Законът за отражението (физика): Какво е това и как работи?

Виждайки отражението си в огледалото е нещо толкова често срещано, че може да го приемете за даденост, но има много неща, които да помислите, просто да се дебнете под повърхността.

Плоската повърхност на огледалото във вашата баня може да даде перфектно отражение, но как извитите огледала за забавни къщи произвеждат толкова странни изкривявания, което ви кара да изглеждате ултра високи или ниски и клякащи? Как може всеки светлинен лъч да отскача от повърхността по толкова перфектен начин, че да създаде ясен образ? Защо не можете да видите ясно отражение от грапава повърхност?

Тези въпроси може да са нещо, което бихте си представили, че може да зададе прекалено ревностно дете, но физиката на отражението и по-специално закон на отражението, обяснява много явления и е важна стъпка към разбирането на по-сложни понятия като пречупване и Snell’s закон.

Когато светлинна вълна удари повърхността, цялата или част от нея ще се обърне рязко и ще се отрази отново от повърхността. За гладка повърхност като плоско огледало, почти цялата светлина, която го удря, се отразява и полученото изображение е чисто, „огледално“ отражение. Това е формата на размисъл, с която ще бъдете най-добре запознати, и несъмнено за какво ще се сетите, когато си представяте отражение.

Огледалното отражение обаче не е единственият тип: има и дифузни отражения на светлината. Когато паралелните светлинни лъчи в крайна сметка удрят грапава повърхност, отделните светлинни лъчи удрят леко различни точки и се отразяват в различни посоки в резултат на неравномерността на грубите повърхност. Това се нарича дифузно отражение, защото въпреки че цялата светлина все още се отразява, светлинните вълни се разпръскват навсякъде и не образуват един, отчетлив образ.

В някои случаи, например на повърхността на прозорец, ще забележите финтово отражение, което е много по-малко ясно дефинирано, отколкото бихте виждали на огледало. Това е така, защото при такъв интерфейс има някакво традиционно отражение, но също така и значителен шанс светлината да бъде предадена през прозореца вместо това.

Вие се нуждаетеЗаконът на Снелда опише напълно какво се случва със светлината, пропусната през прозореца (която получавапречупен), но законът на отражението все пак обяснява какво се случва с отразената светлина дори в тази по-сложна ситуация.

Преди да преминете към обсъждане на закона на отражението, е добре да научите терминологията, използвана за описване на ситуации като тази.

Първо, светлината по пътя към огледалото или повърхността е посочена катопадащ светлинен лъчили просто падащата светлина и тази светлина след отражението се наричаотразена светлина лъч​.

Theъгъл на паданена падащия светлинен лъч е ъгълът, който той прави с „нормалната линия“ за повърхността в точката на падане. "Нормално" в този контекст означава линията, която се простира перпендикулярно на повърхността в тази точка, така че светлинен лъч, удрящ огледалото челно ще има ъгъл на падане от 0 градуса, докато лъчът с перфектно диагонално падане ще има ъгъл от 45 градуса на честота.

Theъгъл на отражениее много подобен на ъгъла на падане, но както можете да очаквате, описва ъгъла, който лъчът на отразената светлина прави с нормалната линия към повърхността в точката на падане. Това е просто аналог на ъгъла на падане, определен по-горе.

Също така си струва да се отбележи, че светлинният лъч е леко идеализиран начин за описване на светлината - всъщност просто мислите за това по отношение на идеално прави лъчи, докато в действителност това е напречна вълна и много по-сложно за описвам. За да разберете отражението обаче, не се нуждаете от това ниво на детайлност - винаги е добре да опростите нещата, когато можете по физика!

Законът на отражението гласи, че за падащ лъч светлина ъгълът на падане ще бъде равен на ъгъла на отражение. Казано с прости думи, ако светлинен лъч се приближи до отразяващата повърхност точно перпендикулярно на повърхността, той ще бъде отразен право назад по същата линия, но ако не е съвсем перпендикулярна, тя ще бъде отразена от другата страна на перпендикулярната линия от равна количество.

Извикване на ъгъла на отражениеθ​_r и ъгъла на паданеθ​_i, законът на формулата за отражение е просто:

Така че, ако осветявате лазерен показалец в огледалото на банята си под ъгъл от 45 градуса спрямо нормалната линия (така че точно половината път между подравнен с лицето на огледалото и е перпендикулярен на него), тогава той ще бъде отразен при 45 градуса в обратната посока посока.

Помислете за играч на билярд, който отскача топка от равна част на възглавницата, или тенисист, който преценява ъгъла, в който топката ще отскочи след удара в земята. И двете ситуации не саперфектноравни по отношение на ъгъла на падане и ъгъла на подскачане (защото и в двата случая се губи известна енергия), но по същество светлината се държи по същия начин.

Най-простият пример за закона на отражението е, когато погледнете в плоско огледало. Представете си, че гледате надолу в огледало с пълна дължина в краката си и помислете къде всъщност пътуват светлинните лъчи.

Светлинните лъчи идват от краката ви нагоре към огледалото, под определен ъгъл на падане. Законът на отражението ни казва, че ъгълът, при който той отразява, трябва да съвпада с ъгъла, под който е бил инцидент, така че трябва да удари огледайте около половината път между краката и височината на очите си и можете да изчислите това точно с малко тригонометрия.

Може да сте забелязали някои проблеми с отраженията, когато се опитвате да гледате телевизия и това е още един пример за закона на отражението в ежедневието. Проблемът е, че телевизорът е с гладка повърхност и ефективно действа като равнинно огледало за слънцето или лампата, която разрушава вашата картина.

Въпреки че има много технологични опити да се поправи това, можете да използвате закона на отражението и просто да завъртите телевизора променете ъгъла между нормалната линия към екрана и падащата светлина, като по този начин премествате отражението извън вашето очна линия.

Fun-house огледалата са малко по-сложни, но можете да разберете какво се случва, ако мислите заформана повърхността на огледалото. Помислете как законът на отражението би се прилагал за огледало, което е леко извито, така че отгоре и отдолу да излизат навън, а центърът е сравнително по-назад. Как би се променил имиджът ви?

Има много примерни проблеми, които можете да опитате с основно разбиране на това, което означава законът, но един е особено интересен и трябва да ви помогне да се справите с ключовите понятия.

Представете си две огледала под ъгъл от 90 градуса един към друг и се срещат в единия ръб, сякаш образуват половин квадратна форма. Ако осветявате лъч светлина в тези две огледала, той ще отразява първото, след това второто и след това ще отразява далеч от огледалата. Въпреки това, ъгълът, който в крайна сметка отразява обратно, е успореден на ъгъла на падане.

Можете ли да докажете това? Представете си, че светлината пада на 30 ° върху първото огледало и след това преминете през пътя на лъча една стъпка и вижте какво получавате. Ако го направите, какво ще стане, ако не е било точно 30 ° и току-що сте казали, че става под ъгълφвместо това - можете ли да докажете едно и също нещо като цяло?