Явления, связанные с отражением света

Подробности

Категория: Оптические явления в природе

ПРЕДМЕТ И ЕГО ОТРАЖЕНИЕ

Некоторые считают, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается, от реального, а только повернут «вверх ногами». Это далеко не так.

Посмотрите поздним вечером, как отражаются в воде уличные светильники. Обратите внимание на отражение берега, спускающегося к воде. Оно кажется нам укороченным и совсем «исчезает», если мы находимся высоко над поверхностью воды. Вы никогда не сможете увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

И это не удивительно. Мы видим пейзаж таким, как если бы смотрели на него из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, на сколько наш глаз находится выше ее поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а также по мере удаления объекта.

Убедиться в этом можно с помощью чертежа.

Часто нам кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Наблюдая отражение предметов в зеркале, мы также замечаем эту его особенность. В чем же здесь дело? Видимо, здесь большую роль играет психология восприятия, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая наше боковое зрение от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего нас. Мы смотрим на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Кроме этого, уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает нам наблюдение неба, облаков и ярко освещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказываются слишком яркими для глаза.

«ЗАЙЧИК»

Кто из нас не играл «зайчиком» отраженного от зеркала солнечного света. Расстояние, с которого видно это маленькое пятно света, удивительно велико. Утверждают, что зеркало размером 5x5 см можно видеть за 15—30 км. Такое зеркало 1 может быть использовано для геодезических целей и сигнализации. Закрывая и открывая источник света или отраженный луч, можно передать сигналы азбукой Морзе.

Но луч, отраженный от объектива бинокля, в военных условиях может сыграть предательскую роль, открыв противнику место расположения наблюдателя. Поэтому запрещают вести наблюдения незащищенным оптическим прибором. В качестве защиты используют черные картонные или металлические трубки длиной 15—20 см, надеваемые на объектив прибора.

ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ СВЕТА

На границе двух прозрачных сред свет частично отражается, частично проходит в другую среду и преломляется, частично поглощается средой. Отношение отраженной энергии к падающей называют коэффициентом отра-

жения. Отношение энергии света, прошедшего через вещество, к энергии падающего света называют коэффициентом пропускания.

Коэффициенты отражения и пропускания зависят от оптических свойств граничащих между собой сред и от угла падения света. Так, если свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно (угол падения a = 0), то Отражается всего лишь 5% световой энергии, а 95% проходит через границу раздела. При увеличении угла падения доля отраженной энергии возрастает. При угле падения а = 90° она равна единице.

 Приведена таблица зависимости коэффициентов отражения и пропускания от угла падения света для границ воздух—стекло и воздух—вода, а на рисунке 7 показаны кривые этой зависимости: сплошной линией для границы воздух — стекло, штриховой для границы воздух — вода, причем нижний отрезок ординаты до пересечения с кривой изображает R, а верхний — D,

Зависимость интенсивности отраженного и проходящего через стеклянную пластинку света можно проследить, располагая пластинку под различными углами к световым лучам и оценивая интенсивность на глаз.

Интересно также оценить на глаз интенсивность света, отраженного от поверхности водоема, в зависимости от угла его падения, пронаблюдать отражение солнечных лучей от окон дома при различных углах падения днем, при закате, восходе светила. Тогда легко можно ответить на вопрос: «Почему мы видим свет, отраженный от окон дома, только при низком положении Солнца?»

СВЕТОВЫЕ ДОРОЖКИ НА ВОДЕ

Выйдите вечером на берег широкой реки, озера или моря. Вдали светят электрические фонари. Луна стоит не очень высоко над горизонтом и заливает окрестность серебристым светом. Посмотрите на поверхность воды, слегка взволнованную легким ветерком, дующим к берегу. Вода темная, а от источников света, расположенных вдали, в том числе от Луны, к вашим ногам простираются световые дорожки (рис. 8),

слегка дрожащие на волнах. Свежий воздух, тишина, темный вечер и эта прекрасная игра света и тени располагают к мечтам и поэзии. Много поэтических произведений и картин посвящено таким вечерам. Посмотрите картину Куинджи «Украинская ночь» или произведения Левитана.

Нетрудно догадаться, что световые дорожки являются следствием отражения света от поверхности воды, взволнованной ветром. Но почему свет виден в одном направлении, именно вдоль линии пересечения поверхности воды с вертикальной плоскостью, проходящей через наш глаз и источник света, в то время как вся поверхность воды покрыта волнами, отражающие поверхности которых ориентированы беспорядочно, и, казалось бы, вся поверхность воды должна отражать свет и светиться?

Для изучения этого вопроса проведем опыт.

Положим на стол между лампой и нашими глазами небольшое зеркальце, которое должно имитировать отражающую поверхность волны (рис. 9).

Когда зеркальце расположено горизонтально, отраженный от него луч света попадает в глаз наблюдателя. Придадим зеркальцу небольшой наклон, что соответствует наклону поверхности воды на волне. Отраженный свет теперь уже в глаз не попадет. Для того чтобы его направить в глаз, необходимо переместить зеркальце по поверхности в точку, зависящую от направления наклона. Будем изменять наклон зеркальца к поверхности стола (что соответствует разнообразному наклону волн) и искать то место на столе, из которого зеркальце при данном наклоне посылает отраженный луч в глаз. После многократных опытов мы обнаружим на столе область, находясь в которой, зеркальце может послать отраженный свет в глаз при каком-либо наклоне. Эта область представляет собой эллипс, большая ось которого находится в плоскости, соединяющей глаз и источник света, и перпендикулярна поверхности стола. Чем меньше угол наклона зеркальца к поверхности стола, тем меньше эллипс, с которого отраженный луч попадает в глаз при какой-либо ориентировке зеркальца. Если угол наклона равен нулю, то эллипс превращается в точку. Этот опыт показывает, что в естественных условиях мы видим только те лучи, которые отражаются от волн, расположенных в узком эллипсе. При сильном ветре ширина его возрастает, а очертания становятся менее определенными.

Наблюдая явление, можно заметить, что ширина и длина эллипса зависят также от высоты источника света и глаза наблюдателя (или объектива фотоаппарата) над горизонтом, а также от направления ветра.

Расчеты и наблюдения подтверждают опыты с зеркальцем. Они показывают, что разнообразно ориентированные отражающие поверхности направляют в приемник света (глаз или объектив фотоаппарата) отраженные лучи только из тех точек, которые лежат в узкой полосе вокруг линии пересечения отражающей поверхности и вертикальной плоскости, проходящей через точку наблюдения и источник света. Форма этой полосы зависит от взаимного расположения наблюдателя и источника.


Световые дорожки можно наблюдать не только на поверхности воды, они видны на поверхности свежевыпавшего снега, особенно если он выпал в тихую погоду при легком морозе, когда сохраняются целыми снежинки. В этом случае свет отражается от поверхности разнообразно ориентированных снежинок, и в солнечный день или лунную ночь дорожка ярко выделяется на поверхности снежной равнины.