На этом уроке вы узнаете об отражении света и мы сформулируем основные законы отражения света. Ознакомимся с этими понятиями не только с точки зрения геометрической оптики, но и с точки зрения волновой природы света.
Введение
Как мы видим подавляющее большинство предметов вокруг нас, ведь они не являются источниками света? ответ вам хорошо знаком, вы его получили еще в курсе физики 8 класса. Мы видим окружающий нас мир за счет отражения света.
Закон отражения
Для начала вспомним определение.
Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, он испытывает отражение, то есть возвращается в исходную среду.
Обратите внимание на следующее: отражение света – это далеко не единственный возможный исход дальнейшего поведения падающего луча, частично он проникает в другую среду, то есть поглощается.
Поглощение света (абсорбция) – явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.
Построим падающий луч , отраженный луч и перпендикуляр в точку падения (рис. 1.).
Рис. 1. Падающий луч
Углом падения называется угол между падающим лучом и перпендикуляром (),
– угол скольжения.
Эти законы впервые были сформулированы Евклидом в его труде «Катоптрика». И с ними мы уже ознакомились в рамках программы физики 8 класса.
Законы отражения света
1. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр в точку падения лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения.
Из закона отражения света следует обратимость световых лучей. То есть если мы поменяем местами падающий луч и отраженный, то ничего не изменится с точки зрения траектории распространения светового потока.
Спектр применения закона отражения света весьма широк. Это и тот факт, с которого мы начали урок, что большинство предметов вокруг нас мы видим именно в отраженном свете (луну, дерево, стол). Еще одним хорошим примером использования отражения света являются зеркала и светоотражатели (катафоты).
Катафоты
Разберемся в принципе работы простого световозвращателя.
Катафот (от древнегреческого kata – приставка со значением усилия, fos – «свет»), световозвращатель, фликер (от англ. flick – «мигать») – устройство, предназначенное для отражения луча света в сторону источника с минимальным рассеиванием.
Каждый велосипедист знает, что передвижение в темное время суток без наличия катафотов может быть опасным.
Также фликеры используются в униформах дорожных рабочих, сотрудников ГИБДД.
Как ни удивительно, свойство катафота основано на простейших геометрических фактах, в частности на законе отражения.
Отражение луча от зеркальной поверхности происходит по закону: угол падения равен углу отражения. Рассмотрим плоский случай: два зеркала, образующих угол в 90 градусов. Луч, идущий в плоскости и попадающий на одно из зеркал, после отражения от второго зеркала уйдет ровно в том направлении, в котором пришел (см. рис. 2).
Рис. 2. Принцип действия углового катафота
Для получения такого эффекта в обычном трехмерном пространстве необходимо расположить три зеркала во взаимно перпендикулярных плоскостях. Возьмем уголок куба с краем в виде правильного треугольника. Луч, попавший на такую систему зеркал, после отражения от трех плоскостей уйдет параллельно пришедшему лучу в обратном направлении (см. рис. 3.).
Рис. 3. Уголковый отражатель
Произойдет световозвращение. Именно это простое устройство с его свойствами и называют уголковым отражателем.
Доказательство закона отражения
Рассмотрим отражение плоской волны (волна называется плоской, если поверхности равной фазы представляют собой плоскости) (рис. 1.)
Рис. 4. Отражение плоской волны
На рисунке – поверхность, и – два луча падающей плоской волны, они параллельны друг другу, а плоскость – волновая поверхность. Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела сред.
Различные участки волновой поверхности достигают отражающей границы не одновременно. Возбуждение колебаний в точке начнется раньше, чем в точке на промежуток времени . В момент когда волна достигнет точки и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке (отраженный луч ) уже будет представлять собой полусферу радиусом . Исходя из того, что мы только что записали, этот радиус так же будет равен отрезку .
Теперь мы видим: , треугольники и – прямоугольные, а значит, . А в свою очередь, и есть угол падения . А – угол отражения . Следовательно, мы получаем, что угол падения равен углу отражения .
Итак, при принципа Гюйгенса ми доказали закон отражения света. Получить это же доказательство можно, пользуясь принципом Ферма.
Виды отражения
В качестве примера (рис. 5.) изображено отражение от волнообразной, шероховатой поверхности.
Массу плота определим через плотность сосны p(сосны), объём одного бревна V0 и количества брёвен N:
m = p*V = p(сосны)*V
V = V0*N => m = p(сосны)*V0*N = 500*0,5*20 = 500*10 = 5000 кг, тогда сила тяжести:
Fтяж = mg = 5000*10 = 50000 H = 50 кН
Плот будет плавать в воде, если сила тяжести и сила Архимеда уравновешивают друг друга:
Fa = Fтяж - значит, значение силы Архимеда (выталкивающей силы) равно значению силы тяжести:
Fa = 50 кН
Подъёмную силу плота найдём через следующее рассуждение. Ясное дело, что плот плавает, то есть не тонет. Значит, какая-то его часть возвышается над поверхностью воды, а какая-то - находится под поверхностью. Если мы теперь будем нагружать плот всё больше и больше, то он всё больше и больше будет уходить в воду. Как известно, сила Архимеда равна массе вытесненной воды в объёме погруженной в воду части тела, умноженной на ускорение свободного падения:
Fa = р(воды)*g*V(части тела)
р(воды)*V(части тела) = m(воды) =>
=> Fa = m(воды)*g
Тогда, если плот полностью скроется под водой, то масса воды, которую он вытеснит своим объёмом, будет равна:
m(воды) = р(воды)*V, а сила Архимеда:
Fa = р(воды)*V*g = p(воды)*р(сосны)*V0*N*g = 1000*500*0,5*20*10 = 1000*100*500 = 5*1000*100*100 = 5*10⁷ = 50*10⁶ Н = 50 МН
А теперь вернёмся к погрузке плота. Если мы нагрузили плот так, что сам плот скрылся под водой, а груз остался сверху, над поверхностью воды, то мы можем представить плот с грузом как одно сплошное тело. Тогда сила тяжести, действующая на это тело, будет равна сумме силы тяжести, действующей на плот, и силы тяжести, действующей на груз:
Fтяж = Fтяж(плота) + Fтяж(груза)
Каждую из этих сил можно представить в виде другой силы - веса, тогда:
Р = Р(плота) + Р(груза)
Так как мы решили представить плот с грузом как одно сплошное тело, то найдём силу Архимеда, действующую на это тело:
Fa = Fтяж = P
Fa = P(плота) + Р(груза) - именно значение веса груза будет являться грузоподъёмностью плота, тогда:
P(груза) = Fa - P(плота) = 50 МН - 50 кН = 50 000 000 - 50 000 = 49 950 000 Н = 49,95 МН - это и есть грузоподъёмность плота. Вернее - максимальная грузоподъёмность, потому что если нагружать плот и дальше, то под водой будет уже не только плот, но и часть груза.
На этом уроке вы узнаете об отражении света и мы сформулируем основные законы отражения света. Ознакомимся с этими понятиями не только с точки зрения геометрической оптики, но и с точки зрения волновой природы света.
Введение
Как мы видим подавляющее большинство предметов вокруг нас, ведь они не являются источниками света? ответ вам хорошо знаком, вы его получили еще в курсе физики 8 класса. Мы видим окружающий нас мир за счет отражения света.
Закон отражения
Для начала вспомним определение.
Когда световой луч падает на границу раздела двух сред, он испытывает отражение, то есть возвращается в исходную среду.
Обратите внимание на следующее: отражение света – это далеко не единственный возможный исход дальнейшего поведения падающего луча, частично он проникает в другую среду, то есть поглощается.
Поглощение света (абсорбция) – явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.
Построим падающий луч , отраженный луч и перпендикуляр в точку падения (рис. 1.).
Рис. 1. Падающий луч
Углом падения называется угол между падающим лучом и перпендикуляром (),
– угол скольжения.
Эти законы впервые были сформулированы Евклидом в его труде «Катоптрика». И с ними мы уже ознакомились в рамках программы физики 8 класса.
Законы отражения света
1. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр в точку падения лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения.
Из закона отражения света следует обратимость световых лучей. То есть если мы поменяем местами падающий луч и отраженный, то ничего не изменится с точки зрения траектории распространения светового потока.
Спектр применения закона отражения света весьма широк. Это и тот факт, с которого мы начали урок, что большинство предметов вокруг нас мы видим именно в отраженном свете (луну, дерево, стол). Еще одним хорошим примером использования отражения света являются зеркала и светоотражатели (катафоты).
Катафоты
Разберемся в принципе работы простого световозвращателя.
Катафот (от древнегреческого kata – приставка со значением усилия, fos – «свет»), световозвращатель, фликер (от англ. flick – «мигать») – устройство, предназначенное для отражения луча света в сторону источника с минимальным рассеиванием.
Каждый велосипедист знает, что передвижение в темное время суток без наличия катафотов может быть опасным.
Также фликеры используются в униформах дорожных рабочих, сотрудников ГИБДД.
Как ни удивительно, свойство катафота основано на простейших геометрических фактах, в частности на законе отражения.
Отражение луча от зеркальной поверхности происходит по закону: угол падения равен углу отражения. Рассмотрим плоский случай: два зеркала, образующих угол в 90 градусов. Луч, идущий в плоскости и попадающий на одно из зеркал, после отражения от второго зеркала уйдет ровно в том направлении, в котором пришел (см. рис. 2).
Рис. 2. Принцип действия углового катафота
Для получения такого эффекта в обычном трехмерном пространстве необходимо расположить три зеркала во взаимно перпендикулярных плоскостях. Возьмем уголок куба с краем в виде правильного треугольника. Луч, попавший на такую систему зеркал, после отражения от трех плоскостей уйдет параллельно пришедшему лучу в обратном направлении (см. рис. 3.).
Рис. 3. Уголковый отражатель
Произойдет световозвращение. Именно это простое устройство с его свойствами и называют уголковым отражателем.
Доказательство закона отражения
Рассмотрим отражение плоской волны (волна называется плоской, если поверхности равной фазы представляют собой плоскости) (рис. 1.)
Рис. 4. Отражение плоской волны
На рисунке – поверхность, и – два луча падающей плоской волны, они параллельны друг другу, а плоскость – волновая поверхность. Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела сред.
Различные участки волновой поверхности достигают отражающей границы не одновременно. Возбуждение колебаний в точке начнется раньше, чем в точке на промежуток времени . В момент когда волна достигнет точки и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке (отраженный луч ) уже будет представлять собой полусферу радиусом . Исходя из того, что мы только что записали, этот радиус так же будет равен отрезку .
Теперь мы видим: , треугольники и – прямоугольные, а значит, . А в свою очередь, и есть угол падения . А – угол отражения . Следовательно, мы получаем, что угол падения равен углу отражения .
Итак, при принципа Гюйгенса ми доказали закон отражения света. Получить это же доказательство можно, пользуясь принципом Ферма.
Виды отражения
В качестве примера (рис. 5.) изображено отражение от волнообразной, шероховатой поверхности.
Дано:
N = 20
V0 = 0,5 м³
р(воды) = 1000 кг/м³
р(сосны) = 500 кг/м³
g = 10 м/с²
Fтяж, Fa, P(груза) - ?
Формула силы тяжести:
Fтяж = mg
Массу плота определим через плотность сосны p(сосны), объём одного бревна V0 и количества брёвен N:
m = p*V = p(сосны)*V
V = V0*N => m = p(сосны)*V0*N = 500*0,5*20 = 500*10 = 5000 кг, тогда сила тяжести:
Fтяж = mg = 5000*10 = 50000 H = 50 кН
Плот будет плавать в воде, если сила тяжести и сила Архимеда уравновешивают друг друга:
Fa = Fтяж - значит, значение силы Архимеда (выталкивающей силы) равно значению силы тяжести:
Fa = 50 кН
Подъёмную силу плота найдём через следующее рассуждение. Ясное дело, что плот плавает, то есть не тонет. Значит, какая-то его часть возвышается над поверхностью воды, а какая-то - находится под поверхностью. Если мы теперь будем нагружать плот всё больше и больше, то он всё больше и больше будет уходить в воду. Как известно, сила Архимеда равна массе вытесненной воды в объёме погруженной в воду части тела, умноженной на ускорение свободного падения:
Fa = р(воды)*g*V(части тела)
р(воды)*V(части тела) = m(воды) =>
=> Fa = m(воды)*g
Тогда, если плот полностью скроется под водой, то масса воды, которую он вытеснит своим объёмом, будет равна:
m(воды) = р(воды)*V, а сила Архимеда:
Fa = р(воды)*V*g = p(воды)*р(сосны)*V0*N*g = 1000*500*0,5*20*10 = 1000*100*500 = 5*1000*100*100 = 5*10⁷ = 50*10⁶ Н = 50 МН
А теперь вернёмся к погрузке плота. Если мы нагрузили плот так, что сам плот скрылся под водой, а груз остался сверху, над поверхностью воды, то мы можем представить плот с грузом как одно сплошное тело. Тогда сила тяжести, действующая на это тело, будет равна сумме силы тяжести, действующей на плот, и силы тяжести, действующей на груз:
Fтяж = Fтяж(плота) + Fтяж(груза)
Каждую из этих сил можно представить в виде другой силы - веса, тогда:
Р = Р(плота) + Р(груза)
Так как мы решили представить плот с грузом как одно сплошное тело, то найдём силу Архимеда, действующую на это тело:
Fa = Fтяж = P
Fa = P(плота) + Р(груза) - именно значение веса груза будет являться грузоподъёмностью плота, тогда:
P(груза) = Fa - P(плота) = 50 МН - 50 кН = 50 000 000 - 50 000 = 49 950 000 Н = 49,95 МН - это и есть грузоподъёмность плота. Вернее - максимальная грузоподъёмность, потому что если нагружать плот и дальше, то под водой будет уже не только плот, но и часть груза.
ответ: 50 кН, 50 кН, 49,95 МН.