Pytanie:
Dlaczego lustro rozdziela mój promień lasera?
Wayne Werner
2016-03-02 21:01:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wczoraj wieczorem moja córka pytała, dlaczego lustro „zawsze to robi” (odnosi się do odbijania plamki światła). Aby pomóc jej to zrozumieć, złapałem mój zielony wskaźnik laserowy, aby mogła zobaczyć światło wędrujące ze źródła i odbijające się od lustra.

Ale gdy graliśmy, ja zauważył coś dziwnego.

Zamiast jednego miejsca było kilka . Kiedy ustawiłem kąt na coś dość tępego

laser reflecting from mirror at an obtuse angle

Efekt stał się dość wyraźny

Several dots from a reflected laser beam.

A kiedy przyjrzeliście się uważnie, można było zobaczyć kilka wiązek de-crossing the beams

(Oczywiście belki faktycznie wyglądały jak belki w prawdziwym życiu. Zdjęcie nadaje belkom kształt wydłużonej klepsydry, ponieważ te części są nieostre).

Spostrzegłem następujące:

  • Im mniejszy kąt, tym większe rozproszenie podzielonych wiązek i wynikowych kropek.
  • Kierunkowość odbicia wynika z orientacji lustra, a nie lasera sam wskaźnik. Rzeczywiście, obracając lustro o 360 °, ciąg kropek również wykonałby pełny obrót.
  • Mogę policzyć co najmniej 8 pojedynczych punktów na ścianie, ale gołym okiem mogłem zobaczyć tylko 6 wiązek .
  • Jeśli spojrzysz na obraz podzielonej wiązki, zobaczysz pionową linię nad najbardziej intensywnymi kropkami. Nie zauważyłem tam żadnych intensywnych plamek światła.

A kiedy przyjrzałem się bliżej miejscu, w którym wiązka uderzyła w lustro

beam me twice, shame on you

możesz zobaczyć podwójny obraz. Nie było to spowodowane drganiami aparatu, a jedynie odbiciem światła od kurzu na powierzchni szkła i odbiciem tego światła od tylnej powierzchni lustra.

Minęło kilka lat od fizyki w college'u, przypomniałem sobie, jak robiłem takie rzeczy, jak eksperyment z podwójnym rozszczepieniem.Przypomniałem sobie również, że światło wydaje się dziwne, gdy wpada do cieczy / pryzmatów.Wiem również, że zielony laser ma określoną długość fali i możesz zmierzyć prędkość światła za pomocą tabliczki czekolady i kuchenki mikrofalowej.

Dlaczego lustro rozszczepia wiązkę lasera?Jak to wyjaśnia efekty, które widziałem?Czy jest jakiś związek z eksperymentem z podwójnym rozszczepieniem lub długością fali / prędkością światła?

Z mojego doświadczenia wynika, że jeśli ktoś bardzo uważnie przyjrzy się swojemu odbiciu w prawie każdym lustrze, zdaje sobie sprawę, że istnieją co najmniej dwa odbicia bardzo blisko siebie.Chodzi o to, że to nie tylko lasery.
Gratulujemy złotej odznaki!I kontynuuj naukę ze swoimi córkami.
Dwa odpowiedzi:
Floris
2016-03-02 22:29:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Otrzymujesz odbicia od przedniej (szklanej powierzchni) i tylnej (lustrzanej) powierzchni, w tym (wiele) wewnętrznych odbić:

enter image description here

Z diagramu powinno jasno wynikać, że plamki będą się oddalać od siebie, gdy przejdziesz do bardziej rzucającego się w oczy kąta padania. W zależności od polaryzacji wskaźnika laserowego istnieje kąt (kąt Brewstera), pod którym można całkowicie zaniknąć przednie (szklane) odbicie od powierzchni. To wymaga trochę eksperymentowania.

Dokładne szczegóły intensywności jako funkcji kąta padania opisano za pomocą Równania Fresnela. Z tego artykułu w Wikipedii przedstawiono diagram pokazujący, jak intensywność (przedniego) odbicia zmienia się wraz z kątem padania i polaryzacją:

enter image description here

Efekt ten jest niezależny od długości fali (z wyjątkiem tego, że współczynnik załamania światła jest słabą funkcją długości fali ... Tak więc różne kolory światła będą miały nieco inny kąt Brewstera); jedyny sposób, w jaki światło laserowe różni się od „zwykłego” światła w tym przypadku, to fakt, że światło lasera jest zwykle spolaryzowane liniowo, tak że współczynnik odbicia dla określonego kąta można zmienić po prostu przez obrót wskaźnika laserowego.

Jak Rainer P zauważył w komentarzu, jeśli współczynnik odbicia $ c $ jest na przedniej powierzchni, to $ (1-c) $ intensywności dociera do tyłu; a jeśli współczynnik odbicia po wewnętrznej stronie interfejsu szkło / powietrze wynosi $ r $, to kolejne odbite wiązki będą miały intensywności zmniejszające się geometrycznie:

$$ c, (1-c) (1 -r), (1-c) (1-r) r, (1-c) (1-r) r ^ 2, (1-c) (1-r) r ^ 3, ... $$

Oczywiście twierdzenie o wzajemności mówi nam, że kiedy odwracamy kierunek wiązki, otrzymujemy ten sam współczynnik odbicia, więc $ r = c $.Oznacza to, że powyższe można uprościć;ale zostawiłem to w jego formie, aby lepiej pokazać, jakie oddziaływania zachodzą promienie.Powyższe zakłada również doskonałe odbicie na posrebrzanej (tylnej) twarzy: powinno być łatwo zobaczyć, jak można dodać ten termin ...

Chciałbym dodać coś o mocy wiązek: biorąc pod uwagę współczynnik odbicia $ c $ dla płaszczyzny przedniej i 100% odbicia z tyłu, moc wynosi $ c $ dla pierwszej wiązki, $ (1-c) ^2 $ za drugą i $ (1-c) ^ 2 \ cdot c $, $ (1-c) ^ 2 \ cdot c ^ 2 $, $ (1-c) ^ 2 \ cdot c ^ 3 $,itd. dla innych.Na przykład, jeśli $ c = 0,1 $, potęgi stają się $ [0,1, 0,81, 0,081, 0,0081, ...] $.Jest to wyraźnie widoczne na trzecim zdjęciu i wyjaśnia intensywność wiązek.
Twój wykres zygzakowaty nie ma załamania na powierzchni powietrze-szkło.Właściwie, gdyby szkło miało to samo $ n $ jak powietrze, nie byłoby nawet częściowego odbicia, IIRC
@HagenvonEitzen - dzięki za zwrócenie uwagi.Oryginalny diagram narysowałem w pośpiechu, nie spodziewając się, że ta odpowiedź da tak wiele widoków ... Zaktualizowałem go, aby był dokładniejszy.
Monso
2016-03-03 02:36:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Widzisz zjawy w drugim lustrze powierzchniowym;większość zastosowań laserowych z lustrem (a) - dobrymi lub krytycznymi - używa tak zwanego pierwszego lustra powierzchniowego.Inne odpowiedzi już dość dobrze to wyjaśniały, ale chciałem dodać trochę terminologii i zdjęcie, aby wyjaśnić.

Example of a second surface mirror (left) and a first surface mirror (right). In both pictures, the pen is touching the surface of the mirror. "Ghosting" (a faint reflection from the first layer) is visible in the left image Przykład drugiego lustra powierzchniowego (po lewej) ipierwsze lustro powierzchniowe (po prawej).Na obu zdjęciach długopis dotyka powierzchni lustra.„Ghosting” (słabe odbicie od pierwszej warstwy) jest widoczne na lewym obrazie.

Obraz i podpis z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/First_surface_mirror

Zakładam, że pierwsze lustra powierzchniowe są bardziej podatne na zarysowania itp. Prawda?
@WayneWerner tak, zarysowania to duży problem, podobnie jak matowienie (atak chemiczny), dlatego też pierwsze lustra powierzchniowe są często pokryte złotem.Zobacz także [tę odpowiedź] (http://physics.stackexchange.com/a/200946/26969), aby zapoznać się z niektórymi implikacjami.
Głosowanie za tym, co prawdopodobnie jest łatwiejsze do wyjaśnienia dziecku.
@WayneWerner To prawda, ale jednocześnie te drogie lustra używane w badaniach i przemyśle są, no cóż, drogie.Podobnie jak w przypadku każdego drogiego sprzętu, ich środowisko jest ściśle kontrolowane.To nie jest tak, że moje lustra w przedpokoju mogą powalić moje dziecko uciekając przed siostrą ...
@WayneWerner Małe lustra pierwszej powierzchni można uzyskać ze starych skanerów płaskich lub drukarek laserowych.
Używam lustra o pierwszej powierzchni do wyświetlania obrazów w planetarium.Z podobnych powodów (wiele obrazów) nie można używać powlekanego lustra.Mają ograniczoną żywotność z powodu utleniania powierzchni.Nie należy ich dotykać ani nawet oddychać.
Nie możesz użyć błyszczącego kawałka metalu jako lustra pierwszej powierzchni?Jasne, że nie będzie idealny, ale może być tańszy.
Obraz zjawy jest naprawdę pomocny.Niezłe znalezisko!


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...