Відображення

Говорячи про відображення світла, ми найчастіше уявляємо собі дзеркало. Саме тому словом «відображення» ми називаємо не тільки саме явище, коли світло змінює напрямок свого руху, але і те зображення, яке створюється відбитим світлом. Однак дивлячись, наприклад, на білу вату, ми також маємо справу з відображенням. Причому відображає вата нітрохи не гірше, ніж дзеркало: і в тому, і в іншому випадку ні поглинання, ні пропускання світла практично немає. Так в чому ж тоді відмінність між ватою і дзеркалом?

Нічого «хитрого» в цій відмінності немає: вата відображає (по суті, розсіює) світло на всі боки — таке відображення називають у фізиці дифузним. А для дзеркала діє закон відображення: кожен промінь світла відображається тільки в одному, строго визначеному напрямку — «кут падіння дорівнює куту відображення» (такий тип відображення називається дзеркальним). Однак це все — сухі слова. Адже перехід від дзеркального відображення до дифузного цілком можна проілюструвати не тільки формулами і кресленнями, але і цілком поетичними образами. Причому, якщо вже ми відмовилися від «сухих» слів, зробимо це за допомогою… води!

Ріс. 1

Всім знайоме образне словосполучення «дзеркальна гладь» по відношенню до поверхні води. Але це художнє найменування має і цілком виразний фізичний сенс. За відсутності вітру або течії поверхня води в невеликій водоймі — озері, ставку і навіть калюжі — буде плоскою і горизонтальною. Крім того, при великих кутах падіння (тобто при «пологому» падінні світла) коефіцієнт відображення води різко зростає, наближаючись до 100%.

Отже, плоска поверхня з високим коефіцієнтом відображення (якщо, звичайно, не дивитися прямо вниз) — ось дві властивості, що роблять невідкладну поверхню води прекрасним дзеркалом.

На зображенні 1 схематично показано відображення світла від такої поверхні і підсумкове зображення.

Ріс. 2

А тепер уявімо собі легке хвилювання. Ідеально плоска поверхня перетворилася на безліч фрагментів, нахилених під злегка відрізняються один від одного кутами. Фотографія з останньої сторінки обкладинки «Квантика» № 8, 2018 (рис. 2), — не творіння імпресіоніста, як могло здатися, а саме відображення в такому «хвилюючому дзеркалі».

Порівняйте його з репродукціями картин імпресіоністів (наприклад, малюнок 3).

Рис, 3. Клод Моне. Руанський собор, фасад (захід сонця), гармонія золотого і блакитного (1892 — 1894)

Всі контури злегка спотворюються, прямі лінії відрізняються від прямих, але несильно. В цілому, весь вигляд залишається впізнаваним. Ось «справжній» об’єкт (рис. 4), що дає таке «імпресіоністичне» відображення (рис. 5), і схема ходу відображених променів (рис. 6). (Схема ілюструє спотворення довжин відрізків; щоб показати, як спотворюються форми, перетворюючи відрізки прямих на криві, потрібно розглянути тривимірну схему.)

Вітер сильніше може викликати ще більші відхилення поверхні води від горизонтальної площини. Її, як і раніше, можна буде уявити як таку, що складається з окремих майже плоских фрагментів, але ці фрагменти будуть сильніше відхилені від горизонталі. Підсумок — контури зображення зовсім розмиті, воно вже ледь вгадується (рис. 7), перетворюючись, в результаті, на класичну «місячну доріжку».

Рис. 4 і 5

Ріс. 6 і 7

Велика кількість «самостійних» дзеркалець з істотно різними напрямками, що дозволяють відбивати світло в усі боки, — це і є особливість дифузного відображення (рис. 8).

Чим менше ці дзеркальця (або чим далі вони знаходяться від спостерігача, тобто чим менші кутові розміри мають), тим рівномірніше розсіює світло в усі боки від себе така поверхня. У ваті світло відбивається від окремих крихітних волокон, у снігу — від граней окремих сніжинок. Втім, сніжинки ще не настільки малі, щоб створити повноцінне дифузне відображення. У сонячний день або ввечері під ліхтарем погляньте на сніг навколо себе, і ви побачите, як на тлі «рівномірної» білізни снігу час від часу згорне окремий яскравий промінчик, відбитий однією зі сніжинок.

Фото   Художник

Олексій Вайнер