Charakterystyka luster samolotowych

Jak odpowiedziałbyś na pytanie o charakterystykę obrazów tworzonych przez zwierciadła płaskie? Po pierwsze, musisz upewnić się, że rozumiesz terminologię w grze. Czy "lusterko samolotu" jest czymś, czego używasz do sprawdzania swojego wyglądu podczas lotu międzykontynentalnego, czy jest to coś bardziej przyziemnego?

ZAlustro samolotuto rodzaj lustra, którego prawdopodobnie najczęściej używasz, chociaż jeśli media społecznościowe są jakąkolwiek wskazówką, „selfie” w dużej mierze zastąpiły rzeczywiste lustra na początku XXI wieku. Idealnie, lustro płaskie składa się z idealnie płaskiej powierzchni bez zniekształceń i odbija 100 procent światła, które je pada (światło padające) z powrotem pod przewidywalnym kątem.

Chociaż żadne lustro nie jest „doskonałe”, o idealnych bytach w fizyce fajnie się rozmawia. W trakcie nauki o lusterkach samolotowych poznasz ogólną wiedzę z zakresu optyki, a także poczucie jednego z wielu sposobów, w jakie twoje oczy mogą cię oszukać podczas wykonywania swojej pracy dokładnie tak, jak zaplanowano.

Światło, mimo że jest prawie wszędzie przez większość czasu, jest trudną do właściwego opisania bytem, ​​jak wiele rzeczy w fizyce. Możesz to docenić, po prostu patrząc na liczbę sposobów przedstawiania światła nie tylko w tekstach naukowych, ale także w sztuce. Czy światło składa się z cząstek, czy z fal? Czy fale są skierowane w konkretnym kierunku?

W każdym razie światło widoczne dla ludzi można opisać jako mające długość fali λ między około440 i 700 miliardowych części metra​ (10^–9 m lub nm). Ponieważ prędkość światładojest stała i wynosi około 3×10⁸ m/s w próżni, można określić częstotliwość dowolnego źródła światłaνz jego długości fali:νλ = c​.

Omawiając lustra, wygodnie jest przedstawiać światło nie jako czoło fal (jak widać promieniujące na zewnątrz po wrzuceniu dużej skały do ​​wcześniej spokojnego jeziora), ale jako promienie. Również promienie pochodzące z tego samego źródła i uderzające w sąsiednie części luster można traktować jako równoległe. Za pomocą tego schematu łatwo jest obliczyć kąty związane z problemami ze zwierciadłem płaskim.

Kiedy promienie świetlne padają na powierzchnię fizyczną, ich ścieżka może się zmieniać na wiele sposobów. Promienie mogą odbijać się od powierzchni, przechodzić przez nią lub w kombinacji obu.

Kiedy promienie świetlne odbijają się od obiektu, nazywa się toodbicie, a kiedy przechodzą przez nią i są zginane, nazywa się torefrakcja. Ta ostatnia to działanie soczewek, podczas gdy w przypadku luster płaskich (i innych) jedynym problemem jest odbicie.

prawo refleksjistwierdza, żekąt padania promieni świetlnych padających na lustro płaskie jest równy kątowi odbicia,z obydwoma mierzonymi w odniesieniu do linii prostopadłej do powierzchni lustra.

Kiedy lustra i soczewki „przetwarzają” padające na nie promienie świetlne, „tworzą” obrazy dosłownie ukształtowane przez te czynniki: odległość między obiektem a lustrem (lub środkiem soczewki) oraz kształt powierzchni.

Soczewki z definicji zawierają wiele zakrzywionych powierzchni, podczas gdywypukły(zakrzywiony na zewnątrz) iwklęsły(zakrzywione do wewnątrz) lustra, z których każde zawiera jeden; lusterka samolotowe reprezentują najprostszy scenariusz ze wszystkiego, o czym tutaj mowa.

Jeśli utworzony obraz znajduje się po tej samej stronie co odbite lub załamane promienie świetlne, jest to aprawdziwy obraz. Oznacza to, że w przypadku luster rzeczywisty obraz znajdowałby się po tej samej stronie, co patrząca w niego osoba (dla soczewki, byłoby po drugiej stronie, ponieważ światło jest załamywane, a nie odbijane w tym oprawa). Obrazy, które pojawiają się za lustrem (lub przed obiektywem) są nazywanewirtualne obrazy​.

Jak obraz może powstać „za” lustrem? W końcu przez setki mil może tam być tylko solidny beton... dobrze, nie mil, ale ściana może być bardzo gruba. Ale pomyśl przez chwilę: kiedy patrzysz w lustro, gdzie dokładnie jest „osoba”, którą widziszzjawić sięspoglądać wstecz na twoją z?

Jak sugerują wyniki powyższego ćwiczenia, obraz wydaje się znajdować za lustrem, ale w rzeczywistości tak nie jest. Jest to zatem obraz wirtualny. Dokładnie gdzie i jak „znaleziono” ten obraz?

Jeśli narysujesz diagram przedstawiający te sytuacje z góry, możesz określić położenie obrazu w dowolnym scenariuszu samolot-lustra, korzystając z prawa odbicia. Na przykład, jeśli obserwator stoi 3 m od lustra pod kątem 45 stopni, jej obraz znajdzie się dokładnie naprzeciwko niej po drugiej stronie lustra. Ale jak daleko?

Użyjtwierdzenie Pitagorasaaby to ustalić. Odległość 3 metrów między obserwatorem a lustrem to trójkąt prostokątny o przeciwprostokątnej o 3 i równych bokachstakie, że

Jest to odległość prostopadła między obserwatorem a lustrem, więc obraz znajduje się w odległości dwukrotnie większej od obserwatora, czyli 4,24 m.

Oprócz podziału na „prawdziwe” i „wirtualne” obrazy można równieżpionowolubodwrotny.Każdy, kto kiedykolwiek używał wnętrza łyżki jako lustra, widział przykład odwróconego obrazu. Mówi się, że zwierciadła płaskie tworzą pionowe obrazy, ale jest to mylący lub przynajmniej niepełny opis tego, co się dzieje, ponieważ dotyczy to tylko osi y, czyli osi pionowej.

Jeśli spojrzysz w lustro, czubek twojej głowy znajduje się za i nad oczami w porównaniu do lustra i odpowiednio oczy obrazu są bliżej i niżej w stosunku do lustra (i Ciebie) niż tył głowa obrazu. Linie łączące te punkty, widziane z boku, są tej samej długości, ale zorientowane inaczej (ale symetrycznie) w przestrzeni. Tak więc obrazjestodwrócona – ale wzdłuż osi x!

• Inny powód, dla którego „odbijanie” obrazów w poziomie przez zwierciadła płaskie jest łatwe do przeoczenia, a przynajmniej trudniejsze do wyjaśnienia, jest bardziej biologiczne niż fizyczne: Kiedy patrzysz w lustro, widzisz istotę, która ogólnie jest dwustronnie symetryczna (to znaczy może być podzielona na równą prawą i lewą połowę przez pion samolot). Gdyby ludzie mieli zwyczaj odwracania głowy na boki, aby spojrzeć w lustra, ta właściwość luster byłaby prawdopodobnie silniej zakorzeniona w umyśle zwykłego człowieka.

Wśród niezliczonych przykładów luster płaskich do użytku naukowego, przemysłowego i domowego znajdują się lustra płaskie na zawiasach. Stanowią one dobry sposób na zademonstrowanie prostych, ale często trudnych do przełożenia na doświadczenie praw rządzących zwierciadłami płaskimi z perspektywy geometrii.

Jeśli masz taką możliwość, spróbuj ustawić tablicę trzech luster (możesz nie mieć zawiasów, ale to nie jest przeszkoda) zorientowane pod wzajemnymi kątami 60 stopni, co z góry wyglądałoby jak koło rowerowe z trzema równo rozstawionymi szprychy. Jeśli masz kątomierz, źródło światła i kilka mniejszych luster, możesz tworzyć i testować przewidywania dotyczące odbić, które „robisz”, używając podstawowej geometrii, jak opisano powyżej.