Отражение и зеркала

Чтобы увидеть себя целиком в плоском зеркале, достаточно зеркала высотой в половину твоего роста, независимо от расстояния до него.

Закон отражения

Брось мяч в стену под углом, и он отскочит под таким же углом в другую сторону. На гладкой поверхности свет ведёт себя так же. OpenStax формулирует это кратко: угол отражения равен углу падения, θr = θi. Углы отсчитывают не от поверхности, а от нормали, воображаемого перпендикуляра к ней в точке падения луча. Падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости.

Гладкие и шероховатые поверхности

Если бы любая поверхность отражала свет как зеркало, лист бумаги был бы виден лишь под одним углом. Но ты видишь его из любой точки комнаты, потому что по сравнению с длиной световой волны его поверхность шероховата. OpenStax объясняет: параллельные лучи, падающие на шероховатую поверхность, попадают на крошечные участки, наклонённые в разные стороны. Каждый луч подчиняется закону отражения, но в итоге лучи расходятся во всех направлениях. Это диффузное отражение; благодаря ему мы видим людей, одежду, листья и стены. Зеркало гладкое в масштабе длины волны, поэтому параллельные лучи остаются параллельными и яркое отражение видно только из определённого положения. Лунная дорожка на озере сочетает оба случая: вода блестит, но её поверхность неровная, поэтому отражение растягивается в длинную мерцающую полосу.

Изображения в плоском зеркале

Когда ты смотришь в плоское зеркало, изображение кажется расположенным за стеклом. OpenStax показывает причину: отражённые лучи приходят в глаза так, будто вышли из точки за зеркалом. По закону отражения эта точка находится за зеркалом ровно на том же расстоянии, на котором ты стоишь перед ним. Изображение прямое и такого же размера, но левое и правое кажутся переставленными. Это мнимое изображение: через место, где оно кажется расположенным, свет на самом деле не проходит, поэтому его нельзя получить на листе бумаги за зеркалом. Однако фотоаппарат может его сфотографировать, поскольку, как и глаз, собирает лучи и продолжает их назад.

Правило половины роста из вводного текста следует из той же геометрии. Свет от ступней должен отразиться в точке посередине между глазами и ступнями, чтобы попасть в глаза. Свет от макушки отражается посередине между глазами и макушкой. Значит, зеркало должно занимать лишь участок между этими точками, равный половине роста. Если отойти назад, это не изменится, потому что изображение отодвинется на столько же.

Зеркала, возвращающие свет обратно

Два зеркала под прямым углом возвращают луч в направлении, откуда он пришёл, независимо от угла падения. OpenStax называет такое устройство уголковым отражателем. Велосипедные катафоты и отражатели на дорожных знаках состоят из множества маленьких уголков. Поэтому в свете фар они загораются и направляют свет обратно к водителю. Астронавты оставили уголковые отражатели на Луне; отражённые от них лазерные импульсы позволяют очень точно измерять медленно увеличивающееся расстояние до Луны. По данным OpenStax, хорошее бытовое зеркало отражает более 90% падающего света; остальное поглощается.