簡介
反射定律指光射到一個界面上時,其入射光線與反射光線成相同角度。光入射到不同介質的界面上會發生反射和折射。而反射時會出現以下情況:
反射線跟入射線和法線在同一平面内。反射線和入射線分居法線兩側,并且與界面法線的夾角(分别叫做入射角和反射角)相等。反射角等于入射角。
光從一種均勻物質射向另一種均勻物質時,會在它們的分界面上改變傳播方向。此時,入射光線,反射光線,法線在同一平面内。
發展簡史
光的反射定律由法國土木工程兼物理學家菲涅耳(1788~1827)提出。他發現了反射/折射與視點角度之間的關系。因此,光的反射又稱為菲涅爾反射。
如果你站在湖邊,低頭看腳下的水,你會發現水是透明的,反射不是特别強烈;如果你看遠處的湖面,你會發現水并不是透明的,但反射非常強烈。這就是“菲涅爾效應”。
在真實世界中,除了金屬之外,其它物質均有不同程度的“菲涅爾效應”。
定律定義
(1)光反射時,反射光線、入射光線、法線都在同一平面内。(同一平面内)
(2)光反射時,反射光線、入射光線分居法線兩側。(居兩側)
(3)光反射時,反射角等于入射角。(角相等)(∠r=∠i)
總結:當光射到物體表面時,有一部分被物體表面反射回去,這種現象叫做光的反射。
特殊情況:
垂直入射時,入射角反射角都是零度,法線、入射光線、反射光線合為一線。
理解
由入射光線決定反射光線,叙述時要先叙述入射光線如何變化,再叙述反射光線如何變化。
發生反射的條件:兩種介質的交界處;發生處:入射點;結果:返回原介質中。
反射角随入射角的增大而增大,減小而減小,當入射角為零時,反射角也變為零度。
上述反射定律隻适用于各向同性介質的界面,且隻解決光線的傳播方向問題而不涉及反射時的能量分配問題。光的反射與力學中彈性小球在光滑桌面上的反彈十分相似,I.牛頓曾經根據光的微粒說(見光的二象性)證明過反射定律。
光的反射定律最初是從實驗得出,根據費馬原理可證明,也可從光的波動觀點出發借助于惠更斯原理(見惠更斯-菲涅耳原理)從幾何上加以證明,或從電磁場的邊界條件出發從理論上證明。
鏡面反射與漫反射
鏡面反射
平行光線經界面反射後沿某一方向平行射出,隻能在某一方向接收到反射光線(反射面是光滑平面)。
漫反射
平行光經界面反射後向各個不同的方向反射出去,即在各個不同的方向都能接收到反射光線(反射面是粗糙平面或曲面)。
但無論是鏡面反射,還是漫反射都遵循光的反射定律;漫反射隻由于反射表面不平行成不規則的反射就是在不平的表面有些弧狀或尖銳的行狀假設有一條光線射到上面做其切線做為平面作反射線這樣就有許多的細小的“鏡子”夠成漫反射。
注意:在光的反射中光路可逆。
定律深度理解
可歸納為:“三線共面,兩線分居,兩角相等”。光具有可逆性。光的反射現象中,光路上是相等的。
實驗驗證
光的反射規律實驗
實驗目的:找出光反射時的規律。
實驗器材:平面鏡,紙闆,激光筆,直尺,量角器,筆。實驗步驟:
實驗中研究光的反射,其中選擇對光反射能力強的平面鏡做反射面,用白色硬紙闆和白紙顯示光束傳播的路徑。
(1)三幅圖分别為甲、乙、丙,按圖甲所示,先使E、F成為同一平面,使入射光線沿紙闆射向鏡面上的O點,觀察從鏡面反射的光線的方向。
(2)改變入射光線的方向,觀察反射光線的方向怎樣改變。
(3)按圖乙那樣,把紙片F向前折或向後折。
反射角和入射角的關系做實驗研究,可采取如丙圖所示的實驗裝置。
①一張16K的白紙用圖釘或透明膠條固定在水平桌面上,在白紙中間畫出直線ON作為法線;在ON的一側畫幾條角度不同的直線OA、OA1、OA2。
②讓從手電筒前面紙縫中射出的光分别沿OA、OA1、OA2射向鏡面,觀察反射光線。
③分别在每條反射光線的位置上用大頭針紮一個孔B、B1、B2。用刻度尺畫出直線分别将OB、OB1、OB2連接起來。
④再用量角器量出反射角(r)和入射角(i)的大小,并記錄大小進行比較。
⑤使光線分别沿OB、OB1、OB2射向鏡面,觀察每條反射光線的方向。
分析和論證:
(1)上述步驟1和2可看到E和F在一個平面内時有反射光線,且反射光線随着入射光線的改變而改變。
(2)按步驟3把紙片F向前折或向後折,将觀察不到反射光線。
(3)從步驟4的①-④可看出反射角等于入射角。
(4)從步驟4的⑤可看出反射時光路是可逆的。
說明:
(1)光的反射定律可概括為十二個字三線共面,兩線分居,兩角相等。
(2)反射定律的第三條反射角等于入射角,不能說入射角等于反射角,因為先有入射,後有反射;入射在前,反射在後;入射是因,反射是果。
(3)在反射時,光路是可逆的。
适用範圍
光的反射定律适用于所有光的反射現象,不管是鏡面反射還是漫反射,都适用。光的反射定律不僅适用于垂直照射,還适用于傾斜照射。
推論
包括入射線、反射線、法線在内的平面,其在另一平面上的投影,也遵循反射定律。
光的反射定律可以由電磁場的邊界條件導出,也可以從費馬原理導出。
特殊情況
垂直入射時,入射角反射角都是零度,法線、入射光線、反射光線合為一線。可理解為:“兩角零度,三線合一”。
應用領域
(1)水中的倒影。(屬于反射)
(2)車上的後視鏡(光的反射)
(3)平面鏡成像。(呈虛像)
(4)潛望鏡。(光的反射)
(5)牙醫用的平面鏡。(光的反射)
(6)玻璃幕牆。(光的反射)
(7)自行車尾燈的設計:
利用直角平面鏡的反射規律,制成了自行車的反光燈。夜晚,汽車燈發出的光射到自行車的反光燈上時,經自行車上互成直角的兩個反射面的反射,反射光将以平行于入射光的方向反向射入司機眼睛,使司機容易發現騎自行車的人,有利于夜間行車安全。