Tēmā par gaismas izplatīšanos tiek apskatīts gaismas stars, kas atstarojas, piemēram, no spoguļa. Ja spogulim spīdīgajā pusē atrodas punktveida gaismas avots, tad tā radītie gaismas stari atstarojas no spoguļa virsmas. No gaismas avota iziet neaptverams daudzums gaismas staru, bet sākumā apskatīsim tikai dažus no tiem. 1. stars no punktveida avota S iziet leņķī α pret spoguļa virsmu, līdz ar to atstarošanas leņķis arī ir α (1. att.). Ja atstarotais stars nonāk kāda novērotāja acīs, tad viņš ierauga šo punktveida avotu, taču novērotājam liekas, ka avots atrodas aiz spoguļa punktā S1. Punktu S1 sauc par avota S attēlu, kura atrašanās vietu var noteikt, ja no punkta S novelk perpendikulu SO pret spoguļa virsmu un turpina to aiz spoguļa, līdz tas krustojas ar atstarotā stara pagarinājumu, kas arī novilkts aiz spoguļa (1. att.). Ja apskata citu avota S staru, kas nonāk otrā novērotāja acī, tad arī šis novērotājs redz avota S attēlu, turklāt tieši tajā pašā vietā, kurā pirmais novērotājs (1. att.).
1.att. Punktveida avota attēla veidošanās plakanā spogulī
Lai konstruētu kāda priekšmeta spoguļattēlu, ir jāapskata dažādu uz priekšmeta esošu punktu attēli. Piemēram, 2. attēlā redzams I-pad spoguļattēls, uz kura ir atzīmēti 5 punkti (I-P-A-D-S) un apskatīts, kurā vietā atrodas šo punktu spoguļattēli (I1-P1-A1-D1-S1). Tādā veidā ir iegūta priekšmeta kontūra un centra atrašanās vieta. Tā turpinot soli pa solim, var iegūt visu priekšmeta attēlu.
2.att. Priekšmeta attēla veidošanās plakanā spogulī
Bez plakaniem spoguļiem ir arī spoguļi ar liektām virsmām, piemēram, sfēriski spoguļi, kuriem virsma ir sfēriska (3. att.). Ir divu tipu sfēriski spoguļi:
1) ieliekti spoguļi (3. att. a), kuriem atstarojošā virsma ir iekšpusē;
2) izliekti spoguļi (3. att. b), kuriem atstarojošā virsma ir ārpusē.
Virsmas liekuma centru sauc par optisko centru, bet sfēras segmenta virsotnes punktu sauc par polu. Asi, kas iet caur polu un optisko centru, sauc par galveno optisko asi, bet citas asis, kas iet caur optisko centru, sauc par optiskajām blakusasīm.
Ja uz ieliektu spoguli krīt gaismas stars, kas ir paralēls galvenajai optiskajai asij, tad pēc atstarošanās likumiem atstarotais stars šķērso galveno optisko asi punktā F (3. att. a). Šo punktu sauc par fokusu. Arī citi stari, kas krīt uz šo spoguli un ir paralēli galvenajai optiskajai asij, atstarojoties iet caur fokusu F. Ja ieliektā spoguļa vietā ir izliekts spogulis, tad stars pēc atstarošanās nekrusto galveno optisko asi, vārdu sakot, stari izklīst. Šādā gadījumā spoguļa fokuss atrodas tur, kur atstarotā stara pagarinājums šķērso galveno optisko asi (3. att. b).
Aplūko animācijā, kā veidojas attēls izliektā spogulī!
3.att. Atstarošanās no Ieliekta (a) un izliekta (b) spoguļa
Spogulī saskatāmā attēla kvalitāte ir atkarīga no spoguļa virsmas reljefa. Ja spoguļa virsma ir gluda un tās nelīdzenumi nav lielāki par gaismas viļņa garumu, tad paralēls gaismas staru kūlis, kas krīt uz šo virsmu, arī pēc atstarošanās ir paralēls, un mēs redzam skaidru attēlu (1. att. a). Šo sauc par spoguļatstarošanos. Ja atstarojošā virsma ir nelīdzena, tad paralēlie stari pēc atstarošanās izklīst uz visā pusēm (1. att. b). To sauc par difūzo atstarošanos.
1.att. Spoguļatstarošanās un difūzā atstarošanās
Atstarošanās un attēla veidošanās notiek ne tikai uz plakanām spoguļvirsmām, bet arī uz caurspīdīgām plakanām virsmām. Katra virsma, kaut arī tā ir caurspīdīga, daļu gaismas staru tomēr atstaro (2. att.), līdz ar to šīs virsmas daļēji darbojas kā spogulis. Piemēram, loga rūts ir caurspīdīga, bet tā reizē darbojas arī kā spogulis, jo mēs varam gan redzēt tai cauri, gan, labi ieskatoties, redzēt arī apkārtējo priekšmetu spoguļattēlus (2. att.).
2.att. Atstarošanās no caurspīdīgas virsmas
Ja no trīs plakanām spoguļvirsmām izveido “trīs plakņu spoguli” (3. att. a), tad iegūst noderīgu staru atstarošanās ģeometrisko īpašību. Visi stari, kas nonāk “spoguļstūrī” atstarojas paralēli krītošajam staram (3. att. a). Tas nozīmē, ka ir lielāka iespēja, ka krītošais stars nonāks atpakaļ pie starotāja. No šādiem “trīs plakņu spoguļiem” ir uzbūvēts atstarotājs, kuram jau pēc nosaukuma var nojaust, ka tas atstaro gaismu (3. att. b). Magazīna ar šādiem trīs plakņu spoguļiem ir novietota arī uz Mēness. Tos izmanto precīza attāluma mērīšanai līdz Zemes pavadonim. Mēness virzienā tiek raidīts lāzera stars, kas atstarojas uz tur novietotajiem spoguļiem un nonāk atpakaļ uz Zemes. Izmērot, cik ilgā laikā lāzera stars aizceļo turp un atpakaļ, ir iespējams aprēķināt Mēness attālumu ar dažu centimetru precizitāti.
3.att. Atstarotāja darbības princips
Ja mēs kādas plātnes tuvumā novietojam gaismas avotu, tad uz šīs plātnes kritīs tikai daļa no gaismas avota izstarotajiem gaismas stariem un gaismas enerģija, kas nonāks uz plātnes, būs E0 (4. att. a). Ja mēs aiz gaismas avota novietojam plakanu spoguli, tad uz plātnes nonāk nedaudz vairāk gaismas staru, un kopējā gaismas enerģija, kas nonāk līdz plātnei, pieaug līdz E1 (4. att. b). Bet, ja plakanā spoguļa vietā novietos sfērisku spoguli, turklāt vēl tā, ka gaismas avots atrodas spoguļa fokusā, tad uz plātnes nonāks jau krietni vairāk gaismas staru un saņemtā gaismas enerģija pieaugs līdz E2 (4. att. c).
4.att. Ekrāna apgaismojums dažādos gadījumos
Ieliektu (sfērisku) spoguli izmanto, lai no punktveida gaismas avota (nelielas spuldzītes) iegūtu paralēlu gaismas staru kūli, kas vērsts vienā virzienā (5. att. a). Tādā veidā tiek maksimāli izmantota gaismas enerģija, ko spuldzīte izstaro. Tas lieti noder dažādos gaismas prožektoros un, piemēram, automašīnu lukturos (5. att. b).
5.att. Ieliekta spoguļa izmantošana gaismas staru izkliedei
Sfērisku spoguli var izmantot arī pretējam uzdevumam: nevis no punktveida gaismas avota iegūt paralēlu staru kūli, bet gan paralēlu staru kūli sakoncentrēt vienā punktā (6. att.). To var izmantot, piemēram, lai, sakoncentrējot Saules gaismu, uzsildītu ūdeni (6. att.)
Skaties animāciju par ieliektu spoguli!
6.att. Gaismas staru koncentrēšana, izmantojot sfērisku spoguli
Ar plakaniem un sfēriskiem spoguļiem var iegūt dažāda izmēra attēlus, iegūtie attēli var būt gan reāli, gan šķietami. Reāls attēls nozīmē to, ka attēlu iespējams projicēt uz kādas virsmas. Par piemēru reālam attēlam var minēt datora projektoru. Ja mēs ieskatāmies projektora spuldzē, tad mēs attēlu neredzam, tomēr attēls tiek projicēts uz ekrāna, tātad projektorā veidojas reāls attēls. Šķietamu attēlu uz kādas virsmas vai ekrāna projicēt nevar. Šo attēlu var saskatīt tikai tad, kad paskatās tur, kur tas veidojas. Piemēram, šķietams attēls veidojas plakanos spoguļos, turklāt priekšmeta attēls ir vienliels ar priekšmetu (1. att.).
1.att. Attēla iegūšana ar plakanu spoguli
Ar sfērisku spoguļu attēliem ir nedaudz piņķerīgāka lieta, jo attēla parametri ir atkarīgi no attāluma d, kādā priekšmets atrodas no spoguļa. Ja priekšmets atrodas tālāk par diviem fokusa attālumiem (d>2F) no sfēriska izliekta spoguļa, tad iegūst reālu, apgrieztu un samazinātu attēlu, turklāt attēls veidojas attālumā f no spoguļa. Minētajā gadījumā f ir robežās no F līdz 2F (2. att. a). Šādus spoguļus izmanto, piemēram, izklaides vietās, kurās sastopami tā sauktie “greizie spoguļi” (2. att. b). Apskaties, kādas “Greizo spoguļu” īpašības piemīt arī cilindriskiem spoguļiem, ar kuriem var iegūt negaidītus attēlus
2. att. Attēla iegūšana ar sfērisku izliektu spoguli, ja priekšmets atrodas tālāk par 2F no spoguļa
Ja priekšmets no ieliekta sfēriska spoguļa atrodas divu fokusu jeb 2F attālumā, tad tiek iegūts reāls, apgriezts priekšmeta attēls, kas ir vienliels ar priekšmetu (3. att. a). Šādi spoguļi sastopami tajos pašos “greizajos spoguļos”, kuri rāda attēlu, kas vienliels ar priekšmetu, ja priekšmets atrodas no tā divu fokusu attālumā (3. att. b).
3.att. Attēla iegūšana ar ieliektu sfērisku spoguli, ja priekšmets atrodas attālumā 2F no spoguļa
Ja priekšmets no sfēriska spoguļa atrodas attālumā, kas ir intervālā no F līdz 2F, tad tiek iegūts reāls, apgriezts un palielināts attēls (4. att. a). Šāds spogulis ir atrodams iekārtās, kas sakoncentrē Saules enerģiju (4. att. b), tikai šoreiz tiek izmantots apgriezts princips, jo priekšmets un attēls ir apmainījušies lomām. Saule ir it kā palielināts attēls, no kura veidojas samazināts priekšmets. Šī samazināšana nodrošina Saules enerģijas sakoncentrēšanu (4. att. b).
4.att. Palielināta attēla iegūšanas iespējas ar ieliektu sfērisku spoguli
Ja priekšmets atrodas tieši ieliekta sfēriska spoguļa fokusā, tad attēls vispār neveidojas, jo stari pēc atstarošanās turpina savu ceļu paralēli viens otram, nekur nekrustojoties (5. att.).
5.att. Gadījums ar sfērisku spoguli, kad attēls neveidojas
Ar izliektu sfērisku spoguli var iegūt arī tiešu un palielinātu attēlu, tikai tādā gadījumā priekšmetam jāatrodas spogulim tuvāk par fokusa attālumu F (6. att. a). Piemēram, kosmētikas spoguļi ir būvēti tā, lai ar tiem saprātīgā atrašanās attālumā tiktu iegūts palielināts attēls (6. att. b).
6.att. Ar sfērisku spoguli var iegūt tiešu un palielinātu attēlu
Sfēriski spoguļi var būt arī izliekti. Ar šādiem spoguļiem attēlu var iegūt tad, ja priekšmets atrodas tālāk par fokusa attālumu (7. att. a). Iegūtais attēls ir šķietams, tiešs un samazināts. Šādus spoguļus dažkārt izmanto automašīnu sānu spoguļos, lai paplašinātu redzes lauku. Taču diemžēl šādu spoguļu lietošanai ir viens bīstams mīnuss: priekšmeti šajos spoguļos izskatās tālāk nekā tie ir patiesībā. Braucot ar auto, tas ir jāņem vērā, lai neiekļūtu avārijas situācijā, paļaujoties uz spogulī redzamo.
7.att. Attēla iegūšana ar izliektu spoguli.