Loven om refleksion (fysik): Hvad er det, og hvordan fungerer det?

At se din refleksion i spejlet er noget så almindeligt, at du måske tager det for givet, men der er meget at overveje bare at lure under overfladen.

Den flade overflade af spejlet i dit badeværelse kan give en perfekt refleksion, men hvordan producerer buede fun-house spejle sådanne bizarre forvrængninger, der får dig til at virke ultrahøj eller kort og squat? Hvordan kan hver lysstråle hoppe af overfladen på en så perfekt måde at skabe et klart billede? Hvorfor kan du ikke se en klar refleksion fra en ru overflade?

Disse spørgsmål kan være den slags ting, du kan forestille dig, at et alt for nidkært barn kan stille, men refleksionsfysik og især refleksionsloven, forklarer mange fænomener og er en vigtig springbræt til forståelse af mere komplekse begreber som brydning og Snells lov.

Når en lysbølge rammer en overflade, vil hele eller dele af den dreje sig skarpt rundt og reflektere væk fra overfladen igen. For en glat overflade som et plant spejl reflekteres næsten alt det lys, der rammer det, og det resulterende billede er en ren, "spekulær" refleksion. Dette er den form for refleksion, du vil være mest fortrolig med, og uden tvivl hvad du vil tænke på, når du forestiller dig en refleksion.

Spekulær refleksion er imidlertid ikke den eneste type: Der er også diffuse refleksioner af lys. Når parallelle lysstråler ender med at ramme en ru overflade, rammer de enkelte lysstråler let forskellige punkter og reflekteres i forskellige retninger som et resultat af uregelmæssigheden i ru overflade. Dette kaldes en diffus refleksion, for selvom alt lyset stadig reflekteres, er lysbølgerne spredt rundt omkring og danner ikke et enkelt, skarpt billede.

I nogle tilfælde, for eksempel på overfladen af ​​et vindue, vil du bemærke en finrefleksion, der er meget mindre klart defineret, end du ville se ved et spejl. Dette skyldes, at der ved en sådan grænseflade er en vis traditionel refleksion, men også en væsentlig chance for, at lyset i stedet transmitteres gennem vinduet.

Du manglerSnells lovfor fuldstændigt at beskrive, hvad der sker med lyset, der transmitteres gennem vinduet (hvilket fårbrydede), men refleksionsloven forklarer stadig, hvad der sker med det reflekterede lys, selv i denne mere komplicerede situation.

Før vi fortsætter med at diskutere refleksionsloven, er det en god ide at lære den terminologi, der bruges til at beskrive situationer som denne.

For det første betegnes lyset på vej til spejlet eller overfladen somhændende lysstråleeller simpelthen det indfaldende lys, og det lys efter refleksionen kaldesreflekteret lysstråle​.

Detindfaldsvinkelaf den indfaldende lysstråle er den vinkel, den udgør med den "normale linje" for overfladen ved indfaldspunktet. "Normal" betyder i denne sammenhæng den linje, der strækker sig vinkelret ud fra overfladen på det tidspunkt, så en lysstråle rammer en spejl front-on vil have en indfaldsvinkel på 0 grader, mens en perfekt diagonalt indfaldende stråle vil have en 45 graders vinkel på forekomst.

Detrefleksionsvinkelsvarer meget til indfaldsvinklen, men som du måske forventer, beskriver den vinklen den reflekterede lysstråle skaber med den normale linje til overfladen ved indfaldspunktet. Dette er kun modstykket til indfaldsvinklen defineret ovenfor.

Det er også værd at bemærke, at en lysstråle er en lidt idealiseret måde at beskrive lys på - du tænker stort set bare på det i form af perfekt lige stråler, mens det i virkeligheden er en tværgående bølge og meget mere kompliceret at beskrive. Men for at forstå refleksion behøver du ikke dette detaljeringsniveau - det er altid godt at forenkle ting, når du kan i fysik!

Refleksionsloven siger, at for en indfaldende lysstråle vil indfaldsvinklen være lig med refleksionsvinklen. Enkelt sagt, hvis en lysstråle nærmer sig den reflekterende overflade nøjagtigt vinkelret på overfladen, reflekteres den lige tilbage langs den samme linje, men hvis den ikke er helt vinkelret, reflekteres den til den anden side af den vinkelrette linje med en lige beløb.

At kalde refleksionsvinklenθ​_r og indfaldsvinklenθ​_jeg, loven om refleksionsformel er simpelthen:

Så hvis du skinner en laserpeger på dit badeværelsesspejl i en vinkel på 45 grader til den normale linje (så nøjagtigt halvvejs mellem at være justeret med spejlets overflade og vinkelret på det), så reflekteres det ved 45 grader i det modsatte retning.

Tænk på en poolspiller, der hopper en bold fra en flad del af puden, eller en tennisspiller, der bedømmer vinklen, som bolden vil hoppe op efter at have ramt jorden. Begge disse situationer er det ikkeperfektlig med hensyn til indfaldsvinklen og den hoppende vinkel (fordi noget energi går tabt i begge tilfælde), men i det væsentlige opfører lys sig på samme måde.

Det enkleste eksempel på refleksionsloven er, når du ser ind i et plan spejl. Forestil dig, at du kigger ned i et spejl i fuld længde ved dine fødder, og tænk over, hvor lysstrålene rent faktisk kører.

Lysstrålene kommer fra dine fødder op mod spejlet i en bestemt indfaldsvinkel. Refleksionsloven fortæller os, at den vinkel, den reflekterer i, skal matche den vinkel, den var indfaldende i, så den skal ramme den spejl omkring halvvejs mellem dine fødder og højden på dine øjne, og du kan beregne dette nøjagtigt med lidt af trigonometri.

Du har måske bemærket nogle problemer med refleksioner, når du prøver at se tv, og dette er et andet eksempel på refleksionsloven i hverdagen. Problemet er, at tv'et er en glat overflade, og det fungerer effektivt som et plan spejl for solen eller lampelyset, der ødelægger dit billede.

Selvom der er mange teknologiske forsøg på at løse dette, kan du udnytte refleksionsloven og blot dreje tv'et til ændre vinklen mellem den normale linje til skærmen og det indfaldende lys, og flyt derefter refleksionen ud af din øjenlinje.

Fun-house spejle er lidt mere komplicerede, men du kan forstå, hvad der sker, hvis du tænker påformaf spejlets overflade. Tænk over, hvordan refleksionsloven ville gælde for et spejl, der var let buet, så toppen og bunden stak ud, og midten var forholdsvis længere tilbage. Hvordan ville dit billede ændre sig?

Der er mange eksempler på problemer, du kan prøve med en grundlæggende forståelse af, hvad loven betyder, men en er særlig interessant og skulle hjælpe dig med at få fat i nøglebegreberne.

Forestil dig to spejle i en 90 graders vinkel i forhold til hinanden og mødes ved den ene kant, som om de dannede en halv firkantet form. Hvis du skinner en lysstråle på disse to spejle, reflekteres den af ​​den første, derefter den anden og reflekteres derefter væk fra spejlerne. Imidlertid er vinklen, som den i sidste ende reflekterer tilbage, parallel med indfaldsvinklen.

Kan du bevise dette? Forestil dig, at lyset falder ind ved 30 ° på det første spejl, og arbejd derefter gennem strålens sti et trin ad gangen og se hvad du får. Hvis du gør det, hvad hvis det ikke var specifikt 30 °, og du sagde bare, at det hændte i en vinkelφi stedet - kan du bevise det samme generelt?