Vlastnosti rovinných zrcadel

Jak byste reagovali, kdyby vás požádali o popis vlastností obrazů tvořených rovinnými zrcadly? Nejprve byste si měli být jisti, že rozumíte terminologii ve hře. Je „rovinné zrcadlo“ něčím, co používáte ke kontrole svého vzhledu během transkontinentálního letu, nebo je to něco pozemského?

Arovinné zrcadloje druh zrcadla, na které jste pravděpodobně nejvíce zvyklí, i když jsou sociální média jakýmkoli náznakem, „selfie“ do značné míry nahradila skutečná zrcadla na počátku 21. století. V ideálním případě se rovinné zrcadlo skládá z dokonale plochého povrchu bez zkreslení a odráží 100 procent světla, které jej dopadá (dopadající světlo) zpět v předvídatelném úhlu.

I když žádné zrcadlo není „dokonalé“, o ideálních entitách ve fyzice je zábava mluvit. V průběhu učení o rovinných zrcadlech ochutnáte obecné optické vědy a pocit jednoho z mnoha způsobů, jak vás mohou vaše oči oklamat, když dělají svou práci přesně podle plánu.

Světlo, přestože je po většinu času téměř všude, je obtížné správně popsat, podobně jako mnoho jiných věcí ve fyzice. To oceníte pouhým pohledem na množství způsobů, jak je světlo zastoupeno nejen ve vědeckých textech, ale i v umění. Skládá se světlo z částic nebo z vln? Ukazují vlny určitým směrem?

V každém případě lze světlo viditelné pro člověka popsat jako světlo o vlnové délce λ mezi asi440 a 700 miliardtin metru​ (10^–9 m nebo nm). Protože rychlost světlaCje konstantní asi 3 × 10⁸ m / s ve vakuu, můžete určit frekvenci jakéhokoli zdroje světlaνz jeho vlnové délky:νλ = c​.

Když diskutujeme o zrcadlech, je vhodné reprezentovat světlo ne jako vlnové fronty (jak byste viděli vyzařovat ven po vhození velké skály do dříve klidného jezera), ale jako paprsky. Také paprsky přicházející ze stejného zdroje a dopadající na sousední části zrcadel lze považovat za rovnoběžné. S tímto schématem je snadné vypočítat úhly spojené s problémy rovinného zrcadla.

Když světelné paprsky narazí na fyzický povrch, jejich dráha se může změnit mnoha způsoby. Paprsky se mohou odrážet od povrchu, procházet ním nebo kombinovat obojí.

Když se světelné paprsky odrazí od předmětu, nazývá se toodraz, a když jím procházejí a jsou v procesu ohnuté, nazývá se tolom světla. Ta druhá je akce čoček, zatímco jediným problémem s rovinnými (a jinými) zrcadly je odraz.

Thezákon odrazutvrdí, žeúhel dopadu světelných paprsků dopadajících na rovinné zrcadlo se rovná úhlu odrazu,s oběma měřenými vzhledem k přímce kolmé k povrchu zrcadla.

Když zrcadla a čočky „zpracovávají“ světelné paprsky, které na ně dopadají, „vytvářejí“ obrazy doslova tvarované pomocí tyto faktory: vzdálenost mezi objektem a zrcadlem (nebo středem čočky) a tvar povrchu.

Objektivy podle definice zahrnují více zakřivených povrchů, zatímcokonvexní(směrem ven) akonkávní(dovnitř zakřivená) zrcadla každé obsahují jedno; rovinná zrcadla představují nejjednodušší scénář ze všeho zde uvedeného.

Pokud je vytvořený obraz na stejné straně jako paprsky odraženého nebo lomeného světla, jedná se o askutečný obraz. To znamená, že pro zrcadla by skutečný obraz byl na stejné straně jako osoba, která se do něj dívá (pro čočky, bylo by to na druhé straně, protože světlo se v tom spíše láme, než odráží nastavení). Snímky, které se objevují za zrcadlem (nebo před objektivem), se nazývajívirtuální obrázky​.

Jak může obraz vzniknout „za“ zrcadlem? Koneckonců tam na stovky kilometrů nemusí být nic jiného než pevný beton... Dobře, ne míle, ale zeď mohla být velmi silná. Ale na okamžik přemýšlejte: Když se podíváte do zrcadla, přesně tam, kde vidí „osobu“, kterou vidíteobjevitse dívat zpět na tvé?

Jak vyplývá z výsledků výše navrhovaného cvičení, obraz se zdá být za zrcadlem, ale ve skutečnosti tomu tak není. Jedná se tedy o virtuální obraz. Přesně kde a jak je tento obrázek „nalezen“?

Pokud nakreslíte diagram znázorňující tyto situace shora, můžete zjistit polohu obrazu v jakémkoli scénáři rovinného zrcadlení pomocí zákona odrazu. Například pokud pozorovatel stojí 3 m od zrcadla pod úhlem 45 stupňů, její obraz se nachází přímo naproti ní na druhé straně zrcadla. Ale jak daleko?

PoužijtePythagorova větaurčit to. 3metrová vzdálenost mezi pozorovatelem a zrcadlem je pravý trojúhelník s přeponou 3 a stejnými stranamistakhle

Toto je kolmá vzdálenost mezi pozorovatelem a zrcadlem, takže obraz je dvakrát větší než tato vzdálenost od pozorovatele, nebo 4,24 m.

Kromě rozdělení na „skutečné“ a „virtuální“ mohou být také obrázkyvzpřímenýneboobráceně.Každý, kdo někdy použil vnitřek lžíce jako zrcadlo, viděl příklad obráceného obrazu. Rovná zrcadla prý vytvářejí svislé obrazy, ale toto je zavádějící nebo přinejmenším neúplný popis toho, co se děje, protože se vztahuje pouze na osu y nebo vertikální osu.

Pokud se podíváte do zrcadla, horní část vaší hlavy je za a nad vašimi očima ve srovnání se zrcadlem a v souladu s tím jsou oči obrazu blíže a níže ve vztahu k zrcadlu (a vám) než zadní strana hlava obrazu. Čáry spojující tyto body, při pohledu ze strany, mají stejnou délku, ale v prostoru jsou odlišně (ale symetricky) orientovány. Tedy obrazjeobráceně - ale podél osy x!

• Další důvod, proč je „převrácení“ obrazů v horizontálním směru rovinnými zrcadly snadno přehlédnutelné, nebo alespoň těžší vysvětlit, je více biologický než fyzický: Když se podíváte do zrcadla, vidíte bytost, která je obecně bilaterálně symetrická (to znamená, že ji lze rozdělit na stejnou pravou a levou polovinu svislou letadlo). Pokud by lidé měli ve zvyku otáčet hlavy do strany, aby se podívali do zrcadel, byla by tato vlastnost zrcadel pravděpodobně pevněji zakořeněna v mysli běžného člověka.

Mezi nesčetné příklady rovinných zrcadel ve vědeckém, průmyslovém a domácím použití patří sklopná rovinná zrcadla. Jedná se o dobrý způsob, jak demonstrovat přímočaré, ale často obtížně převáděné do zkušeností, zákony upravující rovinná zrcadla z pohledu geometrie.

Pokud máte šanci, zkuste nastavit řadu tří zrcadel (možná nemáte panty, ale to nebrání) orientované na vzájemné úhly 60 stupňů, které by shora vypadaly jako kolo bicyklu se třemi stejně rozmístěnými paprsky. Pokud máte úhloměr, světelný zdroj a některá menší zrcadla, můžete vytvářet a testovat předpovědi o odrazech, které „vytvoříte“, pomocí základní geometrie, jak je uvedeno výše.