Ο νόμος του προβληματισμού (Φυσική): Τι είναι και πώς λειτουργεί;

Το να βλέπεις τον προβληματισμό σου στον καθρέφτη είναι κάτι τόσο κοινό που μπορεί να το θεωρείς δεδομένο, αλλά υπάρχουν πολλά που πρέπει να σκεφτείς να κρυφτείς κάτω από την επιφάνεια.

Η επίπεδη επιφάνεια του καθρέφτη στο μπάνιο σας μπορεί να δώσει μια τέλεια αντανάκλαση, αλλά πώς οι καμπύλοι καθρέφτες fun-house παράγουν τέτοιες παράξενες παραμορφώσεις, κάνοντάς σας να φαίνονται εξαιρετικά ψηλοί ή κοντοί και κοντόχοντροι; Πώς μπορεί κάθε ακτίνα φωτός να αναπηδά από την επιφάνεια με τέλειο τρόπο ώστε να δημιουργεί μια καθαρή εικόνα; Γιατί δεν μπορείτε να δείτε μια καθαρή αντανάκλαση από μια τραχιά επιφάνεια;

Αυτές οι ερωτήσεις μπορεί να είναι το είδος των πραγμάτων που θα φανταζόσασταν ένα παιδί με υπερβολικό ζήλο, αλλά η φυσική του προβληματισμού, και ιδίως η ο νόμος του προβληματισμού, εξηγεί πολλά φαινόμενα και αποτελεί σημαντικό βήμα για την κατανόηση πιο περίπλοκων εννοιών όπως η διάθλαση και το Snell νόμος.

Όταν ένα φως κύμα χτυπήσει μια επιφάνεια, ολόκληρο ή μέρος αυτής θα γυρίσει απότομα και θα αντανακλάται ξανά από την επιφάνεια. Για μια ομαλή επιφάνεια όπως ένα επίπεδο καθρέφτη, σχεδόν όλο το φως που χτυπά αντανακλάται, και η εικόνα που προκύπτει είναι μια καθαρή, «κερδοσκοπική» αντανάκλαση. Αυτή είναι η μορφή προβληματισμού με την οποία θα είστε πιο εξοικειωμένοι και αναμφίβολα τι θα σκεφτείτε όταν φωτογραφίζετε μια αντανάκλαση.

Ωστόσο, η κατοπτρική ανάκλαση δεν είναι ο μόνος τύπος: Υπάρχουν επίσης διάχυτες αντανακλάσεις του φωτός. Όταν οι παράλληλες ακτίνες φωτός καταλήγουν σε μια τραχιά επιφάνεια, οι μεμονωμένες ακτίνες φωτός χτυπούν ελαφρώς διαφορετικά σημεία και αντικατοπτρίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις ως αποτέλεσμα της παρατυπίας της τραχιάς επιφάνεια. Αυτό ονομάζεται διάχυτη αντανάκλαση, επειδή παρόλο που όλο το φως εξακολουθεί να ανακλάται, τα κύματα φωτός είναι διάσπαρτα παντού και δεν σχηματίζουν μια ενιαία, τραγανή εικόνα.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, για παράδειγμα στην επιφάνεια ενός παραθύρου, θα παρατηρήσετε μια αντανάκλαση παραπλανητικής που είναι πολύ λιγότερο ξεκάθαρη από ότι θα δείτε σε έναν καθρέφτη. Αυτό συμβαίνει επειδή σε μια τέτοια διεπαφή, υπάρχει κάποια παραδοσιακή αντανάκλαση, αλλά και σημαντική πιθανότητα το φως να μεταδοθεί μέσω του παραθύρου αντ 'αυτού.

ΧρειάζεσαιΟ νόμος του Snellγια να περιγράψουμε πλήρως τι συμβαίνει στο φως που μεταδίδεται μέσω του παραθύρου (το οποίο παίρνειδιαθλασμένος, αλλά ο νόμος της ανάκλασης εξακολουθεί να εξηγεί τι συμβαίνει στο ανακλώμενο φως ακόμη και σε αυτήν την πιο περίπλοκη κατάσταση.

Πριν προχωρήσουμε για να συζητήσουμε τον νόμο του προβληματισμού, είναι καλή ιδέα να μάθετε την ορολογία που χρησιμοποιείται για να περιγράψετε καταστάσεις όπως αυτή.

Πρώτον, το φως στο δρόμο προς τον καθρέφτη ή την επιφάνεια αναφέρεται ως τοσυμβάν φωτόςή απλά το φως του περιστατικού, και αυτό το φως μετά την αντανάκλαση ονομάζεταιανακλώμενη ακτίνα φωτός​.

ογωνία πρόσπτωσηςτης προσπίπτουσας ακτίνας φωτός είναι η γωνία που κάνει με την «κανονική γραμμή» για την επιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης. «Κανονικό» σε αυτό το πλαίσιο σημαίνει τη γραμμή που εκτείνεται κάθετα έξω από την επιφάνεια σε αυτό το σημείο, έτσι ώστε μια ακτίνα φωτός να χτυπά το head-on του καθρέφτη θα έχει γωνία πρόσκρουσης 0 μοιρών, ενώ μια τέλεια διαγώνια-προσπίπτουσα ακτίνα θα έχει γωνία 45 μοιρών επίπτωση.

ογωνία ανάκλασηςείναι πολύ παρόμοια με τη γωνία πρόσπτωσης, αλλά όπως μπορείτε να περιμένετε, περιγράφει τη γωνία που κάνει η ανακλώμενη ακτίνα φωτός με την κανονική γραμμή προς την επιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης. Αυτό είναι μόνο το αντίστοιχο της γωνίας συχνότητας που ορίζεται παραπάνω.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι μια ακτίνα φωτός είναι ένας ελαφρώς ιδανικός τρόπος για να περιγράψετε το φως - βασικά απλά σκεφτείτε σε όρους απόλυτα ευθείες ακτίνες, ενώ στην πραγματικότητα είναι ένα εγκάρσιο κύμα και πολύ πιο περίπλοκο περιγράφω. Ωστόσο, για να κατανοήσετε τον προβληματισμό, δεν χρειάζεστε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας - είναι πάντα καλό να απλοποιείτε τα πράγματα όταν μπορείτε στη φυσική!

Ο νόμος της ανάκλασης δηλώνει ότι για μια προσπίπτουσα ακτίνα φωτός, η γωνία πρόσπτωσης θα ισούται με τη γωνία ανάκλασης. Με απλά λόγια, εάν μια ακτίνα φωτός πλησιάζει την ανακλαστική επιφάνεια ακριβώς κάθετη προς την επιφάνεια, θα ανακλάται ευθεία πίσω κατά μήκος της ίδιας γραμμής, αλλά εάν δεν είναι αρκετά κάθετη, θα αντανακλάται στην άλλη πλευρά της κάθετης γραμμής με ίσο ποσό.

Κλήση της γωνίας ανάκλασηςθ​_ρ και η γωνία επίπτωσηςθ​_Εγώ, ο νόμος του τύπου αντανάκλασης είναι απλά:

Αν λοιπόν λάμψετε ένα δείκτη λέιζερ στον καθρέφτη του μπάνιου σας υπό γωνία 45 μοιρών προς την κανονική γραμμή (έτσι ακριβώς στα μισά ευθυγραμμισμένο με το πρόσωπο του καθρέφτη και κάθετο προς αυτό), τότε θα ανακλάται στους 45 μοίρες στο αντίθετο κατεύθυνση.

Σκεφτείτε έναν παίκτη μπιλιάρδου που αναπηδά μια μπάλα από ένα επίπεδο τμήμα του μαξιλαριού, ή έναν τενίστα που κρίνει τη γωνία που θα αναπηδήσει η μπάλα μετά το χτύπημα στο έδαφος. Και οι δύο αυτές καταστάσεις δεν είναιτέλειαίση από την άποψη της γωνίας πρόσπτωσης και της γωνίας αναπήδησης (επειδή κάποια ενέργεια χάνεται και στις δύο περιπτώσεις), αλλά στην ουσία, το φως συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο.

Το απλούστερο παράδειγμα του νόμου του προβληματισμού είναι όταν κοιτάζετε σε έναν καθρέφτη. Φανταστείτε ότι κοιτάτε κάτω σε έναν καθρέφτη πλήρους μήκους στα πόδια σας και σκεφτείτε πού πραγματικά ταξιδεύουν οι ακτίνες φωτός.

Οι ακτίνες φωτός έρχονται από τα πόδια σας προς τον καθρέφτη, σε μια συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης. Ο νόμος του προβληματισμού μας λέει ότι η γωνία στην οποία αντανακλά πρέπει να ταιριάζει με τη γωνία στην οποία συνέβη, οπότε πρέπει να χτυπήσει καθρέφτης περίπου στα μισά μεταξύ των ποδιών και του ύψους των ματιών σας και μπορείτε να το υπολογίσετε ακριβώς με λίγο τριγωνομετρία.

Μπορεί να έχετε παρατηρήσει κάποια προβλήματα με τις ανακλάσεις όταν προσπαθείτε να παρακολουθήσετε τηλεόραση και αυτό είναι ένα άλλο παράδειγμα του νόμου του προβληματισμού στην καθημερινή ζωή. Το πρόβλημα είναι ότι η τηλεόραση είναι μια ομαλή επιφάνεια και λειτουργεί αποτελεσματικά ως επίπεδος καθρέφτης για τον ήλιο ή το λαμπτήρα που καταστρέφει την εικόνα σας.

Παρόλο που υπάρχουν πολλές τεχνολογικές προσπάθειες για την επίλυση αυτού του προβλήματος, μπορείτε να αξιοποιήσετε τον νόμο του προβληματισμού και απλά να περιστρέψετε την τηλεόραση αλλάξτε τη γωνία μεταξύ της κανονικής γραμμής στην οθόνη και του προσπίπτοντος φωτός, μετακινώντας έτσι την αντανάκλαση από τη δική σας γραμμή ματιών.

Οι καθρέφτες Fun-house είναι λίγο πιο περίπλοκοι, αλλά μπορείτε να καταλάβετε τι συμβαίνει αν το σκεφτείτεσχήματης επιφάνειας του καθρέφτη. Σκεφτείτε πώς θα εφαρμοζόταν ο νόμος της ανάκλασης σε έναν καθρέφτη που ήταν ελαφρώς καμπυλωτός, έτσι ώστε το πάνω και το κάτω μέρος να προεξέχουν, και το κέντρο ήταν συγκριτικά πιο πίσω. Πώς θα αλλάξει η εικόνα σας;

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα προβλημάτων που μπορείτε να δοκιμάσετε με μια βασική κατανόηση του τι σημαίνει ο νόμος, αλλά ένα είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον και θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε τις βασικές έννοιες.

Φανταστείτε δύο καθρέφτες σε γωνία 90 μοιρών μεταξύ τους και συναντηθείτε στη μία άκρη, σαν να σχηματίζουν μισό τετραγωνικό σχήμα. Εάν λάμψετε μια ακτίνα φωτός σε αυτούς τους δύο καθρέφτες, θα αντανακλά τον πρώτο, μετά τον δεύτερο και, στη συνέχεια, θα ανακλάται από τους καθρέφτες. Ωστόσο, η γωνία στην οποία αντανακλά τελικά είναι παράλληλη με τη γωνία πρόσπτωσης.

Μπορείτε να το αποδείξετε; Φανταστείτε ότι το φως προσπίπτει στις 30 ° στον πρώτο καθρέφτη και, στη συνέχεια, εργαστείτε στη διαδρομή της ακτίνας ένα βήμα τη φορά και δείτε τι παίρνετε. Αν ναι, τι γίνεται αν δεν ήταν συγκεκριμένα 30 ° και μόλις είπατε ότι ήταν περιστατικό υπό γωνίαφαντ 'αυτού - μπορείτε να αποδείξετε το ίδιο πράγμα γενικά;