Понятие зеркала и плоского зеркала

Данный урок посвящен плоскому зеркалу. Вы узнаете виды зеркал и виды оптических изображений. Познакомитесь с общими характеристиками изображений в плоских зеркалах, а также с зеркальным и рассеянным отражением света и поглощением света. В конце урока приведены интересные факты о зеркалах.

Понятие зеркала и плоского зеркала

На сегодняшнем уроке речь пойдет о зеркалах, а точнее – о плоском зеркале.

Зеркало – это гладкая поверхность, которая отражает излучение. Оптические зеркала – это обычно полированные металлы или стекла, которые отражают почти весь видимый свет.

Зеркала бывают трех видов – плоские, вогнуты и выпуклые.

Плоские зеркала отражают излучения без искажений и дают изображение, близкое к оригиналу (рис. 1).

Рис. 1. Отражение в плоском зеркале

Вогнутые – концентрируют энергию излучения (рис. 2).

Рис. 2. Отражение в вогнутом зеркале

Выпуклые – рассеивают (рис. 3).

Рис. 3. Отражение в выпуклом зеркале

На сегодняшнем уроке мы подробнее поговорим о плоском зеркале.

Плоское зеркало – это плоская поверхность, зеркально отражающая свет.

Образование изображения в плоском зеркале

Рассмотрим, как образуется изображение в плоском зеркале.

Пусть из точечного источника света на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света.

Из множества падающих лучей выделим лучи,  и .

Пользуясь законами отражения света, построим отраженные лучи , ,.

Рис. 4. Построение отраженных лучей

Эти лучи пойдут также расходящимся пучком. Если продолжить их в противоположном направлении, все они пересекутся в одной точке , расположенной за зеркалом. Нам будет казаться, что эти лучи выходят из точки , хотя, в действительности, никакого источника света в этой точке не существует. Поэтому точку  называют мнимым изображением точки .

Рис. 5. Построение мнимого изображения

Виды оптических изображений

Давайте поговорим о том, какие виды оптических изображений существуют и что такое оптическое изображение.

Оптическое изображение – это картина, получаемая в результате прохождения через оптическую систему световых лучей, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали.

Различают два случая: действительное изображение и мнимое изображение.

Действительное изображение создается, когда после всех отражений и преломлений лучи, вышедшие из одной точки предмета, собираются в одну точку (рис. 6).

Рис. 6. Действительное изображение

Действительное изображение нельзя видеть непосредственно, можно увидеть его проекцию, поставив рассеивающие экраны.

Действительное изображение создается такими оптическими системами, как объектив кинопроектора или фотоаппарата или собирающая линза.

Мнимое изображение – такое изображение, которое можно видеть глазом.

При этом каждой точке предмета соответствует выходящий из оптической системы пучок лучей, которые, если продолжить их обратно прямыми линиями, сошлись бы в одной точке. Возникает видимость, что пучок выходит именно оттуда.

Мнимое изображение создается такими системами, как бинокль, микроскоп, отрицательная или положительная линза, лупа, а также плоское зеркало. Плоское зеркало дает именно мнимое изображение.

Демонстрация: расположение предмета и его изображения относительно плоского зеркала

Проведем демонстрацию, с помощью которой выясним, как расположены предмет и его изображение относительно плоского зеркала.

Возьмем плоское стекло, закрепленное вертикально. С одной стороны стекла установим горящую свечу, с другой стороны – точно такую же, но не зажженную. Передвигая не зажженную свечу, найдем такое ее расположение, когда эта свеча будет казаться горящей. В этом случае незажженная свеча окажется в месте, где наблюдается в стекле изображение горящей свечи.

Схематично изобразим местоположение стекла – прямая линия, зажженной свечи  и не зажженной свечи .

Эта точка также показывает местоположение изображения зажженной свечи (рис. 7). Если теперь соединить точки  и  и провести необходимые измерения, то мы убедимся, что прямая  перпендикулярна отрезку _, а длина отрезка  равна длине отрезка .

Рис. 7. Местоположение изображения горящей свечи

Демонстрация: характеристики изображений в плоских зеркалах

Проведем еще ряд демонстраций, которые позволят нам охарактеризовать изображения в плоских зеркалах.

Возьмем плоское зеркало, линейку и ластик. Сначала линейку расположим так, чтобы ее ноль располагался около зеркала (рис. 8).

Рис. 8. Характеристика расстояния от зеркала до предмета и его изображения

В результате мы увидим, что расстояние от зеркала до предмета равно расстоянию от зеркала до изображения предмета в зеркале. Сделаем на ластике отметку. Мы увидим, что изображение в зеркале симметрично самому предмету, однако не является тождественным (рис. 9).

Рис. 9. Симметричность предмета и его изображения в зеркале

Благодаря проведенным демонстрациям, можно установить общие характеристики изображений в плоских зеркалах:

1. Плоское зеркало дает мнимое изображение предмета.

2. Изображение предмета в плоском зеркале равно по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и предмет.

3. Прямая, которая совмещает точку на предмете с соответствующей ей точкой на изображении предмета в зеркале, перпендикулярна поверхности зеркала.

Зеркальное и рассеянное отражение света

Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое отражение в оконном стекле, однако стоит нам задернуть шторы, и изображение пропадает. Мы не видим своего отражения в ткани.

Это связано с двумя физическими явлениями. Одно из них – отражение света.

Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от зеркальной поверхности. Если свет отражается от неровной и шероховатой поверхности, то такое отражение называется рассеянным, или диффузным (рис. 10).

Рис. 10. Отражение света от зеркальной и от шероховатой поверхностей

На такой поверхности нельзя получить изображение. Даже некоторые гладкие на ощупь поверхности, такие как кусок пластика или обложка книги, для света являются недостаточно гладкими, свет отражается от таких поверхностей рассеянно.

Поглощение света

Другое физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение, – это поглощение света. Физические тела могут не только отражать свет, но и поглощать его. Наилучший отражатель света – зеркало, оно отражает более 90% света, падающего на него. Хорошими отражателями являются также тела белого цвета, именно поэтому в солнечный зимний день, когда все бело от снега, мы жмуримся, защищая глаза от яркого света. А вот черная поверхность поглощает практически весь свет, например, на черный бархат можно смотреть, не жмурясь даже при самом ярком освещении.

Интересные факты

Существуют так называемые полупрозрачные зеркала, или, как их иногда называют, зеркальные, или односторонние стекла.

Такие стекла применяются для скрытого наблюдения за людьми в целях контроля за поведение или шпионажа. При этом шпион находится в темном помещении, а объект наблюдения – в светлом. Принцип действия зеркального стекла в том, что тусклый шпион не виден на фоне яркого зеркального отражения. Полупрозрачных зеркал, которые пропускали бы свет в одну сторону и не пропускали в другую, не существует.

Зеркальное отражение очень сильно действовало на людей, впервые столкнувшихся с возможностью существования второго я. Именно поэтому они приписывали своему отражению в зеркале самые различные характеристики. Изначально говорили, что в зеркале отражен кто-то другой, а затем, что в зеркале отражается душа человека. Именно с этим связано большое количество предрассудков, примет и обычаев, связанных с зеркалами. Если говорить о предрассудках, то запрещалось смотреть в осколки разбитого зеркала, также с этим связана такая традиция, как завешивание зеркал на 9 дней после смерти человека.

В греческой мифологии Персей убил Медузу Горгону, пользуясь блестящим щитом как зеркалом. Взгляд Горгоны превращал людей в камень.

Литературный прием зазеркалья широко используется авторами книг, наибольшую известность приобрела дилогия Льюиса Кэрролла «Алиса в Стране Чудес» и «Алиса в Зазеркалье». Аналогичный прием использовал Гастон Леру в книге « Призрак оперы»: Кристина попадает в подземное жилище Призрака через зеркало. Через зеркало в Королевство Кривых Зеркал попадает Оля, героиня повести-сказки Виталия Губарева «Королевство Кривых Зеркал». В других произведениях зеркало является источником видений, так, в «Сказке о мертвой царевне и семи богатырях» зеркало рассказывало злой мачехе, кто красивее ее, во «Властелине колец» зеркало Галадриэль показывало смотрящему в него видения из прошлого, настоящего и будущего. В книге «Гарри Поттер и философский камень» зеркало ЕИНАЛЕЖ показывало самые сокровенные желания человека. Согласно некоторым поверьям, вампиры не отражаются в зеркалах. В диснеевском аттракционе «Призрачное поместье» есть бесконечный зал Endless hallway, где эффект бесконечности получается за счет двух зеркал, направленных друг на друга на небольшом расстоянии, плюс в этом зале есть парящий в воздухе канделябр. «Призрачное поместье» является первым аттракционом, в котором используются зеркала как для украшения какого-либо помещения, так и для создания оригинального эффекта. Не так давно в новых американских аттракционах ужаса появились зеркальные лабиринты. В России первые зеркальные лабиринты появились в Санкт-Петербурге и приобрели большую популярность в развлекательной индустрии.

Задача № 1

Почему на машинах скорой помощи надписи пишутся «перевернутыми»?

Решение

Водители других автомобилей должны быстро и безошибочно определить машину скорой помощи в потоке других машин, чтобы уступить ей дорогу. Такая ситуация возникает тогда, когда скорой помощи необходимо обогнать автомобиль и водитель может увидеть ее только в зеркало заднего вида.

Как мы уже знаем, изображение в зеркале не является тождественным, а является симметричным. Поэтому на машине скорой помощи пишут текст «перевернутым», чтобы водитель в зеркале заднего вида видел правильную надпись и мог своевременно совершить необходимые маневры.

Задача № 2

Какая минимальная высота должна быть у плоского зеркала, чтобы вы могли увидеть себя в нем в полный рост?

Решение

Изображение в зеркале равно предмету, расположенному перед зеркалом, и находится на том же расстоянии от зеркала, что и предмет. Нарисуем рисунок с изображением человека, стоящего перед зеркалом (рис. 11).

Рис. 11. Изображение человека, стоящего перед зеркалом

 – человек,  – изображение человека в зеркале, точка  – глаз человека. Чтобы зеркало было минимального размера, края зеркала  и  должны располагаться на прямых  и . Если точка  будет выше этой прямой, то ее можно опустить, уменьшив высоту зеркала.

А если она будет ниже прямой, то мы не увидим часть головы нашего изображения в зеркале.

 – отрезок, параллельный прямым  и  и расположенный на одинаковом расстоянии от них. Значит, это средняя линия треугольника . Пусть она равна половине основания треугольника или половине роста человека (рис. 12).

Рис. 12. Треугольник 

Таким образом, минимальная высота такого плоского зеркала равна половине роста человека.

Задача № 3

Высота солнца над горизонтом . Под каким углом  к горизонту следует расположить зеркало, чтобы осветить «зайчиком» дно глубокого колодца?

Решение задачи

Зеркало нужно расположить так, чтобы отраженный от него луч пошел вертикально вниз (рис. 13).

Рис. 13. Схема расположения луча и его отражения

Запишем закон отражения света, из которого получим, что поскольку угол падения равен углу отражения (рис. 14), то:

Рис. 14. Угол падения и угол отражения луча

Задача решена.

Вывод

На этом уроке вы познакомились с плоским зеркалом, видами оптических изображений и общими характеристиками изображений в плоских зеркалах, а также с зеркальным и рассеянным отражением света и поглощением света.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.

2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.