Какое свойство плоского зеркала
Плоское зеркало — это незаменимый предмет домашнего и рабочего обихода. Но такие зеркала также являются очень важными оптическими деталями, которые применяются в конструкциях фото- и киноаппаратов, телескопов, лазеров и других оптических приборах. Рассмотрим физические характеристики этого вида зеркал.
Что такое зеркало с точки зрения физики
Оптическим зеркалом называется тело, обладающее полированной поверхностью правильной формы, способной отражать световые лучи с соблюдением равенства углов падения и отражения, и образующее оптические изображения предметов (в том числе источников света).
Рис. 1. Примеры различных зеркал.
Различают зеркала трех видов — плоские, выпуклые и вогнутые. Качество зеркала тем выше, чем ближе его форма и гладкость поверхности к идеальной. Микронеровности (шероховатости) отражающих поверхностей должны быть малы по сравнению с длиной падающей световой волны.
Основным свойством плоских зеркал является их способность отражать свет без каких-либо искажений и воспроизводить натуральные изображения, и размеры предметов.
История изготовления зеркал насчитывает много веков. Изначально их делали из металлов: серебра, меди, бронзы. Позднее, в XIII веке, появилась технология стеклянных зеркал, которые стали покрывать тонким слоем олова. В настоящее время эта технология усовершенствована с помощью использования высококачественных видов стекла и напыления (нанесения) разных отражающих металлов (серебра, алюминия и др.).
Как возникает изображение в плоском зеркале
Оптическое изображение — это визуализация (картинка), которая получается после прохождения световых лучей через оптическую систему от объекта.
Рис. 2. Мнимое изображение от точечного источника в плоском зеркале.
Представим себе точечный источник света S (свечу или маленькую светодиодную лампочку), стоящий перед зеркалом. Рассмотрим три луча, падающих на зеркало: SA, SB, и SC. С помощью закона отражения света можно построить отраженные лучи AA1, BB1 и СС1. Эти лучи будут расходящимися. Если продолжить эти лучи в противоположном направлении, то они пересекутся в одной точке S1, расположенной за зеркалом. Как будто эти лучи вышли из точки S1, хотя, на самом деле, источника света в этой точке нет. В связи с этим точка S1 называется мнимым (кажущимся) изображением точки S.
Это изображение является мнимым, так как оно образуется не пересечением самих отраженных лучей, а их пересечением в “зазеркалье”.
Действительное изображение получается, когда после всех преломлений и отражений световые лучи, вышедшие из одной точки объекта, собираются в одну точку. Действительное изображение создают оптические приборы (фотоаппараты, кинопроекторы), в которых применяются собирающие линзы.
Наряду с плоским зеркалом мнимое изображение получается с помощью биноклей и микроскопов.
Какой размер у изображения в плоском зеркале?
Ответ на этот вопрос дает простой эксперимент. Если взять кусок плоского, гладкого стекла, и установить его вертикально, то получится зеркало, через которое можно будет наблюдать предметы за ним, так как часть света будет проходить сквозь стекло, а часть отражаться.
Рис. 3. Размер мнимого изображения в плоском зеркале.
Перед стеклом ставится зажженная свеча. В стекле появляется ее изображение. За стеклом, где мы наблюдаем изображение, ставится еще одна, точно такая же, но незажженная свеча. Если эту свечу поместить в точку, где находится изображение, то она окажется как будто зажженной. Следовательно, реальная, потушенная свеча попала точно на место мнимого изображения.
Измерив два расстояния до стекла — от свечи и от ее изображения, мы убедимся, что они равны. Поскольку размеры свеч равны друг другу, то это означает, что размер изображения в плоском зеркале равен размеру исходного предмета.
Следовательно, при отражении не происходит ни уменьшения, ни увеличения плоским зеркалом размеров объектов.
Посмотрите на себя в обычное, домашнее зеркало. Помахав себе правой рукой, вы увидите, что ваше отражение машет левой рукой. Мало того — ваше правое ухо в зеркале стало “левым” и т.д. При этом в вертикальном направлении отражение все оставило на своих местах. Таким образом, в зеркале мы видим не точную копию предмета, а его зеркально-симметричное отражение.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что зеркала бывают плоскими, выпуклыми и вогнутыми. Плоское зеркало отражает падающий свет практически без искажений и формирует изображения предметов, не отличающиеся от исходных. Мнимое изображение в зеркале располагается симметрично относительно зеркальной поверхности.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.3. Всего получено оценок: 81.
Мы уже рассмотрели, что матовая поверхность при отражении от шероховатостей дает диффузное или рассеянное отражение, при котором нарушается параллельность падающих лучей.
Если же поверхность, на которую падают параллельные лучи, отражает их так, что после отражения они остаются параллельными, то мы эту поверхность можем называть зеркальной, или плоским зеркалом. Значит, плоское зеркало – это поверхность зеркально отражающая свет. Зеркальное отражение дает плоская поверхность воды, плоская поверхность витрины магазина и плоское зеркало, изготовленное искусственно из плоского листа стекла, одна из поверхностей которого покрыта слоем серебра и закрашена.
Проведем опыт (1). Человек сидит за столом и рассматривает себя в большом зеркале. Таким ли Вас видят другие, каким Вы видите себя в зеркале?
Где находится изображение руки: на поверхности зеркала или за зеркалом? Человек пошевелил левой рукой, какой рукой пошевелило изображение? Покачали головой слева-направо, что сделало изображение? Сделаем вывод: нет, не таким видят Вас окружающие:
• если у Вас родинка на левой щеке, то у изображения родинка на правой щеке;
• изображение руки или на поверхности зеркала, или где-то еще, но не за зеркалом. Посмотрев за зеркало, убеждаемся, что там ничего нет;
• пошевелили левой рукой, а изображение пошевелило правой рукой;
• покачали головой слева — направо, а изображение покачало справа – налево,
• плоское зеркало преобразует «правое» в «левое» и наоборот,
• «верх» и «низ» местами не меняются.
Все зеркала можно отнести к приборам, которые изменяют направление распространения или конфигурацию светового пучка. При рассмотрении закона отражения, мы говорили, что падающий и отраженный лучи можно поменять местами. Но мы всегда должны иметь ввиду, что падающим пучком будет всегда тот, в вершине которого находится светящаяся точка, из которой исходят лучи света, а отраженный пучок такой вершины нет имеет. Точки, в которых пересекаются световые лучи (или их продолжения), исходящие из точечного источника света, называются изображениями этого источника.
Проведем опыт (2). На столе закрепим на штативе плоское зеркало. Перед зеркалом поставим (на расстоянии 30-40см) свечу и зажжем ее. В зеркале увидим изображении свечи. Заглянув за зеркало, убедимся, что свечи там нет. Но мы можем продолжить опыт. Зажжем точно такую же свечу и поместим за зеркало ее в том месте, где видим изображение свечи (это можно сделать, слегка подглядывая за зеркало и перемещая свечу до тех пор, пока не удастся установить именно в том месте, где видим изображение). Измерим расстояние от свечи до зеркала (например, 40см) и от зеркала до изображения (получим то же 40 см).
Сделаем вывод: в плоском зеркале изображение предмета –
— «мнимое», потому что его там нет, можем поставить экран -изображение отсутствует;
— прямое, потому что «верх» остается вверху;
— равное, потому что размеры предмета и размеры изображения равны;
— находится на таком же расстоянии от зеркала, на каком находится предмет перед зеркалом.
Построим изображение светящейся точки в плоском зеркале. Пусть у нас имеется плоское зеркало MN. Справа на расстоянии 2-3см рисуем светящуюся точку S. Проведем два падающих луча на зеркало (один под углом 30градусов, другой под углом 45 градусов). Проводим пунктиром перпендикуляры в точках падения и, согласно закону отражения, проводим отраженные лучи (не забываем показывать стрелками направления лучей). Видим, что отраженные лучи расходятся и не пересекутся. Глаз «мысленно продолжает их в противоположную сторону до пересечения», и видит изображение светящейся точки, как «мнимое» в точке S1. Соединим точки S и S1 прямой. Легко доказать, используя геометрию, что зеркало MN является осью симметрии для точек S и S1. Это мы будем использовать при построении изображения предмета в плоском зеркале.
Задание 1. Постройте изображение предмета АВ в плоском зеркале.
При построении используем свойство симметрии: перед вертикальным плоским зеркалом рисуем вертикальную линию, стрелкой показываем направление «вверх». Проводим сплошные линии до зеркала и продолжаем их пунктиром на равные расстояния и строим изображение пунктиром
Получаем А1 и В1 .
Делаем вывод: полученное изображение «мнимое», равное, прямое.
Задание 2. Покажите, как работает перископ.
Перископ – оптический прибор, в котором используются два плоских зеркала, обращенные друг к другу рабочими поверхностями, которые параллельны друг другу, но с осью трубы образуют угол 45 градусов. Это дает возможность, находясь в укрытии, наблюдать за объектами, расположенными намного выше наблюдателя. Перископами снабжены подводные лодки, что позволяет наблюдать за поверхностью моря, не поднимаясь на нее. Сегодня мы рассмотрели зеркальное отражение и плоское зеркало. Построили изображение светящейся точки в плоском зеркале, применили это для построения предмета в плоском зеркале и рассмотрели применение плоских зеркал на практике.
1. Понятие зеркала и плоского зеркала
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.
2. 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
3. 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.
4. 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
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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 поведением 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.
Вопросы к конспектам
Задание 1. Угол падения луча равен 
. Чему равен угол отражения луча?
Задание 2. Девочка стоит на расстоянии одного метра от плоского зеркала. На каком расстоянии от себя она видит в нем свое изображение?
Задание 3. При каком угле падения луча на зеркало падающий и отраженный лучи совпадают?