Atstarošana — viļņu atspoguļošanās un atstarošanas likums
Atklāj atstarošanas būtību — viļņu (gaismas, skaņas, ūdens) atspoguļošanu un atstarošanas likuma principu ar ilustrācijām un skaidrojumiem.
Atstarošanās ir viļņa virziena maiņa uz robežas starp divām dažādām vidēm, kad vilnis virzās atpakaļ uz vidi, no kuras tas nāk. Atstarošanās var notikt ar dažādiem viļņu veidiem — visbiežāk redzami piemēri ir gaismas, skaņas un ūdens viļņu atstarošana. Atstarošanās fizikā ir svarīgs process, kas nosaka, kā viļņi mijiedarbojas ar robežvirsmām un kā veidojas attēli spoguļos, rodas eho un citas parādības.
Atstarošanas pamatprincipi un leņķi
Atstarojumu parasti apraksta, izmantojot kritušā stara (incidences stara) un atstarotā stara leņķus attiecībā pret normāli — līniju, kas vietā, kur vilnis satiekas ar virsmu (punktā O), ir perpendikulāra virsmai. Parasti lieto terminus:
- incidences leņķis — leņķis starp kritušo staru un normāli;
- atstarošanas leņķis — leņķis starp atstaroto staru un normāli.
Spoguļattēlā (spekulārajā) atstarošanā gaisma no virsmas tiek atstarota vienā izejas virzienā. Attēlā pa labi redzamajā diagrammā gaismas stars nāk no punkta P un satiekas pie spoguļa punktā O. No punkta O staru kūlis atstarojas uz āru tajā pašā vidē uz punktu Q. Atstarojumu mēra attiecībā pret līniju, kas iet caur punktu O un ir 90˚ leņķī pret spoguli. Gaismas stara radītie leņķi (diagrammā attēloti kā θ i {\displaystyle \theta _{i}}
un θ r {\displaystyle \theta _{r}}). 
) jābūt vienādiem. Abiem leņķiem jābūt vienādiem, kad notiek atstarošanās. To sauc par "atstarošanas likumu".
Atstarošanas likums (formulējums)
Atstarošanas likums nosaka divas galvenās prasības:
- Kritušais stars, atstarotais stars un normāle atrodas vienā plaknē.
- Incidences leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi: θi = θr (tas nozīmē, ka leņķis pret normāli no vienas puses ir vienāds ar leņķi no otras puses).
Šis likums ir vispārīgs un darbojas gan optikā (gaismas stari), gan akustikā (skaņas vilnis) un hidrodinamiskos ūdens viļņos, ja robežvirsma ir pietiekami gluda attiecīgā viļņa garumam.
Spekulārā un difūzā atstarošana
- Spekulārā (spoguļa) atstarošana — notiek uz gludām, spīdīgām virsmām (piemēram, plānā spogulī, metāla pulētā virsmā). Atstarotie stari ir organizēti un rada skaidrus attēlus.
- Difūzā atstarošana — uz rupjām vai matētām virsmām (piemēram, sienas krāsa, papīrs) gaisma tiek izkliedēta daudzos virzienos; katra mikroskala elementa lokālā norma rada atsevišķu atstarošanas virzienu, kopumā radot nevienmērīgu izkliedi, bet tomēr kopējie leņķi lokāli joprojām atbilst atstarošanas likumam.
Kādi faktori ietekmē atstarošanu
- Virsmas gludums un struktūra: ja virsmas neregularitātes ir lielākas par viļņa garumu, dominē difūzā atstarošana.
- Materiāla īpašības: atstarošanas intensitāte un fāzes maiņa var atšķirties atkarībā no materiāla elektriskajām/magnētiskajām īpašībām (optikā to apraksta ar refrakcijas indeksiem un Fresnel likumiem).
- Leņķis: spogulī spoguļattēls var būt pilnīgs vai daļējs; gaismas daļa var tikt atstarota, daļa pāriet cauri (refleksijas un transmisijas sadalījums). Pie ievērojami slīpiem leņķiem var rasties īpašas parādības (piem., kopējā iekšējā atstarošana), ja gaisma pāriet no materiāla ar lielāku refrakcijas indeksu uz materiālu ar mazāku.
- Polarizācija: atstarošanas koeficients var atkarīgs no gaismas polarizācijas; noteiktos leņķos (Brewster leņķis) atstarošana noteiktai polarizācijai var būt minimāla.
Piemēri un pielietojumi
- Spoguļi un optiskās iekārtas (teleskopi, periskopi) izmanto spekulāro atstarošanu, lai fokusētu vai novirzītu gaismu.
- Echo un sonar signāli — skaņas viļņu atstarošana no cietām virsmām ļauj atklāt objektus un noteikt attālumus.
- Radari un bezvadu sakari — radio viļņu atstarošana no ēkām vai reljefa ietekmē signāla izplatīšanos.
- Estētiskos un praktiskos nolūkos: matētas vai spīdīgas virsmas izvēle ietekmē apgaismojumu, redzamību un dizainu.
Kāpēc θi = θr? (izskaidrojums īsi)
Atstarojuma likums var tikt saprasts gan ģeometriski, gan viļņu teorijā. Viļņu perspektīvā to izskaidro ar viļņufrontes simetriju un Hjugensa principu — katrs viļņufrontes punkts kļūst par jaunu sekundāru vilni, un robežapstākļi nosaka, ka atstarotās sekundārās viļņufrontes ir veidotas tā, ka incidences leņķis sakrīt ar atstarošanas leņķi. Ģeometriskā pieeja (piem., Fermā teorija par ceļa garuma minimizāciju) arī noved pie tā paša rezultāta: gaismas ceļš starp dotajiem punktiem caur atstarošanas punktu ir ārējā minimālā/ekstrema funkcija, kas nodrošina θi = θr.
Atstarošana ir plaši izmantota, un tās izpratne ir būtiska gan tehniskās ierīcēs, gan ikdienas situācijās. Lai detalizētāk aprakstītu atstarošanas intensitāti un fāzes attiecības, izmanto Fresnela vienādojumus un materiālu elektromagnētiskās īpašības.
Pārdomas par smiltīm un ūdeni
Diagramma, kurā parādīts spoguļattēls
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir atspulgs?
A: Atstarošanās ir viļņa virziena maiņa uz robežas starp divām dažādām vidēm tā, ka vilnis virzās atpakaļ uz vidi, no kuras tas nāk.
J: Kādi ir daži izplatīti atstarošanas piemēri?
A: Biežāk sastopamie atstarošanas piemēri ir gaismas, skaņas un ūdens viļņi.
J: Kas ir spoguļattēls?
A: Spoguļattēls ir spoguļattēls, kad gaisma no virsmas spoguļojas vienā izejas virzienā, un gaisma no viena ienākošā virziena tiek atstarota vienā izejas virzienā.
J: Kā darbojas atstarošanas likums?
A: Atstarošanas likums nosaka, ka, gaismai atstarojoties no kāda objekta, abiem leņķiem (krišanas leņķim un atstarošanas leņķim) jābūt vienādiem.
J: Kādas ir dažas lietas, ko cilvēki izgatavo, lai izmantotu atstarošanu?
A: Cilvēki izgatavo daudzas lietas, lai izmantotu atstarošanu, tostarp atstarojošus teleskopus, radarus, sonārus, lidārus un gaismas atstarotājus uz objektiem, kurus viņi vēlas redzēt.
Meklēt