Проверка закона отражения света: углы падения и отражения

В школьной работе проверяют не только численное равенство углов. Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к зеркалу в точке падения лежат в одной плоскости. Если опыт делают на листе бумаги с плоским зеркалом и узким световым лучом, это удобно показать на рисунке. Но аккуратная схема не должна заменять реальные отметки направления лучей и измерения транспортиром.

Цель и оборудование

Цель можно записать так: «Измерить углы падения и отражения для нескольких положений падающего луча и проверить закон отражения на плоском зеркале». Понадобятся плоское зеркало на держателе, лист бумаги, линейка, транспортир и школьный источник узкого луча. Конкретную установку — световой короб, оптический диск или другой прибор — задаёт учитель.

Если используется лазерный указатель, выполняйте правила кабинета: не направляйте луч в глаза и на отражающие предметы за пределами установки. Для опыта достаточно маломощного школьного источника. Зеркало должно стоять устойчиво; не держите его рукой во время отсчёта, потому что даже небольшой поворот меняет направление отражённого луча.

На листе проведите линию, вдоль которой стоит отражающая поверхность. Отметьте точку, куда попадает луч, и через неё проведите нормаль — прямую, перпендикулярную линии зеркала. Именно от нормали транспортиром откладывают оба угла. Линию зеркала и нормаль лучше подписать, чтобы потом не перепутать их на схеме.

Как отметить лучи

Направьте луч на выбранную точку зеркала. По двум отметкам на бумаге зафиксируйте направление падающего луча до зеркала и отражённого после него. Укажите стрелками, где свет идёт к зеркалу, а где — от него. Затем при выключенном источнике проведите по отметкам прямые линии линейкой. Если зеркало передвинулось, отметки относятся уже к разным положениям и измерение нужно повторить.

В установке с оптическим диском направления лучей могут читаться по шкале прибора. Сначала выясните, где нуль: на нормали или на поверхности. Если прибор подписан нестандартно, перепишите его показания и переведите в углы от нормали перед сравнением. Не смешивайте в одной таблице угол от зеркала для падающего луча и угол от нормали для отражённого.

Повторите опыт хотя бы для нескольких направлений, разрешённых учителем. Каждый раз можно сохранять ту же точку падения и поворачивать источник. Если точка изменилась, нужно заново провести нормаль через новую точку. Нельзя измерять второй луч относительно нормали, проведённой в другом месте зеркала.

Измерьте углы транспортиром

Центр транспортира совместите с точкой падения. Нулевую линию совместите с нормалью, затем считайте угол до падающего луча и отдельно до отражённого. Оба угла лежат по разные стороны нормали, но в таблице обычно записывают их положительные величины. Если нужен ориентированный угол со знаком, следуйте обозначениям учителя.

Для первой попытки можно выбрать угол падения около 20°, затем около 40° и 60°. Не обязательно добиваться целых значений: лучше измерить фактические 19°, 41° и 59°, чем подправить рисунок под красивые числа. При очень малом угле падения лучи могут почти совпадать и их труднее разметить; при слишком большом угле установка может плохо показывать отражение. Подберите диапазон, где направление обоих лучей видно.

На чертеже обозначьте α как угол падения и β как угол отражения. Закон записывают как α = β. Если случайно принять углом падения угол между падающим и отражённым лучами, число будет близко к 2α для простой схемы, но это уже третья величина. Подписи избавляют от такой ошибки.

Таблица условных результатов

Ниже — придуманные учебные показания. Они демонстрируют, как записать небольшой разброс, а не дают «правильный» ответ вашей установки.

Из такой таблицы видно, что измеренные углы близки. Разница в один градус может быть связана с толщиной луча, положением зеркала и точностью транспортира. Если ваш прибор имеет деления по 2°, нет оснований записывать разницу в десятые доли градуса. Сравнение должно соответствовать возможностям установки.

При необходимости постройте график: по горизонтали угол падения, по вертикали угол отражения. Закон отражения в идеальном случае соответствует линии β = α. Наносите реальные точки, даже если они лежат чуть выше или ниже линии. Но для школьной работы таблицы и рисунка лучей обычно достаточно, если учитель не требует график отдельно.

Почему возникает расхождение

Источник может давать не бесконечно тонкий луч, а светлую полосу; её середину приходится выбирать на глаз. Зеркало может стоять с небольшим поворотом относительно проведённой на бумаге линии. Нормаль иногда проводят не под 90°, а немного наклонно. Каждая из этих ошибок влияет на оба измерения. Поэтому полезно сначала проверить построение нормали и устойчивость зеркала, а уже затем обсуждать «неправильный закон».

Если разница углов велика, перепроверьте, не считали ли один угол от поверхности зеркала. Угол луча к нормали и угол того же луча к поверхности дополняют друг друга до 90°. Например, при угле к нормали 30° угол к поверхности равен 60°. Такие 30° и 60° в одной строке могут выглядеть как нарушение закона, хотя это лишь разные начала отсчёта.

Не заменяйте измеренные значения идеальными. Если получили 40° и 37°, так и запишите, затем проверьте схему и точность. Результат лабораторной работы — не набор одинаковых чисел, а обоснованное сравнение показаний с правилом.

Что показывает закон и где его границы

Закон отражения применим к направлению луча на гладкой плоской поверхности в школьной геометрической оптике. У неровной поверхности разные маленькие участки ориентированы по-разному, поэтому свет рассеивается во множестве направлений. Это не отменяет локального закона отражения: он применяется к каждому участку со своей нормалью. Но проверять равенство углов обычным транспортиром на шероховатой стене неудобно.

На плоском зеркале угол падения 0° означает, что луч идёт вдоль нормали. Он отражается обратно по той же линии, а угол отражения тоже 0°. Не путайте эту ситуацию с лучом, идущим вдоль поверхности: это почти 90° к нормали и совсем другая геометрия.

Если в задании появляется изображение в зеркале, закон отражения помогает строить лучи от предмета к глазу. Но положение изображения исследуют отдельной работой; равенство углов само по себе не является готовым измерением расстояния до изображения. Сначала завершите сравнение направлений падающего и отражённого лучей.

Как написать вывод

По условным данным вывод может звучать так: «При углах падения 20°, 40° и 60° углы отражения составили 20°, 39° и 61°. Расхождение не превышало 1°, что сопоставимо с точностью построения и отсчёта. В пределах точности опыта угол отражения равен углу падения, если оба измерены от нормали к зеркалу в точке падения». Для своего отчёта подставьте реальные пары чисел.

Перед сдачей проверьте, что нормаль проведена в точке падения, стрелки направлений стоят верно, оба угла измерены от нормали, зеркало не сдвигалось между отметками, а вывод согласуется с таблицей. Оптические опыты собраны в навигаторе лабораторных работ по физике для 9 класса. Закон отражения включён в федеральную рабочую программу по физике.