espelho surpreendeu ainda mais as pessoas quando puderam ver o reflexo do espelho no espelho - geralmente lhes parecia algo mágico. Afinal, uma imagem não é a verdade, mas uma espécie de reflexo dela, uma espécie de ilusão. Acontece que podemos ver a verdade e a ilusão ao mesmo tempo. Não é de surpreender que as pessoas atribuíssem muitas propriedades mágicas a esse objeto e até tivessem medo dele.

Os primeiros espelhos foram feitos de platina (surpreendentemente, esse metal já não teve nenhum valor), ouro ou estanho. Os cientistas descobriram espelhos feitos na Idade do Bronze. Mas o espelho que podemos ver hoje começou a sua história depois que a tecnologia de sopro de vidro foi dominada na Europa.

Visão científica

Do ponto de vista da ciência da física, o reflexo de um espelho em um espelho é o efeito multiplicado do mesmo reflexo. Quanto mais espelhos forem instalados frente a frente, maior será a ilusão de serem preenchidos com a mesma imagem. Este efeito é frequentemente usado em atrações para entretenimento. Por exemplo, no parque Disney existe o chamado corredor sem fim. Lá, dois espelhos foram instalados frente a frente, e esse efeito se repetiu diversas vezes.

O reflexo resultante de um espelho em um espelho, multiplicado por um número relativamente infinito de vezes, tornou-se uma das atrações mais populares. Essas atrações fazem parte da indústria do entretenimento há muito tempo. No início do século 20, uma atração chamada “Palácio das Ilusões” apareceu em uma exposição internacional em Paris. Ele era extremamente popular. O princípio de sua criação é o reflexo de espelhos em espelhos instalados enfileirados, do tamanho de um ser humano completo, em um enorme pavilhão. As pessoas tinham a impressão de que estavam no meio de uma multidão.

Lei da Reflexão

O princípio de funcionamento de qualquer espelho é baseado na lei de propagação e reflexão no espaço. Esta lei é a principal da óptica: será igual (igual) ao ângulo de reflexão. É como uma bola caindo. Se você jogá-lo verticalmente em direção ao chão, ele também saltará verticalmente para cima. Se você jogá-lo em um ângulo, ele retornará em um ângulo igual ao ângulo do impacto. Os raios de luz são refletidos em uma superfície de maneira semelhante. Além disso, quanto mais lisa e lisa for essa superfície, mais idealmente essa lei funciona. A reflexão em um espelho plano funciona de acordo com esta lei, e quanto mais ideal for sua superfície, melhor será a reflexão.

Mas se estivermos lidando com superfícies foscas ou ásperas, os raios serão espalhados de forma caótica.

Os espelhos podem refletir a luz. O que vemos, todos os objetos refletidos, é graças a raios semelhantes aos do sol. Se não houver luz, nada será visível no espelho. Quando os raios de luz incidem sobre um objeto ou qualquer criatura viva, eles são refletidos e carregam consigo informações sobre o objeto. Assim, o reflexo de uma pessoa no espelho é uma ideia de um objeto formado na retina do seu olho e transmitido ao cérebro com todas as suas características (cor, tamanho, distância, etc.).

Tipos de superfícies espelhadas

Os espelhos podem ser planos ou esféricos, que, por sua vez, podem ser côncavos ou convexos. Hoje já existem espelhos inteligentes: uma espécie de suporte de mídia pensado para demonstrar ao público-alvo. O princípio de seu funcionamento é o seguinte: quando uma pessoa se aproxima, o espelho parece ganhar vida e começa a exibir um vídeo. Além disso, este vídeo não foi escolhido por acaso. Um sistema está embutido no espelho que reconhece e processa a imagem resultante de uma pessoa. Ela determina rapidamente seu sexo, idade e humor emocional. Assim, o sistema no espelho seleciona um vídeo de demonstração que pode interessar potencialmente a uma pessoa. Isso funciona 85 vezes em 100! Mas os cientistas não param por aí e querem atingir 98% de precisão.

Superfícies espelhadas esféricas

Qual é a base do trabalho de um espelho esférico, ou, como também é chamado, de um espelho curvo - um espelho com superfícies convexas e côncavas? Esses espelhos diferem dos comuns porque dobram a imagem. Superfícies espelhadas convexas permitem ver mais objetos do que planos. Mas, ao mesmo tempo, todos esses objetos parecem menores. Esses espelhos são instalados em carros. Então o motorista tem a oportunidade de ver a imagem tanto à esquerda quanto à direita.

Um espelho curvo côncavo focaliza a imagem resultante. Neste caso, você pode ver o objeto refletido com o máximo de detalhes possível. Um exemplo simples: esses espelhos são frequentemente usados ​​para barbear e na medicina. A imagem de um objeto em tais espelhos é montada a partir de imagens de muitos pontos diferentes e individuais desse objeto. Para construir a imagem de um objeto em um espelho côncavo, bastará construir uma imagem de seus dois pontos extremos. As imagens dos pontos restantes ficarão localizadas entre eles.

Translucidez

Existe outro tipo de espelho que possui superfícies translúcidas. Eles são projetados de forma que um lado seja como um espelho comum e o outro seja meio transparente. Deste lado transparente você pode ver a vista atrás do espelho, mas do lado normal você não pode ver nada além do reflexo. Esses espelhos podem muitas vezes ser vistos em filmes policiais, quando a polícia conduz uma investigação e interroga um suspeito e, por outro lado, está a vigiá-lo ou a trazer testemunhas para identificação, mas de forma que não sejam visíveis.

O Mito do Infinito

Há uma crença de que, ao criar um corredor espelhado, você pode atingir o infinito do feixe de luz nos espelhos. Pessoas supersticiosas que acreditam na leitura da sorte costumam usar esse ritual. Mas a ciência já provou há muito tempo que isso é impossível. É interessante que o espelho nunca esteja 100% completo. Isso requer uma superfície ideal e 100% lisa. E pode ser aproximadamente 98-99%. Sempre há alguns erros. Portanto, as meninas que adivinham a sorte nesses corredores espelhados à luz de velas correm o risco, no máximo, de simplesmente entrar em um determinado estado psicológico que pode afetá-las negativamente.

Se você colocar dois espelhos frente a frente e acender uma vela entre eles, verá muitas luzes alinhadas em uma fileira. Question: quantas luzes você consegue contar? À primeira vista, este é um número infinito. Afinal, parece não haver fim para esta série. Mas se realizarmos certos cálculos matemáticos, veremos que mesmo com espelhos com 99% de reflexão, após aproximadamente 70 ciclos a luz ficará com metade da intensidade. Após 140 reflexões, ele enfraquecerá por outro fator de dois. Cada vez que os raios de luz diminuem e mudam de cor. Assim, chegará um momento em que a luz se apagará completamente.

Então o infinito ainda é possível?

A reflexão infinita de um feixe de um espelho só é possível com espelhos absolutamente ideais colocados estritamente paralelos. Mas será possível alcançar tal caráter absoluto quando nada no mundo material é absoluto e ideal? Se isso for possível, é apenas do ponto de vista da consciência religiosa, onde a perfeição absoluta é Deus, o Criador de tudo onipresente.

Devido à falta de uma superfície ideal dos espelhos e de seu paralelismo ideal entre si, vários reflexos sofrerão curvaturas e a imagem desaparecerá, como se estivesse virando uma esquina. Se também levarmos em conta o fato de que uma pessoa que olha quando há dois espelhos, e também há uma vela entre eles, também não ficará estritamente paralela, então a fileira visível de velas desaparecerá completamente atrás da moldura do espelho. rapidamente.

Reflexão múltipla

Na escola, os alunos aprendem a construir imagens de um objeto usando a lei da reflexão da luz em um espelho, um objeto e sua imagem espelhada são simétricos. Ao estudar a construção de imagens por meio de um sistema de dois ou mais espelhos, os alunos obtêm como resultado o efeito de reflexão múltipla.

Se você adicionar um segundo localizado perpendicularmente ao primeiro a um único espelho plano, não aparecerão dois reflexos no espelho, mas três (geralmente são designados S1, S2 e S3). A regra funciona: a imagem que aparece em um espelho é refletida no segundo, depois a primeira é refletida no outro e novamente. A nova, S2, será refletida na primeira, criando uma terceira imagem. Todos os reflexos corresponderão.

Simetria

Surge a pergunta: por que os reflexos no espelho são simétricos? A resposta é dada pela ciência geométrica e em estreita ligação com a psicologia. O que é superior e inferior para nós troca de lugar para o espelho. O espelho parece virar do avesso o que está à sua frente. Mas é surpreendente que no final o chão, as paredes, o teto e tudo o mais pareçam refletidos da mesma forma que na realidade.

Como uma pessoa percebe o reflexo no espelho?

O homem vê graças à luz. Seus quanta (fótons) têm as propriedades de uma onda e de uma partícula. Com base na teoria das fontes de luz primária e secundária, os fótons de um feixe de luz que incide sobre um objeto opaco são absorvidos pelos átomos de sua superfície. Os átomos excitados devolvem imediatamente a energia que absorveram. Os fótons secundários são emitidos uniformemente em todas as direções. Superfícies ásperas e foscas proporcionam reflexo difuso.

Se esta for a superfície de um espelho (ou algo semelhante), então as partículas que emitem luz são ordenadas e a luz exibe características de onda. As ondas secundárias são compensadas em todas as direções, além de estarem sujeitas à lei de que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Os fótons parecem refletir elasticamente no espelho. Suas trajetórias partem de objetos que parecem estar localizados atrás dele. Isso é o que o olho humano vê quando se olha no espelho. O mundo atrás do espelho é diferente do real. Para ler o texto ali, você precisa começar da direita para a esquerda e os ponteiros do relógio vão na direção oposta. O duplo no espelho levanta a mão esquerda quando a pessoa que está diante do espelho levanta a direita.

Os reflexos no espelho serão diferentes para as pessoas que olham para ele ao mesmo tempo, mas localizados em distâncias e posições diferentes.

Antigamente, os melhores espelhos eram aqueles feitos de prata cuidadosamente polida. Hoje, uma camada de metal é aplicada na parte traseira do vidro. Está protegido contra danos por várias camadas de tinta. Em vez de prata, para economizar dinheiro, muitas vezes é aplicada uma camada de alumínio (o coeficiente de reflexão é de aproximadamente 90%). O olho humano praticamente não percebe a diferença entre o revestimento prateado e o alumínio.

Na interface entre dois meios diferentes, se este interface excede significativamente o comprimento de onda, ocorre uma mudança na direção de propagação da luz: parte da energia luminosa retorna ao primeiro meio, ou seja refletido, e parte penetra no segundo ambiente e ao mesmo tempo refratado. O feixe AO é chamado raio incidente, e raio OD – feixe refletido(ver Fig. 1.3). A posição relativa desses raios é determinada leis de reflexão e refração da luz.

Arroz. 1.3. Reflexão e refração da luz.

O ângulo α entre o raio incidente e a perpendicular à interface, restaurada à superfície no ponto de incidência do raio, é denominado ângulo de incidência.

O ângulo γ entre o raio refletido e a mesma perpendicular é chamado ângulo de reflexão.

Cada meio, até certo ponto (isto é, à sua maneira), reflete e absorve a radiação luminosa. A quantidade que caracteriza a refletividade da superfície de uma substância é chamada coeficiente de reflexão. O coeficiente de reflexão mostra que parte da energia trazida pela radiação para a superfície de um corpo é a energia transportada desta superfície pela radiação refletida. Este coeficiente depende de muitos fatores, por exemplo, da composição da radiação e do ângulo de incidência. A luz é completamente refletida por uma fina película de prata ou mercúrio líquido depositada em uma folha de vidro.

Leis da reflexão da luz

As leis da reflexão da luz foram descobertas experimentalmente no século III aC pelo antigo cientista grego Euclides. Além disso, essas leis podem ser obtidas como consequência do princípio de Huygens, segundo o qual todo ponto do meio ao qual uma perturbação atingiu é uma fonte de ondas secundárias. A superfície da onda (frente de onda) no momento seguinte é uma superfície tangente a todas as ondas secundárias. Princípio de Huygensé puramente geométrico.

Uma onda plana incide sobre a superfície reflexiva lisa de um CM (Fig. 1.4), ou seja, uma onda cujas superfícies de onda são listras.

Arroz. 1.4. Construção de Huygens.

A 1 A e B 1 B são os raios da onda incidente, AC é a superfície da onda desta onda (ou a frente da onda).

Tchau frente de onda do ponto C se moverá no tempo t para o ponto B, do ponto A uma onda secundária se espalhará pelo hemisfério até uma distância AD=CB, já que AD=vt e CB=vt, onde v é a velocidade da onda propagação.

A superfície da onda refletida é uma linha reta BD, tangente aos hemisférios. Além disso, a superfície da onda se moverá paralelamente a si mesma na direção dos raios refletidos AA 2 e BB 2.

Os triângulos retângulos ΔACB e ΔADB têm uma hipotenusa comum AB e pernas iguais AD = CB. Portanto eles são iguais.

Os ângulos CAB = = α e DBA = = γ são iguais porque são ângulos com lados perpendiculares entre si. E da igualdade dos triângulos segue-se que α = γ.

Da construção de Huygens segue-se também que os raios incidentes e refletidos estão no mesmo plano com a perpendicular à superfície restaurada no ponto de incidência do raio.

As leis da reflexão são válidas quando os raios de luz viajam na direção oposta. Como consequência da reversibilidade da trajetória dos raios de luz, temos que um raio que se propaga ao longo da trajetória do refletido é refletido ao longo da trajetória do incidente.

A maioria dos corpos apenas reflete a radiação incidente sobre eles, sem ser uma fonte de luz. Objetos iluminados são visíveis de todos os lados, pois a luz é refletida de sua superfície em diferentes direções, espalhando-se. Este fenômeno é denominado reflexão difusa ou reflexão difusa. A reflexão difusa da luz (Fig. 1.5) ocorre em todas as superfícies ásperas. Para determinar o caminho do raio refletido de tal superfície, um plano tangente à superfície é traçado no ponto de incidência do raio, e os ângulos de incidência e reflexão são construídos em relação a este plano.

Arroz. 1.5. Reflexão difusa da luz.

Por exemplo, 85% da luz branca é refletida na superfície da neve, 75% no papel branco e 0,5% no veludo preto. A reflexão difusa da luz não causa sensações desagradáveis ​​​​ao olho humano, ao contrário da reflexão especular.

- é quando os raios de luz incidentes em uma superfície lisa em um determinado ângulo são refletidos predominantemente em uma direção (Fig. 1.6). A superfície reflexiva neste caso é chamada espelho(ou superfície do espelho). As superfícies espelhadas podem ser consideradas opticamente lisas se o tamanho das irregularidades e heterogeneidades nelas não exceder o comprimento de onda da luz (menos de 1 mícron). Para tais superfícies, a lei da reflexão da luz é satisfeita.

Arroz. 1.6. Reflexão especular da luz.

Espelho planoé um espelho cuja superfície refletora é um plano. Um espelho plano permite ver objetos à sua frente, e esses objetos parecem estar localizados atrás do plano do espelho. Na óptica geométrica, cada ponto da fonte de luz S é considerado o centro de um feixe de raios divergentes (Fig. 1.7). Tal feixe de raios é chamado homocêntrico. A imagem do ponto S em um dispositivo óptico é o centro S’ de um feixe de raios homocêntrico refletido e refratado em vários meios. Se a luz espalhada pelas superfícies de vários corpos incide sobre um espelho plano e, em seguida, refletida nele, atinge o olho do observador, então as imagens desses corpos são visíveis no espelho.

Arroz. 1.7. Uma imagem criada por um espelho plano.

A imagem S’ é chamada de real se os raios refletidos (refratados) do feixe se cruzam no ponto S’. A imagem S’ é chamada de imaginária se não são os próprios raios refletidos (refratados) que se cruzam, mas suas continuações. A energia luminosa não chega a este ponto. Na Fig. A Figura 1.7 mostra a imagem de um ponto luminoso S, que aparece por meio de um espelho plano.

O feixe SO incide sobre o espelho CM em um ângulo de 0°, portanto, o ângulo de reflexão é 0°, e este raio, após a reflexão, segue o caminho OS. De todo o conjunto de raios que caem do ponto S para um espelho plano, selecionamos o raio SO 1.

O feixe SO 1 incide no espelho em um ângulo α e é refletido em um ângulo γ (α = γ). Se continuarmos os raios refletidos atrás do espelho, eles convergirão no ponto S 1, que é uma imagem virtual do ponto S em um espelho plano. Assim, parece a uma pessoa que os raios saem do ponto S 1, embora na verdade não haja raios saindo deste ponto e entrando no olho. A imagem do ponto S 1 está localizada simetricamente ao ponto mais luminoso S em relação ao espelho CM. Vamos provar isso.

O feixe SB incidente no espelho em um ângulo de 2 (Fig. 1.8), de acordo com a lei da reflexão da luz, é refletido em um ângulo de 1 = 2.

Arroz. 1.8. Reflexo de um espelho plano.

Da Fig. 1.8 você pode ver que os ângulos 1 e 5 são iguais – como os verticais. As somas dos ângulos são 2 + 3 = 5 + 4 = 90°. Portanto, ângulos 3 = 4 e 2 = 5.

Os triângulos retângulos ΔSOB e ΔS 1 OB têm uma perna comum OB e ângulos agudos iguais 3 e 4, portanto, esses triângulos são iguais em lados e dois ângulos adjacentes à perna. Isso significa que SO = OS 1, ou seja, o ponto S 1 está localizado simetricamente ao ponto S em relação ao espelho.

Para encontrar a imagem de um objeto AB em um espelho plano, basta baixar perpendiculares dos pontos extremos do objeto até o espelho e, continuando-as além do espelho, reservar uma distância atrás dele igual à distância de o espelho até o ponto extremo do objeto (Fig. 1.9). Esta imagem será virtual e em tamanho real. As dimensões e a posição relativa dos objetos são preservadas, mas ao mesmo tempo, no espelho, os lados esquerdo e direito da imagem trocam de lugar em relação ao próprio objeto. O paralelismo dos raios de luz incidentes em um espelho plano após a reflexão também não é violado.

Arroz. 1.9. Imagem de um objeto em um espelho plano.

Na tecnologia, são frequentemente utilizados espelhos com uma superfície refletora curva complexa, por exemplo, espelhos esféricos. Espelho esférico- esta é a superfície do corpo, que tem a forma de um segmento esférico e reflete a luz especularmente. O paralelismo dos raios quando refletidos em tais superfícies é violado. O espelho é chamado côncavo, se os raios forem refletidos na superfície interna do segmento esférico. Raios de luz paralelos, após reflexão em tal superfície, são coletados em um ponto, razão pela qual um espelho côncavo é chamado coletando. Se os raios forem refletidos na superfície externa do espelho, então ele irá convexo. Raios de luz paralelos são espalhados em diferentes direções, então espelho convexo chamado dispersivo.

Nesta lição você aprenderá sobre a reflexão da luz e formularemos as leis básicas da reflexão da luz. Vamos conhecer esses conceitos não apenas do ponto de vista da óptica geométrica, mas também do ponto de vista da natureza ondulatória da luz.

Como vemos a grande maioria dos objetos ao nosso redor, porque não são fontes de luz? A resposta é bem conhecida por você; você a recebeu no curso de física da 8ª série. Vemos o mundo ao nosso redor devido ao reflexo da luz.

Primeiro, vamos lembrar a definição.

Quando um feixe de luz atinge a interface entre dois meios, ele sofre reflexão, ou seja, retorna ao meio original.

Observe o seguinte: a reflexão da luz está longe de ser o único resultado possível do comportamento posterior do feixe incidente, parte dela penetra em outro meio, ou seja, é absorvida;

A absorção de luz (absorção) é o fenômeno de perda de energia por uma onda de luz que passa através de uma substância.

Vamos construir um raio incidente, um raio refletido e uma perpendicular ao ponto de incidência (Fig. 1.).

Arroz. 1. Feixe de incidente

O ângulo de incidência é o ângulo entre o raio incidente e a perpendicular (),

Ângulo de deslizamento.

Essas leis foram formuladas pela primeira vez por Euclides em sua obra Catoptrics. E já os conhecemos como parte do programa de física da 8ª série.

Leis da reflexão da luz

1. O raio incidente, o raio refletido e a perpendicular ao ponto de incidência estão no mesmo plano.

2. O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

A lei da reflexão da luz implica a reversibilidade dos raios de luz. Ou seja, se trocarmos os lugares do feixe incidente e do refletido, nada mudará do ponto de vista da trajetória do fluxo luminoso.

A gama de aplicações da lei da reflexão da luz é muito ampla. Este é também o fato com o qual iniciamos a lição: vemos a maioria dos objetos ao nosso redor na luz refletida (a lua, uma árvore, uma mesa). Outro bom exemplo do uso da reflexão da luz são os espelhos e refletores de luz (refletores).

Refletores

Vamos entender o princípio de funcionamento de um refletor simples.

Refletor (do grego antigo kata - um prefixo com o significado de esforço, fos - “luz”), retrorefletor, flicker (do inglês flick - “blink”) - um dispositivo projetado para refletir um feixe de luz em direção à fonte com dispersão mínima.

Todo ciclista sabe que viajar à noite sem refletores pode ser perigoso.

As cintilação também são usadas nos uniformes dos trabalhadores rodoviários e policiais de trânsito.

Surpreendentemente, a propriedade do refletor baseia-se nos fatos geométricos mais simples, em particular na lei da reflexão.

A reflexão de um feixe a partir de uma superfície espelhada ocorre de acordo com a lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Considere um caso plano: dois espelhos formando um ângulo de 90 graus. Um raio viajando em um plano e atingindo um dos espelhos, após reflexão no segundo espelho, irá exatamente na direção em que veio (ver Fig. 2).

Arroz. 2. Princípio de funcionamento do refletor de canto

Para obter tal efeito no espaço tridimensional comum, é necessário colocar três espelhos em planos perpendiculares entre si. Pegue um canto de um cubo com uma aresta na forma de um triângulo regular. Um raio que atinge tal sistema de espelhos, após reflexão em três planos, irá paralelo ao raio que chega na direção oposta (ver Fig. 3.).

Arroz. 3. Refletor de canto

A reflexão ocorrerá. É esse dispositivo simples com suas propriedades que é chamado de refletor de canto.

Vamos considerar a reflexão de uma onda plana (uma onda é chamada de plana se as superfícies de fase igual forem planas) (Fig. 1.)

Arroz. 4. Reflexão de onda plana

Na figura - uma superfície, e - dois raios de uma onda plana incidente, eles são paralelos entre si, e o plano é uma superfície de onda. A superfície da onda refletida pode ser obtida desenhando o envelope das ondas secundárias, cujos centros ficam na interface entre os meios.

Diferentes seções da superfície da onda não atingem o limite refletor ao mesmo tempo. A excitação das oscilações em um ponto começará mais cedo do que em um ponto por um período de tempo. No momento em que a onda atinge um ponto e a excitação das oscilações começa neste ponto, a onda secundária centrada no ponto (raio refletido) já será um hemisfério com raio . Com base no que acabamos de escrever, esse raio também será igual ao segmento.

Agora vemos: , triângulos e são retangulares, o que significa . E por sua vez, existe o ângulo de incidência. A é o ângulo de reflexão. Portanto, obtemos que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Assim, usando o princípio de Huygens, provamos a lei da reflexão da luz. A mesma prova pode ser obtida utilizando o princípio de Fermat.

Como exemplo (Fig. 5), é mostrada a reflexão de uma superfície rugosa e ondulada.

Arroz. 5. Reflexo de uma superfície áspera e ondulada

A figura mostra que os raios refletidos seguem em várias direções. Afinal, a direção da perpendicular ao ponto de incidência será diferente para raios diferentes e, consequentemente, tanto o ângulo de incidência quanto o ângulo de reflexão também serão. diferente.

Uma superfície é considerada irregular se o tamanho de suas irregularidades não for menor que o comprimento das ondas de luz.

Uma superfície que reflete os raios uniformemente em todas as direções é chamada de fosca. Assim, uma superfície fosca nos garante reflexão dispersa ou difusa, que ocorre devido a irregularidades, rugosidades e arranhões.

Uma superfície que dispersa a luz uniformemente em todas as direções é chamada de completamente fosca. Na natureza você não encontrará uma superfície totalmente fosca, porém, a superfície da neve, papel e porcelana fica muito próxima delas.

Se o tamanho das irregularidades da superfície for menor que o comprimento de onda da luz, essa superfície será chamada de espelho.

Quando refletido em uma superfície espelhada, o paralelismo do feixe é mantido (Fig. 6).

Arroz. 6. Reflexão de uma superfície espelhada

A superfície lisa da água, do vidro e do metal polido é aproximadamente semelhante a um espelho. Mesmo uma superfície fosca pode ficar espelhada se você alterar o ângulo de incidência dos raios.

No início da aula falamos sobre o fato de que parte do feixe incidente é refletida e parte é absorvida. Na física, existe uma quantidade que caracteriza qual fração da energia de um feixe incidente é refletida e qual é absorvida.

Albedo

Albedo é um coeficiente que mostra qual fração da energia de um feixe incidente é refletida na superfície (do latim albedo - “brancura”) - uma característica da refletividade difusa de uma superfície.

Ou, em outras palavras, esta é a parcela expressa em porcentagem da energia da radiação refletida da energia que chega à superfície.

Quanto mais próximo o albedo estiver de cem, mais energia será refletida na superfície. É fácil adivinhar que o coeficiente de albedo depende da cor da superfície em particular, a energia será refletida muito melhor em uma superfície branca do que em uma preta;

A neve tem o maior albedo de substâncias. É cerca de 70-90%, dependendo da novidade e variedade. É por isso que a neve derrete lentamente enquanto está fresca, ou melhor, branca. Os valores de albedo para outras substâncias e superfícies são mostrados na Figura 7.

Arroz. 7. Valor de Albedo para algumas superfícies

Um exemplo muito importante da aplicação da lei da reflexão da luz são os espelhos planos - uma superfície plana que reflete a luz especularmente. Você tem esses espelhos em sua casa.

Vamos descobrir como construir uma imagem de objetos em um espelho plano (Fig. 8).

Arroz. 8. Construindo a imagem de um objeto em um espelho plano

Uma fonte pontual de luz que emite raios em direções diferentes, tomemos dois raios próximos incidentes em um espelho plano. Os raios refletidos irão como se viessem de um ponto simétrico ao ponto relativo ao plano do espelho. O mais interessante começa quando os raios refletidos atingem nossos olhos: nosso próprio cérebro completa o feixe divergente, continuando-o atrás do espelho até o ponto

Parece-nos que os raios refletidos vêm de um ponto.

Este ponto serve como uma imagem da fonte de luz. Claro que na realidade nada brilha atrás do espelho, é apenas uma ilusão, por isso este ponto é chamado de imagem imaginária.

A localização da fonte e o tamanho do espelho determinam o campo de visão - a área do espaço a partir da qual a imagem da fonte é visível. A área de visão é definida pelas bordas do espelho e.

Por exemplo, você pode se olhar no espelho do banheiro de um determinado ângulo, mas se se afastar dele para o lado, não verá a si mesmo ou o objeto que deseja olhar.

Para construir uma imagem de um objeto arbitrário em um espelho plano, é necessário construir uma imagem de cada um dos seus pontos. Mas se soubermos que a imagem de um ponto é simétrica em relação ao plano do espelho, então a imagem do objeto será simétrica em relação ao plano do espelho (Fig. 9.)

Os conhecidos espelhos modernos, via de regra, nada mais são do que uma folha de vidro com uma fina camada de metal aplicada no verso. Parece que os espelhos sempre existiram, de uma forma ou de outra, mas na sua forma atual são relativamente novos. Até mil anos atrás, os espelhos eram discos polidos de cobre ou bronze que custavam mais do que a maioria das pessoas daquela época podia pagar. Um camponês que queria ver o seu reflexo foi olhar para o lago. Os espelhos de corpo inteiro são uma invenção ainda mais recente. Eles têm apenas cerca de 400 anos.

Os espelhos nos apresentam verdade e ilusão ao mesmo tempo. Talvez este paradoxo faça dos espelhos o centro de atração da magia e da ciência.

Espelhos na história

Quando as pessoas começaram a fazer espelhos simples por volta de 600 aC, usaram obsidiana polida como superfície reflexiva. Eventualmente, eles começaram a produzir espelhos mais complexos feitos de cobre, bronze, prata, ouro e até chumbo.

No entanto, dado o peso do material, esses espelhos eram minúsculos para os nossos padrões. Raramente atingiam 20 cm de diâmetro e eram usados ​​principalmente como decoração. Era especialmente chique usar um espelho preso ao cinto por uma corrente.

Uma exceção foi o Farol de Faros, uma das Sete Maravilhas do Mundo, cujo grande espelho de bronze refletia o fogo de uma enorme fogueira à noite.

Os espelhos modernos surgiram apenas no final da Idade Média, mas naquela época sua produção era difícil e cara. Um dos problemas era que a areia de vidro continha muitas impurezas que a impediam de criar uma verdadeira transparência. Além disso, o choque térmico causado pela adição de metal fundido para criar uma superfície reflexiva quase sempre quebrava o vidro.

Durante a Renascença, quando os florentinos inventaram um método para fazer suporte de chumbo em baixa temperatura, os espelhos modernos fizeram sua estreia. Esses espelhos ficaram finalmente transparentes, permitindo sua utilização na arte. Por exemplo, o arquiteto Filippo Brunelleschi criou uma perspectiva linear com espelhos para criar a ilusão de profundidade no espaço. Além disso, os espelhos fundaram uma nova forma de arte - o autorretrato. Os mestres venezianos da fabricação de espelhos alcançaram o auge na tecnologia do vidro. Seus segredos eram tão preciosos e o comércio de espelhos tão lucrativo que mestres traidores que tentavam vender seu conhecimento no exterior eram frequentemente mortos.

Nessa época, os espelhos ainda estavam disponíveis apenas para os ricos, mas os cientistas começaram a procurar usos alternativos para eles. No início da década de 1660, os matemáticos notaram que os espelhos poderiam ser potencialmente usados ​​em telescópios em vez de lentes. James Bradley usou esse conhecimento para construir o primeiro telescópio refletor em 1721.

Um espelho moderno é feito prateado – borrifando uma fina camada de prata ou alumínio na parte de trás de uma folha de vidro. Justus von Leibig inventou este processo em 1835. A maioria dos espelhos fabricados hoje são feitos por um método mais avançado de aquecimento de alumínio no vácuo, que então adere ao vidro mais frio. A prata ainda pode ser usada em espelhos domésticos, mas a prata tem uma desvantagem significativa - ela oxida rapidamente e absorve o enxofre atmosférico, criando áreas escuras. O alumínio é menos suscetível ao escurecimento porque a fina camada de óxido de alumínio permanece transparente. Os espelhos agora são usados ​​para tudo, desde projeção LCD até faróis de carros e lasers.

Física dos espelhos

Para compreender a física de um espelho, primeiro precisamos compreender a física da luz. EM lei da reflexão diz-se que quando um raio de luz atinge uma superfície, ele salta de uma certa maneira, como uma bola atirada contra uma parede. O ângulo de entrada, chamado ângulo de incidência, é sempre igual ao ângulo em que o raio sai da superfície, ou ângulo de reflexão.

A própria luz é invisível até refletir em algo e atingir nossos olhos. Um feixe de luz viajando pelo espaço não é visível do exterior até atingir um meio que o espalha, como uma nuvem de hidrogênio. Esta dispersão é conhecida como reflexão difusa e é como nossos olhos interpretam o que acontece quando a luz atinge uma superfície irregular. A lei da reflexão ainda se aplica, mas em vez de atingir uma superfície lisa, a luz atinge muitas superfícies microscópicas.

Os espelhos, por terem uma superfície lisa, refletem a luz sem perturbar as imagens recebidas. É chamado imagem espelhada. A imagem no espelho é imaginária, pois é formada não pela intersecção dos próprios raios de luz refletidos, mas por suas “continuações através do espelho”. Muitas pessoas têm uma pergunta curiosa - por que os espelhos sempre mostram imagens viradas “de”. da esquerda para a direita” e não “correto”? A questão é que a imagem espelhada parece um “selo de luz”, e não uma visão do objeto do ponto de vista do espelho. Ao mesmo tempo, tanto a distância até o objeto quanto o tamanho do objeto em um espelho plano permanecem iguais aos do original.

Tipos de espelhos

Uma maneira simples de mudar a forma como um espelho funciona é dobrá-lo. Os espelhos curvos vêm em duas variedades principais: convexos e côncavos.

Reflexão de um feixe paralelo de raios de um espelho convexo. F – foco imaginário do espelho, O – centro óptico; OP – eixo óptico principal

Convexo um espelho no qual o centro é curvado para fora reflete um grande ângulo próximo às bordas, criando uma imagem ligeiramente distorcida e menor que seu tamanho real. Os espelhos convexos têm muitos usos. Quanto menor o tamanho da imagem, mais você pode ver nesse espelho. Espelhos convexos são usados ​​em espelhos retrovisores de automóveis. Algumas lojas de departamentos instalam espelhos verticalmente convexos em camarins porque fazem os clientes parecerem mais altos e mais magros do que realmente são.

Reflexão de um feixe paralelo de raios de um espelho esférico côncavo. Pontos O – centro óptico, P – pólo, F – foco principal do espelho; OP – eixo óptico principal, R – raio de curvatura do espelho

Côncavo ou esférico espelhos com curvatura interna parecem um fragmento de uma bola. Com esses espelhos, a luz é refletida em uma determinada área à sua frente. Esta área é chamada ponto focal. À distância, os objetos nesse espelho aparecerão de cabeça para baixo, mas se você aproximar o espelho do ponto focal, a imagem ficará de cabeça para baixo. Espelhos côncavos são usados ​​em todos os lugares, por exemplo, para acender a Chama Olímpica.

As distâncias focais dos espelhos esféricos recebem um determinado sinal:

para um espelho côncavo para um espelho convexo onde R é o raio de curvatura do espelho.

Agora que você conhece os principais tipos de espelhos, pode pensar em outros tipos mais inusitados. Aqui está uma pequena lista:

1. Espelho não reversível: A patente do espelho irreversível remonta a 1887, quando John Derby o criou colocando dois espelhos perpendiculares um ao outro.

2. Espelhos acústicos: Os espelhos acústicos, em forma de enormes pratos de concreto, são construídos para refletir e difundir o som em vez da luz. Os militares britânicos os usaram antes de sua invenção radar como um sistema de alerta precoce contra ataques aéreos.

3. Espelhos dupla face: Esses espelhos são feitos cobrindo um lado de uma folha de vidro com uma camada muito fina de material reflexivo que permite a passagem de luz brilhante. Esses espelhos são instalados em salas de interrogatório. De um lado desse espelho há uma sala escura para observação dos policiais, do outro há uma sala de interrogatório bem iluminada. Os observadores de uma sala escura veem a pessoa interrogada em uma sala iluminada, mas ela vê apenas sua própria imagem espelhada nesse espelho. O vidro de janela comum também é um material reflexivo fraco. Por esse motivo, é difícil ver alguma coisa na rua à noite, quando as luzes da sala estão acesas.

Espelhos na literatura e superstições

Existem muitos espelhos mágicos na literatura, desde a antiga história do belo Narciso que se apaixona e anseia por seu próprio reflexo em uma poça d'água, até a jornada de Alice através do Espelho. Na mitologia chinesa, há uma história sobre o Reino do Espelho, onde criaturas são presas pela magia do sono, mas um dia serão ressuscitadas para lutar contra o nosso mundo.

Os espelhos também têm ligações estreitas com o conceito de alma. Isso dá origem a muitas superstições selvagens. Por exemplo, quebrar um espelho supostamente lhe renderá sete anos inteiros de azar. A explicação é que a sua alma, que se renova a cada sete anos, é destruída quando o espelho se quebra. Da mesma teoria segue-se que os vampiros que não têm alma tornam-se invisíveis no espelho. Olhar-se no espelho também é perigoso para bebês cuja alma não está desenvolvida ou que começará a gaguejar.

O perfume é frequentemente associado a espelhos. Os espelhos são cobertos com tecido em respeito aos mortos durante o luto judaico, mas em muitos países isso também é habitual. Segundo a superstição, um espelho pode prender a alma de uma pessoa que está morrendo. Uma mulher que dá à luz e se olha no espelho logo verá rostos fantasmagóricos espiando por trás de seu reflexo. Além disso, se você se olhar no espelho na véspera de Natal com uma vela na mão e chamar o nome do falecido em voz alta, o poder do espelho lhe mostrará o rosto dessa pessoa. Também é comum a leitura da sorte das meninas para os “noivos”, em que, segundo o plano dos videntes, o espelho deveria mostrar o rosto do futuro noivo.

Desempenha um papel importante no estudo das ondas sísmicas. A reflexão é observada em ondas superficiais em corpos d’água. A reflexão é observada com muitos tipos de ondas eletromagnéticas, não apenas com a luz visível. A reflexão de ondas de rádio VHF e de frequência mais alta é importante para transmissões de rádio e radar. Mesmo raios X e raios gama fortes podem ser refletidos em pequenos ângulos em relação à superfície por espelhos especialmente feitos. Na medicina, a reflexão do ultrassom nas interfaces entre tecidos e órgãos é utilizada na realização de diagnósticos ultrassonográficos.

História

A lei da reflexão foi mencionada pela primeira vez na Catóptrica de Euclides, que remonta a cerca de 200 AC. e.

Leis da reflexão. Fórmulas de Fresnel

A lei da reflexão da luz - estabelece uma mudança na direção de deslocamento de um raio de luz como resultado de um encontro com uma superfície refletora (espelho): os raios incidentes e refletidos estão no mesmo plano com a normal à superfície refletora em o ponto de incidência, e esta normal divide o ângulo entre os raios em duas partes iguais. A formulação amplamente utilizada, mas menos precisa, “ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão” não indica a direção exata de reflexão do feixe. No entanto, é assim:

Esta lei é uma consequência da aplicação do princípio de Fermat a uma superfície refletora e, como todas as leis da óptica geométrica, é derivada da óptica ondulatória. A lei é válida não apenas para superfícies perfeitamente refletivas, mas também para a fronteira de dois meios que refletem parcialmente a luz. Neste caso, tal como a lei da refração da luz, ela não diz nada sobre a intensidade da luz refletida.

Mudança de Fedorov

Tipos de reflexão

A reflexão da luz pode ser espelhado(isto é, conforme observado ao usar espelhos) ou difuso(neste caso, após a reflexão, o caminho dos raios do objeto não é preservado, mas apenas o componente energético do fluxo luminoso) dependendo da natureza da superfície.

Reflexo de espelho

A reflexão especular da luz se distingue por uma certa relação entre as posições dos raios incidentes e refletidos: 1) o raio refletido situa-se no plano que passa pelo raio incidente e a normal à superfície refletora, restaurada no ponto de incidência; 2) o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. A intensidade da luz refletida (caracterizada pelo coeficiente de reflexão) depende do ângulo de incidência e polarização do feixe de raios incidente (ver Polarização da Luz), bem como da razão dos índices de refração n 2 e n 1 do 2ª e 1ª mídia. Esta dependência (para um meio refletor - um dielétrico) é expressa quantitativamente pela fórmula de Fresnel. Deles, em particular, segue-se que quando a luz incide normal à superfície, o coeficiente de reflexão não depende da polarização do feixe incidente e é igual a

No importante caso especial de incidência normal do ar ou do vidro na sua interface (índice de refração do ar = 1,0; vidro = 1,5), é de 4%.

Reflexão interna total

Com o aumento do ângulo de incidência, o ângulo de refração também aumenta, enquanto a intensidade do feixe refletido aumenta e o feixe refratado diminui (sua soma é igual à intensidade do feixe incidente). Em um determinado valor crítico, a intensidade do feixe refratado torna-se zero e ocorre a reflexão completa da luz. O valor do ângulo crítico de incidência pode ser encontrado definindo o ângulo de refração igual a 90° na lei da refração:

Reflexão de luz difusa

Quando a luz é refletida em uma superfície irregular, os raios refletidos divergem em diferentes direções (ver Lei de Lambert). Por esse motivo, você não consegue ver seu reflexo ao olhar para uma superfície áspera (fosca). A reflexão torna-se difusa quando as irregularidades da superfície são da ordem de um comprimento de onda ou mais. Assim, a mesma superfície pode ser fosca, difusamente reflexiva para radiação visível ou ultravioleta, mas lisa e especularmente reflexiva para radiação infravermelha.

Fundação Wikimedia. 2010.

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