Углы от нормали
Меняй угол падения и сравни два равных угла. Затем посмотри, как разные наклоны маленьких участков рассеивают пучок.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Геометрическая оптика. В режиме шероховатости регулятор задаёт наклон пучка к общей вертикали. У каждого участка своя местная нормаль; относительно неё углы падения и отражения равны. Профиль условный.
Нормаль — опорная линия
В точке падения луча строят нормаль — перпендикуляр к отражающей поверхности. Угол падения α измеряют между падающим лучом и нормалью, угол отражения β — между отражённым лучом и той же нормалью.
Распространённая ошибка — измерять угол от самой поверхности. Эти два угла дополняют друг друга до 90°. Если луч составляет 30° с поверхностью, угол падения равен 60°.
Отсчёт от нормали
α — угол падения
Закон отражения
β = α
Угол к поверхности
90° − α
Углы падения и отражения отсчитывают от нормали.
Луч падает перпендикулярно поверхности: чему равен α?
Нулю. Луч совпадает с нормалью, отражается обратно вдоль той же прямой и имеет β = 0°.
Два закона отражения
Падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости. Угол отражения равен углу падения. На рисунке лучи находятся по разные стороны от нормали, если рассматривается обычное отражение от плоской поверхности.
Ход луча обратим: если послать свет по направлению прежнего отражённого луча к поверхности, он уйдёт по прежнему падающему пути. Это помогает проверять построение.
1. Проведи нормаль
Через точку падения
2. Отложи равный угол
По другую сторону нормали
3. Поставь стрелку
От поверхности наружу
4. Проверь обратимость
Путь можно пройти в обратном направлении
Закон отражения задаёт и плоскость лучей, и равенство углов.
При α = 40° какой угол между лучами, направленными от точки падения?
80°: два равных угла по 40° по сторонам нормали. Это не угол между направлениями движения входящего и выходящего света.
Отражение горы в спокойной воде
Спокойная водная поверхность может отражать свет направленно и создавать узнаваемую картину.
Oregon's Mt. Hood Territory. · Public domain · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Отражения в зеркальных поверхностях
Разные наклоны зеркальных граней направляют отражённый свет по-разному.
Basile Morin · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Зеркальное и рассеянное отражение
У гладкой поверхности соседние нормали почти параллельны. Параллельные падающие лучи отражаются согласованно — получается зеркальное отражение. У шероховатой поверхности местные нормали различаются, поэтому лучи расходятся в разные стороны.
Закон отражения выполняется на каждом малом участке и при рассеянном отражении. Матовая стена не нарушает закон: она состоит из множества по-разному ориентированных микроповерхностей.
| Поверхность | Местные нормали | Результат |
|---|---|---|
| Гладкая | Почти одинаковы | Направленное отражение |
| Шероховатая | Различаются | Рассеяние по направлениям |
Рассеянное отражение тоже подчиняется закону отражения локально.
Почему книгу видно разным ученикам в комнате?
Её поверхность рассеивает падающий свет во множество направлений, часть которых попадает в глаза разных наблюдателей.
Что менять в модели
Ползунок задаёт угол от нормали. Следи, чтобы две дуги были одинаковыми, а точка отражения оставалась на поверхности. Затем переключи гладкую поверхность на набор наклонённых участков: лучи разойдутся, но пары местных углов останутся равными.
Если зеркало поворачивается на небольшой угол при неподвижном падающем луче, нормаль поворачивается на тот же угол, а направление отражённого луча меняется вдвое сильнее. Этот вывод относится к заданной геометрии поворота.
Поворот поверхности
Поворот нормали
Равенство углов
Новый отражённый луч
Фиксированный падающий луч
Удвоенное изменение направления отражённого
При построении сначала меняют нормаль, затем применяют закон.
Зеркало повернули на 5°: на сколько повернётся отражённый луч?
На 10° в обычной плоской геометрии с неподвижным падающим лучом. Важно не путать это с новым значением самого угла отражения.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 8 класс», § 34. Тема и содержание сверены с файлом «8 класс. Физика — § 34. Отражение света.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.