Peegeldusseadus (füüsika): mis see on ja kuidas see töötab?

Peeglis peegelduse nägemine on midagi nii tavalist, et võiksite seda võtta kui iseenesestmõistetavat, kuid pinna all varitsemist on palju.

Teie vannitoa peegli tasane pind võib anda täiusliku peegelduse, kuid kuidas kumerad lõbumajapeeglid tekitavad selliseid veidraid moonutusi, muutes teid ülipikkaks või lühikeseks ja kükitatuks? Kuidas saab iga valguskiir pinnalt põrkuda nii täiuslikult, et tekiks selge pilt? Miks ei näe karedalt pinnalt selget peegeldust?

Need küsimused võivad olla sellised, mida võiksite ette kujutada, kui liiga innukas laps võiks küsida, kuid peegeldumise füüsika ja eriti peegeldusseadus, selgitab paljusid nähtusi ja on oluline samm keerukamate mõistete nagu murdumine ja Snelli seadus.

Kui valguslaine tabab pinda, pöörab kogu see või selle osa järsult ümber ja peegeldub uuesti pinnalt. Sellise sileda pinna jaoks nagu tasapinnaline peegel, peegeldub peaaegu kogu seda tabav valgus ja saadud pilt on puhas, peegelpilt. See on peegeldumisvorm, mida tunnete kõige paremini ja kahtlemata sellest, mida mõtlete peegelduse pildistamisel.

Kuid peegelpeegeldus pole ainus tüüp: on ka hajutatud valguse peegeldusi. Kui paralleelsed valguskiired satuvad karedale pinnale, löövad üksikud valguskiired veidi erinevates punktides ja kajastub kareduse ebakorrapärasuse tagajärjel erinevates suundades pind. Seda nimetatakse hajusaks peegelduseks, sest kuigi kogu valgus peegeldub endiselt, hajuvad valguslained ümberringi ega moodusta ühte karget pilti.

Mõnel juhul, näiteks akna pinnal, märkate nõrka peegeldust, mis on palju vähem selgelt määratletud kui peeglist. Seda seetõttu, et sellises liideses on mingi traditsiooniline peegeldus, aga ka märkimisväärne võimalus, et valgus edastatakse hoopis akna kaudu.

Sa vajadSnelli seaduskirjeldada täielikult, mis juhtub läbi akna (mis saabmurdunud), kuid peegeldumisseadus selgitab ikkagi seda, mis peegeldunud valgusega juhtub ka selles keerulisemas olukorras.

Enne järelemõtlemisseaduse üle arutlemist on mõistlik õppida selliste olukordade kirjeldamiseks kasutatavat terminoloogiat.

Esiteks nimetatakse valgust, mis on teel peeglini või pinnale, kuilangev valguskiirvõi lihtsalt langev valgus ja seda valgust pärast peegeldust nimetataksepeegeldunud valguskiir​.

Thelangemisnurklangeva valguskiire nurk, mille see langeb pinna „normaaljoonega“ langemispunktis. Normaalne tähendab selles kontekstis joont, mis ulatub selles punktis pinnast risti välja, nii et valguskiir tabab peegli eesmine langemisnurk on 0 kraadi, täiesti diagonaalselt langeva kiire 45-kraadine esinemissagedus.

Thepeegeldumisnurkon väga sarnane langemisnurgaga, kuid nagu arvata võib, kirjeldab nurka, mille peegeldunud valguskiir langeb langemispunktis pinna normaaljoonega. See on lihtsalt vastand eespool määratletud langemisnurgale.

Samuti väärib märkimist, et valguskiir on valguse kirjeldamiseks veidi idealiseeritud viis - te mõtlete põhimõtteliselt lihtsalt sellele seda täiesti sirgete kiirte osas, samas kui tegelikkuses on see põiklaine ja palju keerulisem kirjeldada. Peegelduse mõistmiseks pole teil aga vaja seda detailitäpsust - füüsikas on alati hea asju lihtsustada!

Peegeldusseadus ütleb, et langeva valguskiire korral on langemisnurk võrdne peegeldumisnurgaga. Lihtsamalt öeldes, kui valguskiir läheneb peegeldavale pinnale täpselt risti, siis peegeldub see otse tagasi mööda sama joont, kuid kui see pole päris risti, peegeldub see risti sirge teisele poole võrdse summa.

Peegeldumisnurga kutsumineθ​_r ja langemisnurkθ​_i, peegeldusseaduse valem on lihtsalt:

Nii et kui helendate oma vannitoa peeglile lasernuppu 45-kraadise nurga all tavalise joone suhtes (nii täpselt poolel teel peegli näoga joondatud ja risti), siis peegeldub see 45 kraadi juures vastupidises suunas suund.

Mõelge basseinimängijale, kes põrkab palli lamedalt padjaosalt, või tennisist, kes hindab nurka, mille pall põrkab pärast maasse löömist. Mõlemad need olukorrad poletäiuslikultlangemisnurga ja põrkenurga poolest võrdne (kuna mõlemal juhul läheb osa energiat kaduma), kuid sisuliselt käitub valgus ühtemoodi.

Lihtsaim näide peegeldumisseadusest on see, kui vaatate lennukipeeglisse. Kujutage ette, et vaatate täispikkuses peeglist oma jalgade alla ja mõelge, kuhu valguskiired tegelikult liiguvad.

Valguskiired tulevad teie jalgadelt üles peegli suunas, teatud langemisnurga all. Peegeldumisseadus ütleb meile, et nurk, mida see peegeldab, peab vastama nurga all, milles see juhtus, nii et see peab tabama peegeldage umbes poolel teel jalgade ja silmade kõrguse vahel ning saate selle natuke arvutada trigonomeetria.

Võib-olla olete telerit vaadates märganud mõningaid probleeme peegeldustega ja see on järjekordne näide peegeldusseadusest igapäevaelus. Probleem on selles, et teler on sile pind ja see toimib tõhusalt teie pilti rikkuva päikese või lambivalguse tasapinnalise peeglina.

Ehkki selle lahendamiseks on palju tehnoloogilisi katseid, saate kasutada peegeldusseadust ja teleri lihtsalt keerata muutke tavalise joone ekraani ja langeva valguse vahelist nurka, liigutades peegelduse enda seest välja silmajoon.

Fun-house peeglid on veidi keerulisemad, kuid saate aru, mis toimub, kui mõelda sellelekujupeegli pinnast. Mõelge, kuidas peegeldumisseadus kehtiks kergelt kõverdatud peegli suhtes, nii et ülemine ja alumine osa ulatuksid välja ja keskpunkt oleks suhteliselt kaugemale tagasi. Kuidas teie pilt muutuks?

Seaduse tähenduse mõistmiseks saate proovida palju näiteid, kuid see on eriti huvitav ja peaks aitama teil põhimõistetega tutvuda.

Kujutage ette kahte peeglit üksteise suhtes 90-kraadise nurga all ja kohtuvad ühes servas, nagu moodustaksid nad pool ruudukujulist kuju. Kui valgustate nende kahe peegli vastu valguskiirt, peegeldub see esimeselt, seejärel teiselt ja peegeldub seejärel peeglitest eemale. Kuid nurk, mille ta lõpuks tagasi peegeldab, on langemisnurgaga paralleelne.

Kas suudate seda tõestada? Kujutage ette, et valgus langeb esimesele peeglile 30 ° juures ja töötage siis kiiruse tee sammhaaval läbi ja vaadake, mida saate. Kui teete, siis mis siis, kui see ei olnud spetsiaalselt 30 ° ja te lihtsalt ütlesite, et see juhtus nurga allφselle asemel - kas suudate sama asja üldiselt tõestada?