Что такое зеркало?

Зеркало представляет собой гладкую и полированную поверхность, способную отражать лучи света. В зависимости от формы поверхности оно может быть плоским или изогнутым (сферические, параболические, и т.д.).

Древние зеркала были просто полированными металлическими листами. В 1857 году Ж. Фуко ввел метод металлизации стекла, состоящий в покрытии одной из граней стеклянной пластины серебряным покрытием.

Cвойства параболического зеркала

Рассмотрим параболическое зеркало с вогнутой отражающей стороной. Мы можем выделить в нем следующие элементы:

Оптическая ось: является осью симметрии поверхности.

Фокус: точка, в которой пересекаются все лучи, приходящие параллельно оптической оси.

При наличии у нас сферического зеркала и использовании сферической  части, очень близкой к оптической оси, параболическая и сферическая поверхности неразличимы, следовательно, их поведение в значительной степени практически одинаково c параболическим зеркалом. В таком случае речь идет о центре кривизны: это - геометрический центр сферы, которой соответствует поверхность зеркала.

Параболическое зеркало имеет ту особенность, что все лучи, приходящие параллельно оптической оси, отражаются, проходя через фокус. Это свойство используется, например, в изготовлении параболических антенн, солнечных печей и т.д. 

Точно так же все лучи, проходящие через фокус отражаются в зеркале, выходя параллельно оси. Это свойство  можно наблюдать в фарах автомобиля; лампа в них устанавливается в фокусе таким образом, что при выходе лучей света, параллельных оси, свет концентрируется по направлению дороги.

Такое поведение обнаруживают только параболические зеркала, хотя также можно считать, что так ведут себя сферические зеркала при соответствии их небольшой сферической части. В самом деле, на протяжении всей истории подавляющее большинство изготавливавшихся зеркал были сферическими, так как сделать их гораздо легче.

Как выглядят предметы в параболическом зеркале?

Лучи света от точки, после  отражения в зеркале, снова сходятся в другой точке, называемой точкой изображения. Изображение может быть реальным или мнимым; первое формируется при схождении отраженных лучей и может  собираться на экране; мнимое изображение формируется от продления отраженных лучей и не может проецироваться на экране.

Назовем центром кривизны центр сферы, описывающей точно сферическое зеркало или приблизительно - параболическое зеркало. Фокус будет всегда находиться посередине расстояния между центром кривизны и зеркалом.

Для графического изображения образа предмета, помещенного перед зеркалом, пойдем  простым путем: вычертим три луча с известной нам траекторией:

Луч 1: проводится от верхней части предмета и вычерчивается параллельно оси, а при отражении проходит через фокус.

Луч 2: проводится от верхней части предмета и направлен к центру кривизны, при отражении же проходит в том же направлении.

Луч 3: проводится от верхней части предмета и направлен к фокусу, а, отражаясь, уходит параллельно оси.

В зависимости от расстояния между предметом и зеркалом изображение отличается. Рассмотрим наблюдателя, находящегося в разных положениях:

Наблюдатель находится позади центра кривизны. Изображение реально, перевернуто и меньше его

Когда наблюдатель находится прямо по центру кривизны, его изображение видится в реальном размере, но перевернутым.

Когда наблюдатель находится между центром кривизны и фокусом, его изображение, мнимое и перевернутое, имеет больший размер чем он, и увеличивается, пока наблюдатель не окажется в фокусе. В фокусе лучи не сходятся, остаются параллельными до бесконечности; наблюдатель увидит размытое и неузнаваемое изображение, которое заполнит все зеркало.

Изображение становится мнимым и видится правосторонним и увеличенным, когда наблюдатель подходит к зеркалу.

Выпуклые зеркала

Наблюдая конструкцию, подобную вогнутым зеркалам, заметим, что в выпуклом зеркале изображение всегда мнимо, правосторонне и меньше предмета, независимо от положения, в котором мы находимся.

Такого типа зеркала часто используются в качестве зеркал заднего вида на автомобилях и мотоциклах, потому что они обеспечивают более широкое поле зрения, но мы должны учитывать, что наш мозг интерпретирует предметы находящимися дальше, чем они есть на самом деле.

Очень простой способ экспериментирования с такого типа зеркалом – использование шара на рождественской елке, имеющего исключительно полированную поверхность, или кастрюлю. Обратите внимание, что с любой стороны осмотра, даже если  перемещать сферу или двигаться самому, вы всегда увидите свое отражение.

Дополнительную информацию см. в:

Лучи света в параболическом зеркале 

Эксперименты со сферическими зеркалами