قانون الانعكاس (الفيزياء): ما هو وكيف يعمل؟

تعتبر رؤية انعكاسك في المرآة أمرًا شائعًا لدرجة أنك قد تعتبره أمرًا مفروغًا منه ، ولكن هناك الكثير مما يجب مراعاته تحت السطح.

قد يعطي السطح المسطح للمرآة في حمامك انعكاسًا مثاليًا ، ولكن كيف تنتج مرايا بيت المرح المنحنية مثل هذه التشوهات الغريبة ، مما يجعلك تبدو طويل القامة أو قصير القرفصاء؟ كيف يمكن لكل شعاع ضوئي أن يرتد عن السطح بطريقة مثالية لخلق صورة واضحة؟ لماذا لا يمكنك رؤية انعكاس واضح من سطح خشن؟

قد تكون هذه الأسئلة من النوع الذي يمكن أن تتخيله قد يطرحه طفل مفرط الحماس ، ولكن فيزياء التفكير ، وعلى وجه الخصوص قانون الانعكاس ، يشرح العديد من الظواهر وهو نقطة انطلاق مهمة لفهم مفاهيم أكثر تعقيدًا مثل الانكسار و Snell’s قانون.

عندما تصطدم موجة ضوئية بسطح ما ، فإن كل أو جزء منها سوف يستدير بشكل حاد وينعكس بعيدًا عن السطح مرة أخرى. لسطح أملس مثل المرآة المستوية ، ينعكس كل الضوء الذي يصطدم بها تقريبًا ، وتكون الصورة الناتجة انعكاسًا نظيفًا "مرآوي". هذا هو شكل الانعكاس الذي ستكون أكثر دراية به ، وبلا شك ما ستفكر فيه عندما تتخيل انعكاسًا.

ومع ذلك ، فإن الانعكاس المرآوي ليس النوع الوحيد: فهناك أيضًا انعكاسات منتشرة للضوء. عندما تصطدم أشعة الضوء المتوازية بسطح خشن ، تصطدم أشعة الضوء الفردية بشكل طفيف نقاط مختلفة وتنعكس في اتجاهات مختلفة نتيجة عدم انتظام الخام سطح - المظهر الخارجي. وهذا ما يسمى الانعكاس المنتشر لأنه على الرغم من أن كل الضوء لا يزال منعكسًا ، إلا أن موجات الضوء مبعثرة في كل مكان ولا تشكل صورة واحدة واضحة.

في بعض الحالات ، على سبيل المثال عند سطح النافذة ، ستلاحظ انعكاسًا خادعًا أقل وضوحًا بكثير مما قد تراه في المرآة. هذا لأنه في مثل هذه الواجهة ، يوجد بعض الانعكاس التقليدي ، ولكن هناك أيضًا فرصة كبيرة لأن ينتقل الضوء عبر النافذة بدلاً من ذلك.

انت تحتاجقانون سنيللوصف تمامًا ما يحدث للضوء المنقول عبر النافذة (الذي يحصل علىمنكسر) ، لكن قانون الانعكاس لا يزال يشرح ما يحدث للضوء المنعكس حتى في هذا الموقف الأكثر تعقيدًا.

قبل الانتقال لمناقشة قانون التفكير ، من الجيد معرفة المصطلحات المستخدمة لوصف مثل هذه المواقف.

أولاً ، يشار إلى الضوء في الطريق إلى المرآة أو السطح باسمشعاع الضوء الساقطأو ببساطة الضوء الساقط ، وهذا الضوء بعد الانعكاس يسمىينعكس شعاع الضوء​.

الزاوية السقوطمن شعاع الضوء الساقط هي الزاوية التي يصنعها مع "الخط الطبيعي" للسطح عند نقطة السقوط. تعني كلمة "عادي" في هذا السياق الخط الذي يمتد عموديًا من السطح عند تلك النقطة ، لذا فإن شعاع الضوء يصطدم بـ مرآة وجهاً لوجه سيكون لها زاوية سقوط 0 درجة ، بينما الشعاع الساقط قطريًا تمامًا سيكون له زاوية 45 درجة سقوط.

الزاوية الانعكاسيشبه إلى حد بعيد زاوية السقوط ، ولكن كما قد تتوقع ، يصف الزاوية التي يصنعها شعاع الضوء المنعكس مع الخط الطبيعي للسطح عند نقطة السقوط. هذا هو فقط المقابل لزاوية السقوط المحددة أعلاه.

من الجدير بالذكر أيضًا أن شعاع الضوء هو طريقة مثالية إلى حد ما لوصف الضوء - ما عليك سوى التفكير فيه إنها من حيث الأشعة المستقيمة تمامًا ، بينما هي في الواقع موجة عرضية وأكثر تعقيدًا بكثير يصف. ومع ذلك ، لفهم الانعكاس ، لا تحتاج إلى هذا المستوى من التفاصيل - من الجيد دائمًا تبسيط الأشياء عندما يمكنك ذلك في الفيزياء!

ينص قانون الانعكاس على أنه بالنسبة لشعاع الضوء الساقط ، فإن زاوية السقوط ستساوي زاوية الانعكاس. بعبارات بسيطة ، إذا اقترب شعاع ضوئي من السطح العاكس بشكل عمودي تمامًا على السطح ، فسوف ينعكس بشكل مستقيم للخلف على نفس الخط ، ولكن إذا لم يكن متعامدًا تمامًا ، فسوف ينعكس على الجانب الآخر من الخط العمودي بمقدار كمية.

استدعاء زاوية الانعكاسθ​_ص وزاوية السقوطθ​_أنا، قانون صيغة الانعكاس هو ببساطة:

لذا ، إذا قمت بتسليط مؤشر ليزر على مرآة حمامك بزاوية 45 درجة للخط الطبيعي (لذلك بالضبط في منتصف المسافة بين تتماشى مع وجه المرآة وتتعامد معها) ، ثم تنعكس بزاوية 45 درجة في الاتجاه المعاكس. اتجاه.

فكر في لاعب البلياردو الذي يرتد كرة من قسم مسطح من الوسادة ، أو لاعب تنس يحكم على الزاوية التي سترتد بها الكرة بعد ارتطامها بالأرض. كلا الحالتين ليست كذلكتمامامتساوية من حيث زاوية السقوط وزاوية الارتداد (لأن بعض الطاقة تضيع في كلتا الحالتين) ، ولكن في جوهرها ، يتصرف الضوء بنفس الطريقة.

أبسط مثال على قانون الانعكاس هو عندما تنظر إلى مرآة مستوية. تخيل أنك تنظر إلى أسفل في مرآة كاملة الطول عند قدميك ، وفكر في المكان الذي تنتقل إليه أشعة الضوء بالفعل.

تأتي أشعة الضوء من قدميك إلى أعلى باتجاه المرآة ، بزاوية وقوع معينة. يخبرنا قانون الانعكاس أن الزاوية التي ينعكس عندها يجب أن تتطابق مع الزاوية التي وقعت عندها ، لذلك يجب أن تضرب ضع مرآة في منتصف المسافة بين قدميك وارتفاع عينيك ، ويمكنك حساب ذلك بالضبط بقليل من علم المثلثات.

ربما لاحظت بعض المشكلات في الانعكاسات عندما تحاول مشاهدة التلفزيون ، وهذا مثال آخر على قانون الانعكاس في الحياة اليومية. تكمن المشكلة في أن التلفزيون سطح أملس ويعمل بشكل فعال كمرآة مستوية للشمس أو ضوء المصباح الذي يفسد صورتك.

على الرغم من وجود العديد من المحاولات التكنولوجية لإصلاح ذلك ، يمكنك الاستفادة من قانون الانعكاس وتحريف التلفزيون ببساطة قم بتغيير الزاوية بين الخط الطبيعي للشاشة والضوء الساقط ، وبالتالي تحريك الانعكاس خارج الخاص بك خط العين.

تعد مرايا بيت المرح أكثر تعقيدًا بعض الشيء ، ولكن يمكنك فهم ما يحدث إذا فكرت فيشكلمن سطح المرآة. فكر في كيفية تطبيق قانون الانعكاس على مرآة منحنية قليلاً ، بحيث يبرز الجزء العلوي والسفلي للخارج ، ويكون المركز بعيدًا نسبيًا. كيف ستتغير صورتك؟

هناك العديد من الأمثلة على المشكلات التي يمكنك تجربتها من خلال فهم أساسي لما يعنيه القانون ، ولكن واحدة منها مثيرة للاهتمام بشكل خاص ويجب أن تساعدك على فهم المفاهيم الأساسية.

تخيل مرآتين بزاوية 90 درجة مع بعضهما البعض وتلتقيان عند حافة واحدة ، كما لو كانت تشكل نصف شكل مربع. إذا قمت بتسليط شعاع من الضوء على هاتين المرآتين ، فسوف ينعكس عن الأولى ، ثم الثانية ، ثم ينعكس بعيدًا عن المرآتين. ومع ذلك ، فإن الزاوية التي تعكسها في النهاية مرة أخرى موازية لزاوية السقوط.

هل يمكنك إثبات ذلك؟ تخيل أن الضوء يسقط عند 30 درجة على المرآة الأولى ثم اعمل عبر مسار الشعاع خطوة واحدة في كل مرة وشاهد ما تحصل عليه. إذا فعلت ذلك ، ماذا لو لم تكن 30 درجة على وجه التحديد ، وقلت للتو إنها كانت حادثة بزاويةφبدلاً من ذلك - هل يمكنك إثبات نفس الشيء بشكل عام؟