Плоское зеркало
Введение
Каждый день мы видим себя в зеркале — когда умываемся, причесываемся или просто проверяем внешний вид. Однако редко кто задумывается, почему и как зеркало показывает наше изображение, почему оно не настоящее, а будто «находится» за стеклом, и почему надписи в зеркале выглядят перевёрнутыми.
Все эти явления объясняет геометрическая оптика — раздел физики, изучающий распространение света и образование изображений.
Одним из важнейших оптических приборов является плоское зеркало.
На первый взгляд оно кажется простым предметом, но в его основе лежат фундаментальные физические законы — законы отражения света.
В этой статье мы разберём устройство и принципы действия плоского зеркала, узнаем, как образуется изображение, и рассмотрим примеры и задачи на применение этих знаний.
Понятие зеркала и плоского зеркала
Зеркало — это поверхность, способная отражать свет так, чтобы сохранялось направление лучей.
Зеркала бывают различных форм: плоские, вогнутые и выпуклые.
Каждый тип зеркала образует изображение с особыми свойствами.
Плоское зеркало — это зеркало с идеально ровной отражающей поверхностью. Оно отражает свет зеркально, то есть лучи, падающие под одинаковым углом, отражаются под таким же углом, но в противоположном направлении.
Обычно зеркала изготавливают из стекла, на обратную сторону которого наносят тонкий слой металла (чаще всего серебра или алюминия). Стекло защищает отражающий слой от повреждений и коррозии.
Образование изображения в плоском зеркале
Когда свет от предмета падает на плоское зеркало, каждый его луч отражается по закону отражения света:
Угол падения равен углу отражения, а падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости.
Продлив отражённые лучи за зеркало, можно заметить, что они как будто исходят из точки, находящейся за зеркалом.
Эта точка называется мнимым изображением предмета.
Особенности изображения в плоском зеркале:
-
изображение мнимое (его нельзя получить на экране);
-
оно равно по размеру самому предмету;
-
находится на таком же расстоянии за зеркалом, как предмет — перед ним;
-
изображение обращено влево и вправо (зеркально).
Например, если вы поднимаете правую руку, то в зеркале кажется, что поднимается левая.
Виды оптических изображений
Изображения, получаемые при отражении или преломлении света, делятся на два типа:
-
Действительные изображения — те, которые можно получить на экране. Световые лучи действительно пересекаются в какой-то точке пространства.
Пример: изображение от линзы, проецируемое на экран. -
Мнимые изображения — те, где лучи не пересекаются реально, а только кажутся исходящими из определённой точки.
Пример: изображение в плоском зеркале.
Демонстрация: расположение предмета и его изображения относительно плоского зеркала
Пусть предмет находится перед зеркалом на расстоянии 20 см.
Изображение при этом будет находиться за зеркалом также на расстоянии 20 см, точно напротив предмета.
Если построить схему хода лучей, можно убедиться, что отражённые лучи, продлённые за зеркало, сходятся в точке, где образуется мнимое изображение.
Демонстрация: характеристики изображений в плоских зеркалах
Эксперименты показывают:
-
Изображение всегда прямое, то есть не перевёрнутое.
-
Изображение равно по размеру предмету.
-
Изображение зеркально симметрично предмету относительно плоскости зеркала.
-
Если предмет удаляется от зеркала, изображение удаляется на такое же расстояние.
Зеркальное и рассеянное отражение света
Зеркальное отражение происходит от гладких поверхностей (например, зеркала, спокойной воды). Все отражённые лучи параллельны и образуют чёткое изображение.
Рассеянное отражение наблюдается на неровных поверхностях (бумага, дерево, ткань). Лучи отражаются в разные стороны, и изображение не образуется.
Благодаря рассеянному отражению мы можем видеть предметы, которые сами не излучают свет — они просто отражают свет от источников (например, от солнца или лампы).
Поглощение света
Не весь свет отражается от поверхности — часть его поглощается материалом.
Чем темнее поверхность, тем больше света она поглощает.
Именно поэтому чёрные предметы нагреваются быстрее на солнце, а белые отражают большую часть излучения и остаются холоднее.
Интересные факты
-
Первые зеркала изготавливались из полированного металла — меди, бронзы или серебра.
-
Стеклянные зеркала начали массово производить в Венеции в XVII веке, и они считались предметом роскоши.
-
Животные, такие как дельфины, слоны и вороны, способны узнавать себя в зеркале, что говорит об их развитом самосознании.
-
В некоторых старинных домах зеркала вешали напротив окон, чтобы увеличить освещённость комнаты.
Примеры задач
Задача 1.
Предмет находится перед плоским зеркалом на расстоянии 15 см. На каком расстоянии от зеркала будет находиться его изображение?
Решение:
Изображение в плоском зеркале находится на таком же расстоянии за зеркалом, как предмет перед ним.
Значит, расстояние от предмета до изображения:
15 см (до зеркала) + 15 см (за зеркалом) = 30 см.
Ответ: 30 см между предметом и его изображением.
Задача 2.
Человек идёт к зеркалу со скоростью 1 м/с. С какой скоростью будет уменьшаться расстояние между ним и его изображением?
Решение:
При движении к зеркалу изображение «идёт навстречу» с такой же скоростью.
Следовательно, скорость сближения:
1 м/с + 1 м/с = 2 м/с.
Ответ: расстояние уменьшается со скоростью 2 м/с.
Задача 3.
Плоское зеркало установлено вертикально. Солнце находится под углом 40° к горизонту. Под каким углом к горизонту будет отражён солнечный луч?
Решение:
Закон отражения: угол падения = угол отражения.
Если солнечный луч падает под углом 40° к горизонту, то к поверхности он падает под углом
90° – 40° = 50°.
Значит, отражается он также под углом 50° к поверхности, то есть 40° к горизонту.
Ответ: отражённый луч будет направлен под углом 40° к горизонту.
Вопросы для самопроверки
-
Что называют зеркалом?
-
Как устроено плоское зеркало?
-
Почему изображение в зеркале мнимое?
-
Какие свойства имеет изображение в плоском зеркале?
-
В чём различие между действительным и мнимым изображением?
-
Чем зеркальное отражение отличается от рассеянного?
-
Почему чёрные предметы сильнее нагреваются на солнце?
-
Как изменяется расстояние между предметом и его изображением при движении?
-
Почему надписи в зеркале читаются наоборот?
-
Где в быту и технике применяются плоские зеркала?