2.Відбивання електромагнітних хвиль. Дзеркала

Досліджуючи властивості електромагнітних хвиль, Г. Герц насамперед виявив, що електромагнітні хвилі відбиваються. Взаємодіючи з речовиною, електромагнітна хвиля спричинює коливання заряджених частинок, які входять до складу кожної речовини. Коливаючись, ці частинки стають джерелами нових електромагнітних хвиль, які поширюються вже «від речовини». Частота коливань і довжина хвилі нового випромінювання дорівнює частоті і довжині падаючої хвилі.

Закономірності відбивання видимого світла розглянуто на простих дослідах в курсі фізики для 8 класу. Розглянемо явище відбивання, скориставшись уявленнями про хвильову природу світла. Зрозуміло, що отримані результати стосуватимуться і явища відбивання будь-якої електромагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі  взаємодіють з речовиною. Нехай на поверхню речовини MN падає електромагнітна хвиля з плоским фронтом АВ (мал. 4.17).

Коли хвиля надходить у точку А, вона стає джерелом нової сферичної хвилі. Коли фронт падаючої хвилі досягне точки С, фронт хвилі, рухаючись від точки А, утворить півсферу радіусом г. При цьому r = AD = cΔt. Такі самі хвилі з певним запізненням почнуть поширюватися й від інших точок поверхні. Утвориться новий фронт хвилі CD, який рухатиметься від поверхні. Для визначення напрямку поширення відбитого пучка розглянемо трикутники ACD і ABC. Оскільки всі їхні сторони AD = BC і АВ = CD, a AC — спільна, то їх можна вважати рівними. У рівних трикутниках відповідні кути дорівнюють один одному. Кути  і ß між променем і перпендикуляром як доповнювальні до рівних кутів також будуть однаковими: Отже, в разі відбивання електромагнітної хвилі кут відбивання дорівнює куту її падіння.

Друга частина цього закону, який легко підтверджується експериментально, твердить, що промінь падаючий і промінь відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром, поставленим у точку падіння променя. Це формулювання закону відбивання вказує, що напрямок відбивання світлового пучка не може бути довільним. Через дві прямі, відрізками яких є падаючий АО і відбитий ОВ промені, можна провести лише одну площину N, і ця площина завжди буде перпендикулярною до площини відбиваючої поверхні (дзеркала) М (мал. 4.18). Закономірності відбивання електромагнітних хвиль можна легко встановити експериментально. Кут падіння дорівнює куту відбивання.

Установимо на оптичному диску (мал. 4.19) дзеркало і спрямуємо на нього вузький пучок світла. Побачимо, що кут між перпендикуляром і падаючим променем (кут падіння) дорівнює куту між перпендикуляром і відбитим променем (кут відбивання). Відбитий пучок спостерігатиметься лише тоді, коли поверхня дзеркала буде перпендикулярною до поверхні оптичного диска. Якщо дзеркало трохи відхилити так, щоб воно утворювало з поверхнею диска кут, що не дорівнює 90°, то відбитого променя на диску не побачимо, хоча його можна спостерігати в іншому напрямку відповідно до другої частини формулювання закону відбивання. Подібна картина спостерігатиметься і тоді, коли скористатися генератором сантиметрових радіохвиль із довжиною хвилі випромінювання в декілька сантиметрів. Такі хвилі можна спрямувати вузьким пучком у певному напрямку. Явище відбивання характерне для всіх електромагнітних хвиль.

Спрямуємо пучок на плоску металеву поверхню так, щоб падаючий пучок утворював певний кут із поверхнею (мал. 4.20). Цей пучок радіохвиль відіб'ється від поверхні і його прийме антена приймача. Порівнявши кут падіння і кут відбивання пучка хвиль, побачимо, що вони дорівнюють один одному.

Закон відбивання світла та інших електромагнітних хвиль діє лише в однорідному середовищі, в якому швидкість поширення хвилі не змінюється.

Дзеркала

У техніці і в побуті широко застосовують пристрої, здатні змінювати напрямок поширення світлових пучків. їх називають дзеркалами. Очевидно, це один із найперших приладів, яким почала користуватися людина. Дзеркала знаходять археологи під час розкопок найдавніших цивілізацій.

Плоске дзеркало

Плоским дзеркалом називають будь-яке плоске тіло з добре відполірованою поверхнею. Такі пристрої змінюють не конфігурацію світлових пучків, а лише їхній напрямок поширення внаслідок явища відбивання. Сумісна дія дзеркала й ока людини дає змогу бачити зображення предметів, від яких на дзеркало падають світлові пучки. Зображення, яке в цей час бачить людина, не можна одержати на екрані, тому його називають уявним. Розглянемо, як знайти положення зображення, яке дає плоске дзеркало (мал. 4.21, І).

Уявне зображення джерела світла в плоскому дзеркалі симетричне джерелу. Нехай на плоске дзеркало MN падає пучок променів світла від точкового джерела S. Виберемо два промені, які падають на дзеркало під різними кутами ₁ і ₂. Кути відбивання ß₁ і ß₂ за законом відбивання, відповідно, дорівнюватимуть кутам падіння. Внаслідок цього від дзеркала поширюватиметься пучок такої самої розбіжності. Якщо відбиті промені продовжити за дзеркало, то вони перетнуться в точці S'. З'єднавши прямою точки S і S', одержимо два рівні трикутники SAO і S'AO (або ΔSBO і ΔS'BO). За умови рівності трикутників відрізки SO і S'O однакові завдовжки. Отже, в плоскому дзеркалі предмет і його зображення симетричні відносно дзеркала. З цього висновку можна сформулювати правило знаходження положення зображення точкового джерела світла в плоскому дзеркалі:

• від точкового джерела світла опустити перпендикуляр до поверхні дзеркала;

• продовжити перпендикуляр за дзеркало;

• виміряти відстань від точкового джерела до дзеркала;

• таку саму відстань відміряти на продовженні перпендикуляра за дзеркалом; кінець цього відрізка вкаже положення уявного зображення точкового джерела світла.

Правило побудови зображення точки в плоскому дзеркалі можна застосувати до знаходження зображення предмета.

Сферичні дзеркала

В основі принципу дії сферичних дзеркал лежать ті самі закони, що й для плоских дзеркал. Однак сферична поверхня цих дзеркал впливає на конфігурацію пучків променів світла, які виходять із них (мал. 4.21, II).

Сферичні дзеркала бувають вгнутими й опуклими. Розглянемо дію вгнутого дзеркала на світлові пучки. Нехай маємо сферичне дзеркало, радіус кривизни якого R. Проведемо через центр О сферичної поверхні та її полюс С пряму. Цю пряму ОС називають головною оптичною віссю дзеркала. Якщо на дзеркало спрямувати пучок паралельних променів паралельно головній оптичній осі, то після відбивання він збіжиться в точці F її називають головним фокусом дзеркала. Відстань від фокуса дзеркала до полюса FC називають фокусною відстанню. Позначимо її літерою F. Вгнуте дзеркало може давати дійсне зображення. Якщо відстань від дзеркала до предмета позначити літерою d, а відстань від дзеркала до зображення — літероюf то зв'язок між цими величинами виражатиме формула сферичного дзеркала:

Формула сферичного дзеркала дозволяє розрахувати положення уявного зображення предмета .

Опуклі дзеркала не дають дійсного зображення. Положення  уявного  зображення предмета можна розрахувати за формулою сферичного дзеркала, взявши фокусну відстань з від'ємним знаком:

Фокусна відстань сферичного дзеркала дорівнює половині довжини радіуса кривизни сферичної поверхні:

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Як можна освітити дно криниці за допомогою плоского дзеркала сонячними променями, що падають на землю під кутом 25°?

2. Яке заввишки має бути плоске дзеркало, щоб людина побачила себе в ньому на повен зріст?

3. Радіус кривизни вгнутого дзеркала 48 см. Яка фокусна відстань цього дзеркала?

4. Яка фокусна відстань плоского дзеркала?

5. Опукле сферичне дзеркало має радіус кривизни 1 м. На відстані 0,2 м від дзеркала знаходиться предмет заввишки 10 см. Де буде зображення предмета і якою буде його висота?

6. На якій відстані буде зображення предмета в опуклому сферичному дзеркалі, радіус кривизни якого 40 см, якщо предмет розміщений на відстані 30 см від дзеркала?

ЗАПИТАННЯ

1. Чому в досліді О. Ремера передбачено спостереження за космічними об'єктами?

2. З якою метою в дослідах Фізо було використане зубчасте колесо?

3. Яке значення швидкості світла використовують у сучасних розрахунках?

4. Чому електромагнітні хвилі відбиваються від поверхні речовини?

5. Чому в разі відбивання хвилі від плоскої поверхні кут її відбивання дорівнює куту падіння?

6. Як визначити напрямок поширення відбитого пучка електромагнітних хвиль?