03. Плоское зеркало

Понятие зеркала и плоского зеркала

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

Зеркало – это гладкая поверхность, которая отражает излучение (рис. 1). Оптические зеркала – это обычно полированные металлы или стекла, которые отражают почти весь видимый свет (рис. 2).

Зеркала бывают трех видов – плоские, вогнутые и выпуклые.

Плоские зеркала отражают излучения без искажений и дают изображение, близкое к оригиналу (рис. 3).

Вогнутые – концентрируют энергию излучения (рис. 4).

Выпуклые – рассеивают (рис. 5).

На сегодняшнем уроке мы подробнее поговорим о плоском зеркале.

Плоское зеркало – это плоская поверхность, зеркально отражающая свет (рис. 6).

Образование изображения в плоском зеркале

Рассмотрим, как образуется изображение в плоском зеркале.

Пусть из точечного источника света S на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из множества падающих лучей выделим лучи SA, SB и SC. Пользуясь законами отражения света, построим отраженные лучи AA₁, BB₁, CC₁ (рис. 7). 

Эти лучи пойдут также расходящимся пучком. Если продолжить их в противоположном направлении, все они пересекутся в одной точке S₁, расположенной за зеркалом. Нам будет казаться, что эти лучи выходят из точки S₁, хотя в действительности никакого источника света в этой точке не существует. Поэтому точку S₁ называют мнимым изображением точки S (рис. 8).

Зеркальное и рассеянное отражение света. Поглощение 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. 9).

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.

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.

Виды оптических изображений

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. 10).

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 (рис. 11)

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.

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 (рис. 12). 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

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.

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 незажженную 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 MN, зажженной свечи SS и незажженной свечи S₁.

Эта точка также показывает местоположение изображения зажженной свечи (рис. 13). Если теперь соединить точки S и S₁ и провести необходимые измерения, то мы убедимся, что прямая MN перпендикулярна отрезку SS₁, а длина отрезка SO равна длине отрезка S₁O.

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. 14).

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. 15).

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.

Решение задач

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. 16).

AB – человек, A₁B₁ – изображение человека в зеркале, точка C – глаз человека. Чтобы зеркало было минимального размера, края зеркала D и E должны располагаться на прямых CA₁ и CB₁. Если точка D 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.

DE – отрезок, параллельный прямым AB и A₁B₁ и расположенный на одинаковом расстоянии от них. Значит, это средняя линия треугольника CA₁B₁. Пусть она равна половине основания треугольника или половине роста человека (рис. 17).

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

Задача № 3

Высота солнца над горизонтомПод каким угломк 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. 18).

Так как

То

Докажем, что.

По закону отражения, а значит, и.

Т. к.,

По закону отражения

Теперь рассмотрим.

 ,.

Поскольку угол падения равен углу отражения, то угол, и тогда

Задача решена.

Итоги урока

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.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)

2. Интернет-портал «tak-to-ent.net» (Источник)

Домашнее задание

1. Задание 1. Угол падения луча равен 60°. Чему равен угол отражения луча?

2. Задание 2. Девочка стоит на расстоянии одного метра от плоского зеркала. На каком расстоянии от себя она видит в нем свое изображение?

3. Задание 3. При каком угле падения луча на зеркало падающий и отраженный лучи совпадают?