Das Gesetz der Reflexion (Physik): Was ist es und wie funktioniert es?

Ihr Spiegelbild zu sehen ist etwas so Alltägliches, dass Sie es vielleicht für selbstverständlich halten, aber es gibt eine Menge zu beachten, wenn Sie nur unter der Oberfläche lauern.

Die flache Oberfläche des Spiegels in Ihrem Badezimmer mag eine perfekte Reflexion geben, aber wie erzeugen gebogene Funhouse-Spiegel solche bizarren Verzerrungen, die Sie ultragroß oder klein und gedrungen erscheinen lassen? Wie kann jeder Lichtstrahl so perfekt von der Oberfläche abprallen, dass ein klares Bild entsteht? Warum können Sie auf einer rauen Oberfläche keine klare Reflexion sehen?

Diese Fragen könnten die Art sein, die ein übereifriges Kind stellen könnte, aber die Physik der Reflexion und insbesondere die particular Reflexionsgesetz, erklärt viele Phänomene und ist ein wichtiges Sprungbrett zum Verständnis komplexerer Konzepte wie Brechung und Snell Recht.

Trifft eine Lichtwelle auf eine Oberfläche, dreht sie sich ganz oder teilweise scharf um und reflektiert wieder von der Oberfläche. Bei einer glatten Oberfläche wie einem ebenen Spiegel wird fast das gesamte auftreffende Licht reflektiert, und das resultierende Bild ist eine saubere, „spiegelnde“ Reflexion. Dies ist die Form der Reflexion, mit der Sie am besten vertraut sind und an die Sie zweifellos denken werden, wenn Sie sich eine Reflexion vorstellen.

Spiegelreflexion ist jedoch nicht die einzige Art: Es gibt auch diffuse Lichtreflexionen. Wenn parallele Lichtstrahlen auf eine raue Oberfläche treffen, treffen die einzelnen Lichtstrahlen leicht auf unterschiedliche Punkte und spiegeln sich durch die Unregelmäßigkeit der Rauhigkeit in unterschiedliche Richtungen Oberfläche. Dies wird als diffuse Reflexion bezeichnet, denn obwohl das gesamte Licht noch reflektiert wird, werden die Lichtwellen rundum gestreut und bilden kein einziges, scharfes Bild.

In einigen Fällen, zum Beispiel an der Oberfläche eines Fensters, werden Sie eine Finte-Reflexion bemerken, die viel weniger klar definiert ist, als Sie sie in einem Spiegel sehen würden. Dies liegt daran, dass an einer solchen Grenzfläche eine gewisse traditionelle Reflexion vorhanden ist, aber auch eine beträchtliche Wahrscheinlichkeit, dass das Licht stattdessen durch das Fenster übertragen wird.

Du brauchstSnells Gesetzvollständig zu beschreiben, was mit dem durch das Fenster durchgelassenen Licht passiert (dasgebrochen), aber das Reflexionsgesetz erklärt auch in dieser komplizierteren Situation, was mit dem reflektierten Licht passiert.

Bevor Sie das Reflexionsgesetz besprechen, sollten Sie sich mit der Terminologie vertraut machen, die verwendet wird, um Situationen wie diese zu beschreiben.

Zunächst wird das Licht auf dem Weg zum Spiegel oder zur Oberfläche alseinfallender Lichtstrahloder einfach das einfallende Licht, und dieses Licht nach der Reflexion heißt dasreflektierter Lichtstrahl​.

DasEinfallswinkeldes einfallenden Lichtstrahls ist der Winkel, den er mit der „Normalen“ zur Oberfläche am Einfallspunkt bildet. „Normal“ bedeutet in diesem Zusammenhang die Linie, die an dieser Stelle senkrecht aus der Oberfläche herausragt, also ein Lichtstrahl auf Spiegel frontal hat einen Einfallswinkel von 0 Grad, während ein perfekt diagonal einfallender Strahl einen 45-Grad-Winkel von. hat Vorfall.

DasReflexionswinkelist dem Einfallswinkel sehr ähnlich, beschreibt aber erwartungsgemäß den Winkel, den der reflektierte Lichtstrahl mit der Normalen zur Oberfläche am Einfallspunkt bildet. Dies ist nur das Gegenstück zum oben definierten Einfallswinkel.

Es ist auch erwähnenswert, dass ein Lichtstrahl eine leicht idealisierte Art ist, Licht zu beschreiben – man denkt im Grunde nur darüber nach es in Bezug auf vollkommen gerade Strahlen, während es in Wirklichkeit eine transversale Welle ist und viel komplizierter zu sein beschreiben. Um die Reflexion zu verstehen, braucht man diese Detailtiefe jedoch nicht – es ist immer gut, die Dinge in der Physik zu vereinfachen, wenn es geht!

Das Reflexionsgesetz besagt, dass für einen einfallenden Lichtstrahl der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist. Vereinfacht gesagt, wenn sich ein Lichtstrahl der reflektierenden Oberfläche genau senkrecht zur Oberfläche nähert, wird er direkt zurück reflektiert entlang derselben Linie, aber wenn sie nicht ganz senkrecht ist, wird sie mit einem Gleichen auf die andere Seite der senkrechten Linie reflektiert Menge.

Nennen des Reflexionswinkelsθ​_r und der Einfallswinkelθ​_ich, die Formel des Reflexionsgesetzes lautet einfach:

Wenn Sie also einen Laserpointer in einem Winkel von 45 Grad zur Normalen auf Ihren Badezimmerspiegel richten (also genau auf halbem Weg zwischen mit der Spiegelfläche ausgerichtet und senkrecht dazu), dann wird es um 45 Grad in die entgegengesetzte Richtung reflektiert Richtung.

Denken Sie an einen Billardspieler, der einen Ball von einem flachen Abschnitt des Kissens abprallt, oder an einen Tennisspieler, der den Winkel beurteilt, in dem der Ball nach dem Aufprall auf den Boden springt. Beide Situationen sind nichtperfekthinsichtlich des Einfallswinkels und des Abprallwinkels gleich (weil in beiden Fällen etwas Energie verloren geht), aber im Wesentlichen verhält sich Licht gleich.

Das einfachste Beispiel für das Reflexionsgesetz ist der Blick in einen ebenen Spiegel. Stellen Sie sich vor, Sie schauen in einem Ganzkörperspiegel zu Ihren Füßen und denken darüber nach, wohin die Lichtstrahlen tatsächlich wandern.

Die Lichtstrahlen kommen von Ihren Füßen in einem bestimmten Einfallswinkel zum Spiegel. Das Reflexionsgesetz sagt uns, dass der Winkel, in dem es reflektiert wird, mit dem Winkel übereinstimmen muss, in dem es einfällt, also muss es auf die spiegeln Sie etwa auf halbem Weg zwischen Ihren Füßen und Augenhöhe, und Sie können dies mit etwas. genau berechnen Trigonometrie.

Möglicherweise haben Sie beim Fernsehen einige Probleme mit Reflexionen bemerkt, und dies ist ein weiteres Beispiel für das Gesetz der Reflexion im Alltag. Das Problem ist, dass der Fernseher eine glatte Oberfläche ist und effektiv als ebener Spiegel für die Sonne oder das Lampenlicht fungiert, das Ihr Bild ruiniert.

Obwohl es viele technologische Versuche gibt, dies zu beheben, können Sie das Reflexionsgesetz nutzen und den Fernseher einfach drehen ändern Sie den Winkel zwischen der Normalen zum Bildschirm und dem einfallenden Licht und verschieben Sie so die Reflexion aus Ihrem Augenlinie.

Fun-House-Spiegel sind etwas komplizierter, aber Sie können verstehen, was los ist, wenn Sie darüber nachdenkengestaltender Spiegeloberfläche. Überlegen Sie, wie das Reflexionsgesetz auf einen leicht gekrümmten Spiegel zutreffen würde, so dass die Ober- und Unterseite herausragen und die Mitte vergleichsweise weiter hinten liegt. Wie würde sich Ihr Image verändern?

Es gibt viele Beispielprobleme, die Sie mit einem grundlegenden Verständnis des Rechts ausprobieren können, aber eines ist besonders interessant und soll Ihnen helfen, sich mit den wichtigsten Begriffen vertraut zu machen.

Stellen Sie sich zwei Spiegel vor, die im 90-Grad-Winkel zueinander stehen und sich an einer Kante treffen, als ob sie eine halbe quadratische Form bilden würden. Wenn Sie einen Lichtstrahl auf diese beiden Spiegel richten, wird er vom ersten, dann vom zweiten und von den Spiegeln weg reflektiert. Der Winkel, in dem es letztendlich zurückreflektiert wird, ist jedoch parallel zum Einfallswinkel.

Können Sie das beweisen? Stellen Sie sich vor, dass das Licht mit 30° auf den ersten Spiegel fällt und arbeiten Sie dann Schritt für Schritt durch den Strahlengang und sehen Sie, was Sie erhalten. Wenn ja, was wäre, wenn es nicht speziell 30° wäre und Sie gerade sagten, dass es schräg eingefallen ist?φstattdessen – können Sie dasselbe im Allgemeinen beweisen?