Zákon reflexe (fyzika): Co to je a jak to funguje?

Vidět svůj odraz v zrcadle je něco tak běžného, ​​že byste to mohli považovat za samozřejmost, ale je toho hodně, co je třeba zvážit, jen číhat pod povrchem.

Plochý povrch zrcadla ve vaší koupelně by mohl poskytnout dokonalý odraz, ale jak zakřivená zrcadla funhouse vytvářejí tak bizarní zkreslení, díky čemuž vypadáte jako ultravysoký nebo krátký a dřepělý? Jak se může každý světelný paprsek odrazit od povrchu tak dokonalým způsobem, aby vytvořil jasný obraz? Proč nevidíte jasný odraz od drsného povrchu?

Tyto otázky by mohly být takovým typem věcí, jaké byste si představovali, že by se nadměrně horlivé dítě mohlo zeptat, ale fyzika reflexe, a zejména zákon reflexe, vysvětluje mnoho jevů a je důležitým odrazovým můstkem k pochopení složitějších konceptů, jako je refrakce a Snellova zákon.

Když světelná vlna zasáhne povrch, celá nebo její část se ostře otočí a znovu se od povrchu odrazí. U hladkého povrchu, jako je rovinné zrcadlo, se odráží téměř veškeré světlo, které na něj dopadá, a výsledný obraz je čistý „zrcadlový“ odraz. Toto je forma reflexe, kterou budete nejvíce znát, a bezpochyby to, na co si pomyslíte, když si představíte reflexi.

Zrcadlový odraz však není jediným typem: existují také rozptýlené odrazy světla. Když paralelní světelné paprsky dopadnou na drsný povrch, jednotlivé světelné paprsky mírně zasáhnou různé body a odrážejí se v různých směrech v důsledku nepravidelnosti drsnosti povrch. Tento jev se nazývá difúzní odraz, protože i když je stále odráženo celé světlo, jsou světelné vlny rozptýleny všude kolem a nevytvářejí jediný ostrý obraz.

V některých případech, například na povrchu okna, si všimnete fintového odrazu, který je mnohem méně jasně definovaný, než byste viděli v zrcadle. Je to proto, že na takovém rozhraní existuje určitý tradiční odraz, ale také značná šance, že místo toho bude světlo přenášeno oknem.

PotřebuješSnellov zákonúplně popsat, co se stane se světlem procházejícím oknem (které se dostanelomený), ale zákon odrazu stále vysvětluje, co se stane s odraženým světlem i v této složitější situaci.

Než se pustíme do diskuse o zákonu reflexe, je dobré se naučit terminologii používanou k popisu podobných situací.

Nejprve se světlo na cestě k zrcadlu nebo povrchu označuje jakodopadající světelný paprseknebo jednoduše dopadající světlo a toto světlo po odrazu se nazývápaprsek odraženého světla​.

Theúhel dopadupaprsku dopadajícího světla je úhel, který svírá s „normální čarou“ pro povrch v bodě dopadu. „Normální“ v tomto kontextu znamená čáru, která v tomto bodě kolmo vyčnívá z povrchu, takže světelný paprsek dopadající na čelní zrcadlo bude mít úhel dopadu 0 stupňů, zatímco dokonale úhlopříčně dopadající paprsek bude mít úhel 45 stupňů výskyt.

Theúhel odrazuje velmi podobný úhlu dopadu, ale jak můžete očekávat, popisuje úhel, který paprsek odraženého světla svírá s normální linií k povrchu v místě dopadu. Toto je pouze protějšek úhlu dopadu definovaného výše.

Za zmínku stojí také to, že světelný paprsek je mírně idealizovaný způsob, jak popsat světlo - v podstatě jen přemýšlíte jde o dokonale rovné paprsky, zatímco ve skutečnosti jde o příčnou vlnu, která je mnohem komplikovanější popsat. Pro pochopení reflexe však tuto úroveň podrobností nepotřebujete - vždy je dobré si ve fyzice věci zjednodušit!

Zákon odrazu říká, že pro dopadající paprsek světla se úhel dopadu bude rovnat úhlu odrazu. Zjednodušeně řečeno, pokud se světelný paprsek přiblíží k reflexní ploše přesně kolmo na povrch, odrazí se rovně zpět podél stejné čáry, ale pokud to není úplně kolmé, odráží se to na druhou stranu kolmé čáry stejnou množství.

Volání úhlu odrazuθ​_r a úhel dopaduθ​_i, zákon odrazu je jednoduše:

Pokud tedy svítíte laserovým ukazovátkem na své koupelnové zrcadlo pod úhlem 45 stupňů k normální linii (tedy přesně v polovině cesty mezi zarovnáno s obličejem zrcadla a je na něj kolmé), pak se odrazí v opačném úhlu 45 stupňů směr.

Přemýšlejte o hráči bazénu, který odráží míč od ploché části polštáře, nebo o tenistovi, který posuzuje úhel, do kterého se míč odrazí po dopadu na zem. Obě tyto situace nejsoudokonalestejné z hlediska úhlu dopadu a úhlu odrazu (protože v obou případech dochází ke ztrátě energie), ale světlo se v zásadě chová stejně.

Nejjednodušším příkladem zákona odrazu je pohled do rovinného zrcadla. Představte si, že se díváte dolů do zrcadla v plné délce u svých nohou, a přemýšlejte o tom, kam světelné paprsky ve skutečnosti cestují.

Světelné paprsky vycházejí z vašich nohou nahoru k zrcadlu pod určitým úhlem dopadu. Zákon odrazu nám říká, že úhel, pod kterým se odráží, musí odpovídat úhlu, pod kterým dopadal, takže musí udeřit zrcadlo asi na půli cesty mezi nohama a výškou očí, a to můžete s trochou přesně vypočítat trigonometrie.

Možná jste si všimli některých problémů s odrazy, když se pokoušíte sledovat televizi, a toto je další příklad zákona odrazu v každodenním životě. Problém je v tom, že televizor má hladký povrch a účinně funguje jako rovinné zrcadlo pro slunce nebo světlo lampy, které ničí váš obraz.

Ačkoli existuje mnoho technologických pokusů to napravit, můžete využít zákon odrazu a jednoduše otočit televizor změňte úhel mezi normální linií k obrazovce a dopadajícím světlem, čímž odraz odrazu od sebe oční linie.

Zrcadla Fun-house jsou trochu komplikovanější, ale pokud se nad tím zamyslíte, můžete pochopit, o co jdetvarpovrchu zrcadla. Přemýšlejte o tom, jak by zákon odrazu platil pro zrcadlo, které bylo mírně zakřivené, takže horní a dolní část vyčnívaly ven a střed byl poměrně dále vzadu. Jak by se změnil váš obraz?

Existuje mnoho příkladů problémů, které můžete vyzkoušet se základním pochopením toho, co zákon znamená, ale jeden je obzvláště zajímavý a měl by vám pomoci zvládnout klíčové pojmy.

Představte si dvě zrcadla navzájem v úhlu 90 stupňů a setkejte se na jednom okraji, jako by vytvářely poloviční čtvercový tvar. Pokud na tato dvě zrcadla záříte paprskem světla, bude se odrážet od prvního, potom od druhého a poté od zrcadla. Úhel, který se nakonec odráží zpět, je však rovnoběžný s úhlem dopadu.

Můžete to dokázat? Představte si, že světlo dopadá na 30 ° na první zrcadlo, a poté projděte dráhu paprsku jeden po druhém a uvidíte, co dostanete. Pokud to uděláte, co kdyby to nebylo konkrétně 30 °, a právě jste řekli, že to byl incident pod úhlemφmísto toho - dokážete obecně totéž?