Μάθημα : Φυσική Γ

Το φως καθώς διαδίδεται συναντάει διάφορα σώματα. Σε κάποια από αυτά περνάει από μέσα τους και τα σώματα αυτά αποκαλούνται διαφανή ή ημιδιαφανή ενώ από άλλα, τα αδιαφανή, χτυπάει πάνω του και αλλάζει κατεύθυνση. Αυτό το τελευταίο, δηλαδή, η αλλαγή κατεύθυνσης μίας ακτίνας (ή δέσμης) φωτός καθώς αυτή πέφτει πάνω σε ένα αντικείμενο ονομάζεται ανάκλαση.

Από την εμπειρία μας ξέρουμε ότι δεν μπορούμε να δούμε τα διάφορα αντικείμενα που υπάρχουν γύρω μας στο σκοτάδι. Άρα για να υπάρχει η αίσθηση της όρασης πρέπει όποσδήποτε να υπάρχει πηγή φωτός (ήλιος, ηλεκτρική λάμπα, φακός του κινητού μας, κλπ). Το φώς, καθώς φεύγει από την πηγή του πέφτει πάνω σε ένα αντικείμενο (τετράδιο, μπάλλα, άνθρωπος, κλπ) και αλλάζει κατεύθυνση. Όμως από κάθε πηγή αναχώρει όχι μόνο μία αλλά άπειρος αριθμός ακτίνων που πέφτουν πάνω στα αντικείμενα τα οποία αποτελούνται από χιλιάδες μικροεπιφάνειες και ανακλώνται προς όλες τις κατευθύνσεις. Σε μία από αυτές τις κατευθύνσεις υπάρχει το μάτι μας στο οποίο εισέρχονται και έτσι μπορούμε και βλέπουμε το αντικείμενο, όπως δείχνει και το παρακάτω σχήμα.

Όμως, ποιούς νόμους ακολουθεί η ανάκλαση μίας μόνο ακτίνας από μία μόνο επιφάνεια που είναι εντελώς λεία. Μία τέτοια επιφάνεια έχουν οι κλασικοί καθρέφτες (κάτοπτρα) που έχουμε στα σπίτια μας.

Στην ενότητα αυτή θα μελετησουμε την συμπεριφορά μιας ακτίνας (ή δέσμης ακτίνων) φωτός καθώς προσπίπτει σε ένα επίπεδο καθρέφτη (από αυτούς που έχουμε στο σπίτι μας, στην τουαλέτα, στο υπνοδωμάτιο, κλπ). Στην γλώσσα της Φυσικής ο καθρέφτης αποκαλείται με την αρχαιοελληνική λέξη "κάτοπτρο".

Kατ' αρχάς ας δούμε πώς κατασκευάζεται ένα καθρέφτης σαν και αυτούς που φαίνονται στις παραπάνω φωτογραφίες. Μέσω μίας χημικής διεργασίας η μία πλευρά (το μπροστινό μέρος του καθρέφτη) μίας γυάλινης επιφάνειας (τζάμι)  επιστρώνεται συνήθως με αλουμίνιο ή άργυρο (ασήμι) που από την φύση τους ανακλούν το φως. Πάνω από το στρώμα του αργύρου ή του αλουμινίου επιστρώνεται ένα διάφανο υλικό που προστατεύει τον άργυρο ή το αλουμίνιο από την οξείδωση (σκούριασμα). Στην άλλη πλευρά της γυάλινης επιφάνειας (το πίσω μέρος του καθρέφτη) επιστρώνεται ένα οξείδιο του μολύβδου συνήθως ερυθρού χρώματος.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τον μηχανισμό ανάκλασης μίας ακτίνας φωτός που παράγεται από την φωτεινή πηγή Π. Η προσπίπτουσα ακτίνα πέφτει (προσπίπτει) στον επίπεδο καθρέπτη στο σημείο Ο υπό γωνία θ_π (γωνία πρόσπτωσης, η γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας ακτίνας και της καθέτου στο σημείο Ο, ΟΑ). Η ακτίνα ανακλάται και εξέρχεται από το σημείο Ο υπό γωνία θ_α (γωνία ανάκλασης,  η γωνία μεταξύ της ανακλώμενης ακτίνας και της καθέτου στο σημείο Ο, ΟΑ). Πειραματικά αποδεικνύεται ότι οι δύο αυτές γωνίες είναι ίσες, δηλαδή:

θ_α = θ_π

Στο πιο πάνω σχήμα εμφανίζεται ένα αντικείμενο που βρίσκεται μπροστά σε ένα επίπεδο κάτοπτρο καθώς και το είδωλό του μέσα σε αυτό. Ο χώρος μπροστά απο τον καθρέπτη  ονομάζεται πραγματικός αφού περιέχει πραγματικά αντικείμενα καθώς και τις φωτεινές πηγές. Ο χώρος που φαίνεται να εμφανίζεται πίσω από τον καθρέπτη ονομάζεται φανταστικός αφού δεν υπάρχει όπως και τα αντικείμενα μέσα σε αυτόν.  Μαθηματικά σκεπτόμενοι, ο πραγματικός χώρος θεωρείται θετικός και άρα οι αποστάσεις των αντικειμένων από αυτόν έχουν θετικό πρόσημο, ενώ ο φανταστικός χώρος θεωρείται αρνητικός και άρα οι αποστάσεις των ειδώλων από αυτόν έχουν αρνητικό πρόσημο.

Τα είδωλα των αντικειμένων που καθρεφτίζονται σε επίπεδα κάτοπτρα είναι φανταστικά.

Πειραματικά αποδεικνύεται ότι η απόσταση του ειδώλου από το κάτοπτρο, s₂. είναι ίση με την απόσταση του αντικειμένου από αυτό, s₁, δηλαδή:

s₂ = s₁

Ενα τρίτο συμπέρασμα είναι ότι τα είδωλα των αντικειμένων που καθρεφτίζονται στ επίπεδα κάτοπτρα δεν είναι αλλοιωμένα και το ύψος τους είναι το ίδιο με εκείνο του αντικειμένου.

Ενα τέταρτο συμπέρασμα είναι ότι στα επίπεδα κάτοπτρα το "δεξιό" φαίνεται "αριστερό" και  το "αριστερό" φαίνεται "δεξιό".

Λαμβάνοντας τα όσα είπαμε πιο πάνω υπ' όψιν μας μπορούμε να καταλάβουμε με το παρακάτω σχήμα τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε ένα αντικείμενο καθώς καθρεφτίζεται σε ένα επίπεδο κάτοπτρο.

Το αντικείμενο (μία φιάλη) βρίσκεται στο σημείο Α μπροστά από τον καθρέπτη. Εκεί βρισκόμαστε και εμείς όπως και η πηγή φωτός (δεν φαίνεται) που φωτίζει το αντικείμενο. Το είδωλο της φιάλης εμφανίζεται στο σημείο Γ κι εμείς βλέπουμε μια προέκταση της ματιάς μας στον φανταστικό κόσμο του, έτσι ώστε να τηρούνται όσα αναφέραμε πιο πάνω, δηλαδή, οι αποστάσεις ειδώλου και αντικειμένου από τον καθρέπτη και οι γωνίες ανάκλασης και πρόσπτωσης να είναι ίσες, d_o = d_i και  θ_r = θ_i (i = incident, r = reflected).

Εφαρμογή:

Απαντήστε στα τρια ερωτήματα της άσκησης.