или напишите нам прямо сейчас

Написать в WhatsApp

1

Как мы воспринимаем объекты, находящиеся на изображении ниже линии горизонта

Выберите один ответ.

Насыщенность это

Выберите один ответ.

Самое яркое место на объекта:

Выберите один ответ.

Ахроматические цвета

Выберите один ответ.

Изображение объектов с учетом их положения в пространстве

Выберите один ответ.

Условное расположение взгляда художника по отношении к изображаемому

Выберите один ответ.

Основные цвета

Выберите один ответ.

Составление, соединение, сочетание различных частей в единое целое в соответствии с какой-либо идеей это

Выберите один ответ.

Светлота это

Выберите один ответ.

Горизонтальная бесконечная плоскость, находящаяся на уровне глаз

Выберите один ответ.

Места касания объекта лучами света вскользь

Выберите один ответ.

Размерные соотношения элементов или частей целого между собой, а также различными объектами

Выберите один ответ.

Основные свойства цвета

Выберите один ответ.

или напишите нам прямо сейчас

Написать в WhatsApp

Отражение света | Что такое отражение света?

Home/ / Ресурсный центр микроскопии/ Учебник по микроскопии/ Физика света и цвета/ Отражение света — Введение

Отражение света происходит, когда луч света отражается от поверхности и меняет направление. Наша вводная статья расскажет вам все, что вам нужно знать об отражении света, от подробного определения «отражения света» до различных типов отражения и примеров изображений.

Что такое отражение света?

Отражение света (и других форм электромагнитного излучения) происходит, когда волны сталкиваются с поверхностью или другой границей, которая не поглощает энергию излучения и отражает волны от поверхности.

Пример отражения света

Простейшим примером отражения видимого света является поверхность гладкого бассейна с водой, где падающий свет отражается упорядоченным образом, создавая четкое изображение пейзажа, окружающего бассейн. Бросьте камень в бассейн (см. рис. 1), и вода возмущается, образуя волны, которые нарушают отражение, рассеивая отраженные лучи света во всех направлениях.

Кто открыл отражение света?

Некоторые из самых ранних описаний отражения света исходят от древнегреческого математика Евклида, который провел серию экспериментов около 300 г. до н.э. и, по-видимому, хорошо понимал, как отражается свет. Однако только полтора тысячелетия спустя арабский ученый Альхазен предложил закон, точно описывающий, что происходит с лучом света, когда он падает на гладкую поверхность, а затем отражается в пространстве.

Входящая световая волна называется падающей волной, а волна, которая отражается от поверхности, называется отраженной волной. Видимый белый свет, направленный на поверхность зеркала под углом (падающий), отражается обратно в пространство поверхностью зеркала под другим углом (отражается), равным углу падения, как это представлено для действия луча свет фонарика на гладкое плоское зеркало на рис. 2. Таким образом, угол падения равен углу отражения для видимого света, а также для всех других длин волн спектра электромагнитного излучения. Эту концепцию часто называют законом отражения. Важно отметить, что свет не разделяется на составляющие его цвета, потому что он не «изгибается» и не преломляется, а все длины волн отражаются под одинаковыми углами.

Отражение света

Когда световые волны падают на гладкую плоскую поверхность, они отражаются от поверхности под тем же углом, что и приходят. В этом руководстве исследуется взаимосвязь между углами падения и отражения для виртуальной синусоидальной световой волны.

Начать обучение

Поскольку свет в некоторых отношениях ведет себя как волна, а в других — как если бы он состоял из частиц, появилось несколько независимых теорий отражения света. Согласно волновым теориям, световые волны распространяются от источника во всех направлениях и, ударившись о зеркало, отражаются под углом, определяемым углом, под которым падает свет. Процесс отражения инвертирует каждую волну задом наперед, поэтому наблюдается обратное изображение. Форма световых волн зависит от размера источника света и от того, насколько далеко волны прошли, чтобы достичь зеркала. Волновые фронты, исходящие от источника рядом с зеркалом, будут сильно искривлены, а фронты, излучаемые удаленными источниками света, будут почти линейными, что будет влиять на угол отражения.

Согласно теории частиц, которая в некоторых важных деталях отличается от волновой концепции, свет достигает зеркала в виде потока мельчайших частиц, называемых фотонами, которые отскакивают от поверхности при ударе. Поскольку частицы настолько малы, они движутся очень близко друг к другу (практически бок о бок) и отскакивают от разных точек, поэтому в процессе отражения их порядок меняется на противоположный, создавая зеркальное отражение. Независимо от того, действует ли свет как частицы или волны, результат отражения одинаков. Отраженный свет создает зеркальное изображение.

Количество света, отраженного объектом, и способ его отражения сильно зависят от степени гладкости или текстуры поверхности. Когда дефекты поверхности меньше длины волны падающего света (как в случае зеркала), практически весь свет отражается одинаково. Однако в реальном мире большинство объектов имеют изогнутые поверхности, которые демонстрируют диффузное отражение, при этом падающий свет отражается во всех направлениях. Многие из объектов, которые мы случайно видим каждый день (люди, автомобили, дома, животные, деревья и т. д.), сами по себе не излучают видимый свет, а отражают падающий на них естественный солнечный свет и искусственный свет. Например, яблоко кажется блестящим красным, потому что оно имеет относительно гладкую поверхность, которая отражает красный свет и поглощает другие некрасные (например, зеленые, синие и желтые) длины волн света.

Сколько существует типов отражения света?

Отражение света можно условно разделить на два типа отражения. Зеркальное отражение определяется как свет, отраженный от гладкой поверхности под определенным углом, тогда как диффузное отражение создается шероховатыми поверхностями, которые имеют тенденцию отражать свет во всех направлениях (как показано на рисунке 3). В нашей повседневной жизни гораздо больше случаев диффузного отражения, чем зеркального отражения.

Зеркальное и диффузное отражение

Количество света, отраженного объектом, и способ его отражения сильно зависят от гладкости или текстуры поверхности. В этом интерактивном учебном пособии исследуются изменения отражательной способности поверхностей при переходе от гладкой зеркальной текстуры к очень шероховатой и неровной.

Начало обучения

Чтобы визуализировать разницу между зеркальным и диффузным отражением, рассмотрим две совершенно разные поверхности: гладкое зеркало и шероховатую красноватую поверхность. Зеркало отражает все компоненты белого света (например, длины волн красного, зеленого и синего) почти одинаково, а отраженный зеркальный свет следует по траектории, имеющей тот же угол от нормали, что и падающий свет. Однако шероховатая красноватая поверхность не отражает все длины волн, поскольку поглощает большую часть синего и зеленого компонентов и отражает красный свет. Также рассеянный свет, который отражается от шероховатой поверхности, рассеивается во всех направлениях.

Как зеркала отражают свет?

Возможно, лучшим примером зеркального отражения, с которым мы сталкиваемся ежедневно, является зеркальное отражение, создаваемое домашним зеркалом, которое люди могут использовать много раз в день, чтобы увидеть свою внешность. Гладкая отражающая стеклянная поверхность зеркала создает виртуальное изображение наблюдателя из света, который отражается прямо обратно в глаза. Это изображение называют «виртуальным», потому что оно на самом деле не существует (свет не производится) и кажется находящимся за плоскостью зеркала из-за предположения, которое естественным образом делает мозг. То, как это происходит, легче всего представить себе, глядя на отражение объекта, расположенного по одну сторону от наблюдателя, так что свет от объекта падает на зеркало 9.0003

Тип отражения, наблюдаемого в зеркале, зависит от формы зеркала и, в некоторых случаях, от того, насколько далеко от зеркала расположен отражаемый объект. Зеркала не всегда плоские и могут быть изготовлены в различных конфигурациях, которые обеспечивают интересные и полезные характеристики отражения. Вогнутые зеркала, обычно используемые в крупнейших оптических телескопах, используются для сбора слабого света, излучаемого очень далекими звездами. Изогнутая поверхность концентрирует параллельные лучи с большого расстояния в одну точку для повышения интенсивности. Этот дизайн зеркала также часто встречается в зеркалах для бритья или косметических зеркалах, где отраженный свет создает увеличенное изображение лица. Внутренняя часть блестящей ложки является распространенным примером вогнутой зеркальной поверхности и может использоваться для демонстрации некоторых свойств этого типа зеркала. Если внутреннюю часть ложки держать близко к глазу, будет видно увеличенное вертикальное изображение глаза (в этом случае глаз находится ближе, чем фокус зеркала). Если ложку отодвинуть дальше, будет виден уменьшенный перевернутый вид всего лица. Здесь изображение перевернуто, потому что оно формируется после того, как отраженные лучи пересекли фокальную точку зеркальной поверхности.

Еще одно распространенное зеркало с изогнутой поверхностью, выпуклое зеркало, часто используется в автомобильных отражателях заднего вида, где кривизна зеркала, направленного наружу, дает меньший, более панорамный обзор событий, происходящих позади автомобиля. Когда параллельные лучи падают на поверхность выпуклого зеркала, световые волны отражаются наружу и расходятся. Когда мозг отслеживает лучи, кажется, что они исходят из-за зеркала, где они должны были бы сойтись, создавая вертикальное изображение меньшего размера (изображение является вертикальным, поскольку мнимое изображение формируется до того, как лучи пересекли фокальную точку). Выпуклые зеркала также используются в качестве широкоугольных зеркал в коридорах и на предприятиях для обеспечения безопасности. Самые забавные приложения для изогнутых зеркал — это новые зеркала, которые можно найти на государственных ярмарках, карнавалах и в домах смеха. Эти зеркала часто включают в себя смесь вогнутых и выпуклых поверхностей или поверхностей, которые плавно изменяют кривизну, создавая причудливые искаженные отражения, когда люди наблюдают за собой.

Ложки можно использовать для имитации выпуклых и вогнутых зеркал, как показано на рисунке 4 для отражения молодой женщины, стоящей у деревянного забора. Когда изображение женщины и забора отражается от внешней поверхности чаши (выпуклой) ложки, изображение прямое, но искаженное по краям, где изменяется кривизна ложки. Напротив, когда обратная сторона ложки (внутренняя чаша или вогнутая поверхность) используется для отражения сцены, образ женщины и забора переворачивается.

Вогнутые сферические зеркала

Объект, находящийся за центром кривизны вогнутого зеркала, формирует действительное перевернутое изображение между фокальной точкой и центром кривизны. В этом интерактивном руководстве показано, как перемещение объекта дальше от центра кривизны влияет на размер реального изображения, формируемого зеркалом.

Начальное руководство

Картины отражения, полученные как от вогнутого, так и от выпуклого зеркал, представлены на рис. 5. Вогнутое зеркало имеет отражающую поверхность, которая изгибается внутрь, напоминая часть внутренней части сферы. Когда световые лучи, параллельные главной или оптической оси, отражаются от поверхности вогнутого зеркала (в данном случае световые лучи от лап совы), они сходятся в фокусе (красная точка) перед зеркалом. Расстояние от отражающей поверхности до точки фокусировки называется фокусным расстоянием зеркала. Размер изображения зависит от расстояния объекта от зеркала и его положения относительно зеркальной поверхности. В этом случае сова находится вдали от центра кривизны, а отраженное изображение перевернуто и расположено между центром кривизны зеркала и его фокальной точкой.

Выпуклое зеркало имеет отражающую поверхность, изогнутую наружу, напоминающую часть внешней стороны сферы. Световые лучи, параллельные оптической оси, отражаются от поверхности в направлении, расходящемся от точки фокуса, находящейся за зеркалом (рис. 5). Изображения, сформированные с помощью выпуклых зеркал, всегда располагаются правой стороной вверх и уменьшаются в размере. Эти изображения также называются виртуальными изображениями, потому что они возникают там, где отраженные лучи кажутся расходящимися от фокуса за зеркалом.

Отражение света в драгоценных камнях

Способ огранки драгоценных камней является одним из наиболее эстетически важных и приятных применений принципов отражения света. В частности, в случае бриллиантов красота и экономическая ценность отдельного камня во многом определяются геометрическими соотношениями внешних граней (или граней) драгоценного камня. Грани бриллианта спланированы таким образом, чтобы большая часть света, падающего на переднюю грань камня, отражалась обратно к наблюдателю (рис. 6). Часть света отражается непосредственно от наружных верхних граней, но часть проникает в алмаз и после внутреннего отражения отражается обратно из камня от внутренних поверхностей нижних граней. Эти внутренние пути лучей и множественные отражения ответственны за сияние бриллианта, часто называемое его «огонь». Интересным последствием идеально ограненного камня является то, что он будет иметь яркое отражение, если смотреть спереди, но будет казаться более темным или тусклым сзади, как показано на рис. 6.9.0003

Световые лучи отражаются от зеркал под всеми углами, под которыми они падают. Однако в некоторых других ситуациях свет может отражаться только под некоторыми углами, но не под другими, что приводит к явлению, известному как полное внутреннее отражение. Это можно проиллюстрировать на примере ситуации, когда водолаз, работающий под поверхностью совершенно спокойной воды, светит ярким фонариком прямо вверх, на поверхность. Если свет падает на поверхность под прямым углом, он выходит прямо из воды в виде вертикального луча, проецируемого в воздух. Если луч света направлен под небольшим углом к ​​поверхности, так что он падает на поверхность под косым углом, луч выйдет из воды, но преломится к плоскости поверхности. Угол между выходящим лучом и поверхностью воды будет меньше, чем угол между лучом света и поверхностью под водой.

Если дайвер продолжает направлять свет под большим углом к ​​поверхности, луч, поднимающийся из воды, будет все ближе и ближе к поверхности, пока в какой-то момент он не станет параллельным поверхности. Из-за искривления света из-за преломления выходящий луч станет параллельным поверхности до того, как свет под водой достигнет того же угла. Точка, в которой выходящий луч становится параллельным поверхности, находится под критическим углом для воды. Если свет направить еще дальше, ничего из него не появится. Вместо того, чтобы преломляться, весь свет будет отражаться от поверхности воды обратно в воду, как если бы он отражался от поверхности зеркала.

Выпуклые сферические зеркала

Независимо от положения объекта, отражаемого выпуклым зеркалом, формируемое изображение всегда мнимое, прямое и уменьшенное. В этом интерактивном учебном пособии показано, как перемещение объекта дальше от поверхности зеркала влияет на размер виртуального изображения, формируемого за зеркалом.

Начало обучения

Полное внутреннее отражение света

Принцип полного внутреннего отражения лежит в основе передачи света по оптоволоконному кабелю, что делает возможными медицинские процедуры, такие как эндоскопия, передачу голоса по телефону, закодированную в виде световых импульсов, и такие устройства, как волоконно-оптические осветители, которые широко используются в микроскопии и других задачах, требующих прецизионные световые эффекты. Призмы, используемые в биноклях и однообъективных зеркальных камерах, также используют полное внутреннее отражение для направления изображения через несколько 9под углом 0 градусов и в глаза пользователю. В случае оптоволоконной передачи свет, попадающий на один конец волокна, многократно отражается внутри от стенки волокна по мере того, как он движется зигзагами к другому концу, при этом ни один свет не выходит через тонкие стенки волокна. Такой способ «трубопровода» света можно поддерживать на больших расстояниях и с многочисленными поворотами по ходу волокна.

Полное внутреннее отражение возможно только при определенных условиях. Свет должен распространяться в среде с относительно высоким показателем преломления, и это значение должно быть выше, чем у окружающей среды. Поэтому вода, стекло и многие пластмассы пригодны для использования, когда они окружены воздухом. Если материалы выбраны правильно, отражение света внутри волокна или световода будет происходить под небольшим углом к ​​внутренней поверхности (см. рис. 7), и весь свет будет полностью удерживаться внутри световода, пока не выйдет на дальнем конце. . Однако на входе в оптическое волокно свет должен падать на конец под большим углом падения, чтобы пересечь границу и попасть в волокно.

Принципы отражения с большим успехом используются во многих оптических инструментах и ​​устройствах, и это часто включает в себя применение различных механизмов для уменьшения отражений от поверхностей, которые участвуют в формировании изображения. Концепция антиотражающей технологии заключается в управлении светом, используемым в оптическом устройстве, таким образом, чтобы световые лучи отражались от поверхностей, где это необходимо и полезно, и не отражались от поверхностей, где это могло бы оказать вредное влияние на изображение. наблюдается. Одним из наиболее значительных достижений в современной конструкции линз, будь то для микроскопов, камер или других оптических устройств, является улучшение технологии просветляющего покрытия.

Просветляющие покрытия поверхности

Изучите, как различные комбинации просветляющих покрытий влияют на процентную долю света, прошедшего через поверхность линзы или отраженного от нее. Учебное пособие также исследует отражательную способность как функцию угла падения.

Начало обучения

Использование просветляющих покрытий для уменьшения нежелательных отражений света

Тонкие покрытия из определенных материалов при нанесении на поверхности линз могут помочь уменьшить нежелательные отражения от поверхностей, которые могут возникнуть при прохождении света через систему линз. Современные объективы с высокой степенью коррекции оптических аберраций обычно имеют несколько отдельных линз или элементов линз, которые механически удерживаются вместе в оправе или трубке линзы и более правильно называются линзой или оптической системой. Каждая поверхность раздела воздух-стекло в такой системе, если на нее не нанесено покрытие для уменьшения отражения, может отражать от четырех до пяти процентов падающего светового луча по нормали к поверхности, что приводит к коэффициенту пропускания 9.от 5 до 96 процентов при нормальной заболеваемости. Нанесение просветляющего покрытия толщиной в четверть длины волны со специально подобранным показателем преломления может повысить коэффициент пропускания на три-четыре процента.

Современные объективы для микроскопов, а также объективы, разработанные для камер и других оптических устройств, становятся все более сложными и сложными и могут иметь 15 или более отдельных линз с несколькими интерфейсами воздух-стекло. Если бы ни один из элементов не был покрыт, потери на отражение в линзе только от осевых лучей снизили бы коэффициент пропускания примерно до 50 процентов. В прошлом однослойные покрытия использовались для уменьшения бликов и улучшения светопропускания, но они были в значительной степени вытеснены многослойными покрытиями, которые могут обеспечивать значения коэффициента пропускания, превышающие 99,9 процента для видимого света.

На рис. 8 схематично показаны световые волны, отражающиеся от и/или проходящие через линзу, покрытую двумя противоотражающими слоями. Падающая волна падает на первый слой (слой A на рис. 8) под углом, в результате чего часть света отражается (R0), а часть проходит через первый слой. При встрече со вторым просветляющим слоем (Слой B) другая часть света (R1) отражается под тем же углом и интерферирует со светом, отраженным от первого слоя. Часть оставшихся световых волн продолжается на поверхности стекла, где они снова частично отражаются и частично пропускаются. Свет, отраженный от поверхности стекла (R2), интерферирует (как конструктивно, так и деструктивно) со светом, отраженным от просветляющих слоев. Показатели преломления антиотражающих слоев отличаются от показателей преломления стекла и окружающей среды (воздуха) и тщательно подбираются в соответствии с составом стекла, используемого в конкретном элементе линзы, для получения желаемых углов преломления. Когда световые волны проходят через просветляющие покрытия и поверхность стеклянной линзы, почти весь свет (в зависимости от угла падения) в конечном итоге проходит через элемент линзы и фокусируется для формирования изображения.

Фторид магния является одним из многих материалов, используемых для тонкослойных оптических просветляющих покрытий, хотя большинство производителей микроскопов и линз в настоящее время производят свои собственные запатентованные составы покрытий. Общим результатом этих антиотражающих мер является резкое улучшение качества изображения в оптических устройствах за счет увеличения пропускания видимых длин волн, уменьшения бликов от нежелательных отражений и устранения помех от нежелательных длин волн, лежащих за пределами спектра видимого света.

Отражение видимого света — это свойство поведения света, которое является фундаментальным в работе всех современных микроскопов. Свет часто отражается одним или несколькими плоскими (или плоскими) зеркалами внутри микроскопа, чтобы направить световой путь через линзы, формирующие виртуальные изображения, которые мы видим в окулярах (окулярах). В микроскопах также используются светоделители, позволяющие отражать часть света, одновременно пропуская часть света к различным частям оптической системы. Другие оптические компоненты микроскопа, такие как специально разработанные призмы, фильтры и покрытия линз, также выполняют свои функции по формированию изображения, в решающей степени опираясь на явление отражения света.

Соавторы

Томас Дж. Феллерс и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 East Paul Dirac Dr., Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Извините, этой страницы нет
доступен в вашей стране.

Лучевая модель света

У нас большой опыт работы со светом. Одна из первых задач новорожденного — научиться интерпретировать свет, получаемый его глазами, и разбирать мир на объекты. Мы живем со светом каждый день и интерпретируем его естественно, автоматически и не думая об этом. Но понять, что происходит и что такое свет, не так уж и просто.

На протяжении веков некоторые люди относились к свету как к своего рода прикосновению — как будто мы протягивали взгляд, чтобы получить информацию, а не собирали информацию, которая попадала в наши глаза естественным образом. В этом есть смысл, поскольку в младенчестве мы учимся видеть, сопоставляя сигналы, получаемые нашими глазами, с тем, что мы чувствуем, когда прикасаемся к ним. У нас все еще есть кое-что из этого в обычной речи: ощущение, что вы можете «чувствовать», когда кто-то смотрит на вас, даже если вы этого не видите. Тщательные эксперименты показывают, что это не так. (Есть животные, которые посылают сигналы и исследуют мир посредством отражения сигналов — например, дельфины и летучие мыши, — но они используют звук, а не свет.) Рентгеновское зрение Супермена не будет работать, потому что рентгеновские лучи проходят насквозь. объект или поглощаются. Они никогда не вернутся к его глазам, чтобы он мог интерпретировать сигнал.

Чтобы построить модель того, что «есть» свет, нам нужно развить представление о природе явления: что это за свет и как он себя ведет. Хотя многие из принципов лучевой модели света были известны грекам 2000 лет назад и были улучшены и уточнены арабами 1000 лет назад, мы опишем лучевой подход к свету с точки зрения модели, разработанной Ньютоном в 1600-х годах. поскольку он был первым, кто построил теоретическую основу того, что может быть светом, а не просто описание того, как он себя ведет.

Повседневный опыт: Феноменологические точки опоры

При выяснении того, что наш опыт говорит нам о свете, мы начинаем с основного предположения

Свет — это некая субстанция, которая путешествует и несет информацию.

«Путешествие» не очевидно. Свет движется так быстро, что технология прямого измерения его скорости не была доступна до середины 1800-х годов. (Хотя Ремер вывел значение скорости света из небольших отклонений от предсказания законов движения Ньютона об орбитах спутников Юпитера в конце 1600-х гг.)

Из нашего опыта со светом, тьмой и тенями мы можем вывести некоторые основные идеи:

• Некоторые объекты (солнце, огонь, лампочки) излучают свет.
• Другие объекты рассеивают этот свет, как правило, во всех направлениях.
• Мы видим что-то только тогда, когда исходящий от него свет попадает в наши глаза.
• Свет обычно состоит из смеси различных видов света — цветов, — которые можно разделить, пропуская свет через призму (стеклянный треугольник).
• В однородной среде — воздухе, стекле, воде — свет распространяется прямолинейно.

Часть света, движущаяся по прямой линии, называется лучом света .

Это дает нам простую картину обычного зрения.

Свет от одного из источников света распространяется во всех направлениях по прямым линиям. Когда он попадает в какой-либо объект, он рассеивается из каждой точки во всех направлениях. Некоторые из этих лучей попадают в наши глаза и позволяют нам видеть объект. Мы можем заключить, что свет рассеивается во всех направлениях, поскольку одно и то же пятно могут видеть многие люди в разных местах.

Интересный вывод. Свет, падающий на наши глаза от стены классной комнаты, не мешает учащемуся, смотрящему сквозь этот свет, видеть проекционный экран в передней части комнаты.

Из этого мы можем сделать вывод

• Свет невидим (прозрачен) и не мешает другому свету, проходящему через него.

Странное заявление! Как свет может быть невидимым, если это то, что мы видим? Это просто означает, что мы не можем этого видеть , если только не попадется нам на глаза. Свет не рассеивается от света; лучи света просто проходят друг через друга, не мешая своему путешествию. (Это должно напомнить вам о нашем принципе суперпозиции волн.) Это хорошо известный принцип дразнения кошек — поскольку они могут видеть световое пятно только тогда, когда оно рассеивается от стены, а не когда оно движется от лазера к стене. .

Интересный эксперимент: посветите лазерным лучом на стену. Пятно видно, а пучок (луч) от лазера на стену — нет — если только не посыпать пыль на его пути!

Эти опорные идеи приводят к анализу теней и света, проходящих через отверстия в экранах. Это звучит тривиально, но это не так! (См. очень хороший урок «Свет и тень» в Tutorials in Introductory Physics , подготовленной Физической образовательной группой Вашингтонского университета. )

Для завершения модели луча необходимы еще два феноменологических принципа: что происходит, когда луч попадает на зеркало ( отражение ) и что происходит, когда оно пересекает границу между двумя прозрачными средами ( преломление ).

• Отражение : Когда луч света попадает на гладкую полированную поверхность (зеркало), он отражается не случайным образом, а закономерно. Входящий угол с нормалью (перпендикуляром) к поверхности равен исходящему углу с нормалью; или, короче, в зеркале угол падения (θ _i ) равен углу отражения (θ _r ).

• Преломление: Каждая прозрачная среда имеет связанную с ней безразмерную постоянную, называемую показателем преломления, $n$. При переходе светового луча из одной прозрачной среды в другую он отклоняется к нормали к границе раздела или отклоняется от нее в соответствии с 9.0158 Закон Снелла . Для вакуума мы определяем   $n=1$ . (Мы можем выбрать n равным единице для чего-то, поскольку все эксперименты по измерению n связаны друг с другом.)

$$n_1 \sin{θ_1} = n_2 \sin{θ_2}$$

Обратите внимание, что как в случае отражения, так и в случае преломления углы измеряются к нормали , а НЕ к поверхности!

Когда эти принципы добавляются к нашей психологической интерпретации света, можно получить огромное количество ценных результатов. Подробные примеры см. в последующих разделах.

Модель частиц Ньютона: теория лучей

Ньютон не был удовлетворен этими основополагающими принципами, большинство из которых уже были известны, когда он начал думать о свете в молодости, когда бежал из Лондона во время чумы. (Он действительно открыл принцип цвета.) Его всегда интересовал механизм — что такое вещей — и математизация — каким математическим правилам они следовали; и конечно, как все это совмещалось?

Он предложил идею о том, что свет состоит из маленьких частиц, движущихся очень и очень быстро. В результате казалось, что они двигаются по прямой линии. Хотя гравитация заставит их упасть, это будет крошечный и незначительный эффект. (Из-за высокой скорости света у него не было бы времени упасть очень далеко.) Отражение получилось просто при условии упругого отскока и отсутствия трения на поверхности, так что составляющая скорости, параллельная поверхности, оставалась неизменной, а один перпендикуляр к нему только что перевернут.

Чтобы получить закон Снеллиуса, придерживаясь идеи, что трения на поверхности нет, поэтому параллельная поверхности составляющая скорости не изменилась, ему пришлось предположить, что частица света движется на быстрее в более плотной середина. По мере того, как составляющая скорости, перпендикулярная поверхности, становилась длиннее, она изгибала вектор скорости по направлению к нормали — точно так, как наблюдалось.

Модель Ньютона неверна в отношении природы света, но, тем не менее, чрезвычайно полезна. На самом деле свет движется медленнее в плотных средах (в отличие от звука). Но модель Ньютона господствовала над конкурирующей волновой моделью Гюйгенса в течение 100 лет, отчасти потому, что о модели Гюйгенса было намного труднее думать, отчасти из-за престижа Ньютона, а отчасти потому, что она дала отличные результаты для проектирования оптических инструментов. — телескопы, микроскопы и очки — и до сих пор используется в оптометрии. Современная фотонная модель представляет собой сложное переплетение корпускулярной и волновой моделей. Модель частиц Ньютона по-прежнему является полезным способом осмысления большинства ситуаций с лучами.

Психология: как мы видим, глядя

Чтобы завершить лучевую модель, мы должны добавить некоторые дополнительные опорные принципы, но психологические, а не физические.

Нас интересует, как модель лучей говорит нам о том, как выглядят вещи, но, несмотря на нашу склонность предполагать, что «то, что мы видим, есть то, что есть», наш мозг играет огромную роль в интерпретации того, что мы видим. В каждой сетчатке есть отверстие — диск зрительного нерва, где проходит кабель нервов, по которому сигналы, полученные глазом, возвращаются в мозг. Мозг компенсирует этот неудачный замысел, «заполняя» его правдоподобными продолжениями. (Это приводит к некоторым хорошим демонстрациям «слепых зон».)

Прекрасная демонстрация того факта, что мозг интерпретирует зрительные сигналы, а не просто «видит» их напрямую, — это демонстрация Эда Адельсона Checkershadow , показанная справа. Удивительно, но два квадрата, обозначенные буквами А и В, имеют одинаковый оттенок серого. Проверьте это сами, распечатав его и вырезав, или воспользовавшись программой обрезки, чтобы вырезать изображения двух квадратов на экране и поместить их рядом друг с другом. Некоторые компьютеры поставляются с цифровым измерителем цвета, который позволяет считывать детали цвета для каждого пикселя на экране. (На Mac ищите DigitalColorMeter в Applications/Utilities.) Мозг здесь на самом деле не ошибается; это интерпретация информации с использованием контекста. Если две области имеют одинаковый цвет и одна находится в свете, а другая в тени, то «на самом деле» (при отображении в одном и том же свете) та, что в тени, будет светлее — и ваш мозг на самом деле обрабатывает это и показывает вам это автоматически. .

Это действительно удивительно, если подумать о том, как мозг объединяет информацию, которую он получает от двух двухмерных сетчаток, в физический трехмерный мир, анализируя то, что представляет собой всего лишь цветные точки, на отдельные объекты. На момент написания этой статьи процесс понят лишь частично.

Вопрос, который мы хотим задать: Как мы узнаем, где что-то находится, глядя? Хотя мозг использует много различных подсказок, чтобы поместить объекты в трехмерное поле, используя свою двухмерную информацию — движение, когда мы двигаем глазами или головой, нечеткость (для очень удаленных объектов) и ожидания (мы знаем, насколько велико это действительно так, и интерпретируйте, насколько оно далеко, по тому, насколько большим оно кажется) — мы сосредоточимся на бинокулярном зрении: использовании двух перспектив.

Хрусталик глаза и конкретный пиксель (палочка или колбочка), на который падает часть света, определяют направление, при условии, что свет движется по прямой линии. Если оба глаза обнаружат немного света, исходящего из одной и той же точки на объекте, два луча вернутся в одну и ту же точку. (Оставьте пока нейробиологам вопрос о том, как мозгу удается определить, какие части света идут вместе!) Углы между двумя направлениями позволяют нам сказать, откуда пришел свет. Поэтому мы предлагаем следующий опорный психологический принцип.

• Наш мозг сравнивает изображения двух глаз друг с другом, сопоставляя точки по контексту. Затем мозг определяет расстояние до точки на объекте, отслеживая обратные лучи и предполагая, что точка находится в точке схождения отслеживаемых обратных лучей.

С помощью этих нескольких принципов можно сделать необычайно много оптики, давая нам мощный набор инструментов для улучшения нашего зрения, «обманывая» наш мозг с помощью искривления света. (См. очень хороший урок «Как определить, где находятся предметы, глядя» в «Учебных пособиях по физике, создающих смысл», исследовательской группы физического образования Университета Мэриленда.