Heijastuslaki (fysiikka): mikä se on ja miten se toimii?

Heijastuksesi näkyminen peilissä on jotain niin yleistä, että saatat pitää sitä itsestään selvänä, mutta on paljon harkittavaa vain piiloutua pinnan alla.

Kylpyhuoneesi peilin tasainen pinta saattaa antaa täydellisen heijastuksen, mutta miten kaarevat huvitalon peilit tuottavat niin omituisia vääristymiä, mikä tekee sinusta näyttävän erittäin pitkä tai lyhyt ja kyykky? Kuinka kukin valonsäde voi pomppia pinnalta niin täydellisellä tavalla, että se luo selkeän kuvan? Miksi et näe selkeää heijastusta karkealta pinnalta?

Nämä kysymykset saattavat olla sellainen asia, jonka kuvittelisit liian innokkaan lapsen saattavan kysyä, mutta heijastuksen fysiikka ja erityisesti heijastuslaki, selittää monia ilmiöitä ja on tärkeä lähtökivi monimutkaisempien käsitteiden, kuten taittumisen ja Snellin, ymmärtämiselle laki.

Kun valoaalto osuu pintaan, sen koko tai osa kääntyy jyrkästi ja heijastuu jälleen pois pinnasta. Tasaiselle pinnalle kuten tasopeilille lähes kaikki siihen osuva valo heijastuu, ja tuloksena oleva kuva on puhdas, "heijastava" heijastus. Tämä on heijastuksen muoto, jonka tunnet parhaiten, ja epäilemättä siitä, mistä ajattelet kuvitellessasi heijastusta.

Silmälasiheijastus ei kuitenkaan ole ainoa tyyppi: Valossa on myös hajaheijastuksia. Kun yhdensuuntaiset valonsäteet osuvat karkeaan pintaan, yksittäiset valonsäteet iskevät hieman eri pisteissä ja heijastuvat eri suuntiin karkean epäsäännöllisyyden seurauksena pinta. Tätä kutsutaan hajaheijastukseksi, koska vaikka koko valo heijastuu edelleen, valoaallot ovat hajallaan ympäri eivätkä muodosta yhtä, terävää kuvaa.

Joissakin tapauksissa, esimerkiksi ikkunan pinnalla, huomaat heikon heijastuksen, joka on paljon vähemmän selvästi määritelty kuin peilissä. Tämä johtuu siitä, että tällaisessa rajapinnassa on jonkin verran perinteistä heijastusta, mutta myös huomattava mahdollisuus, että valo siirtyy sen sijaan ikkunan läpi.

TarvitsetSnellin lakikuvaamaan täysin, mitä tapahtuu ikkunan läpi läpäisevälle valolle (joka saataittunut), mutta heijastuslaki selittää edelleen, mitä heijastuneelle valolle tapahtuu myös tässä monimutkaisemmassa tilanteessa.

Ennen kuin siirryt keskustelemaan heijastuslaista, on hyvä oppia terminologia, jota käytetään tällaisten tilanteiden kuvaamiseen.

Ensinnäkin valoa, joka on matkalla peiliin tai pintaan, kutsutaantunkeutuva valonsädetai yksinkertaisesti tuleva valo, ja sitä valoa heijastuksen jälkeen kutsutaanheijastunut valonsäde​.

tulokulmaTuleva valonsäde on kulma, jonka se tekee pinnan "normaaliviivan" kanssa tulokohdassa. "Normaali" tarkoittaa tässä yhteydessä viivaa, joka ulottuu kohtisuorassa pinnan yläpuolelle tässä kohdassa, joten valonsäde osuu peilin edessä on 0 asteen tulokulma, kun taas täysin diagonaalisesti tulevalla säteellä on 45 asteen kulma esiintyvyys.

heijastuskulmaon hyvin samanlainen kuin tulokulma, mutta kuten voit odottaa, kuvaa kulmaa, jonka heijastunut valonsäde tekee normaalin viivan kanssa pintaan tulokohdassa. Tämä on vain vastine edellä määritellylle tulokulmalle.

On myös syytä huomata, että valonsäde on hieman idealisoitu tapa kuvata valoa - ajattelet vain se on täysin suoria säteitä, kun taas todellisuudessa se on poikittainen aalto ja paljon monimutkaisempi kuvaile. Pohdinnan ymmärtämiseksi sinun ei kuitenkaan tarvitse tätä yksityiskohtia - on aina hyvä yksinkertaistaa asioita fysiikassa!

Heijastuslain mukaan tulevalle valonsäteelle tulokulma on sama kuin heijastuskulma. Yksinkertaisesti sanottuna, jos valonsäde lähestyy heijastavaa pintaa tarkalleen kohtisuorassa pintaa vastaan, se heijastuu suoraan taaksepäin samaa linjaa pitkin, mutta jos se ei ole aivan kohtisuorassa, se heijastuu kohtisuoran viivan toiselle puolelle yhtä suurella määrä.

Heijastuskulman kutsuminenθ​_r ja tulokulmaθ​_i, heijastuslain kaava on yksinkertaisesti:

Joten jos loistat laserosoittimen kylpyhuoneesi peiliin 45 asteen kulmassa normaaliin viivaan nähden (niin tarkalleen puolivälissä peilin pinnan kanssa ja kohtisuorassa sitä vasten), sitten se heijastuu 45 astetta vastakkaiseen suuntaan suunta.

Ajattele biljardipelaajaa, joka pomppii pallon pois tyynyn tasaisesta osasta, tai tennispelaaja, joka arvioi kulman, jonka pallo ponnahtaa ylös osuessaan maahan. Molemmat näistä tilanteista eivät oletäydellisestiyhtä suuri tulokulman ja pomppimiskulman suhteen (koska jonkin verran energiaa menetetään molemmissa tapauksissa), mutta pohjimmiltaan valo käyttäytyy samalla tavalla.

Yksinkertaisin esimerkki heijastuslaista on, kun katsot tasopeiliin. Kuvittele, että katsot alaspäin täyspitkässä peilissä jaloissasi ja mieti, mihin valonsäteet todella kulkeutuvat.

Valonsäteet tulevat jaloistasi kohti peiliä, tietyssä tulokulmassa. Heijastuslaki kertoo meille, että sen heijastaman kulman on vastattava kulmaa, johon se osui, joten sen on osuttava peili noin puolivälissä jalkojesi ja silmiesi korkeuden välillä, ja voit laskea tämän tarkalleen hieman trigonometria.

Olet ehkä huomannut joitakin heijastumisongelmia, kun yrität katsella televisiota, ja tämä on toinen esimerkki heijastuslaista jokapäiväisessä elämässä. Ongelmana on, että televisio on sileä pinta ja se toimii tehokkaasti tasaisena peilinä auringolle tai lampun valolle, joka pilaa kuvan.

Vaikka tämän korjaamiseksi on monia teknisiä yrityksiä, voit hyödyntää heijastuslakia ja yksinkertaisesti kiertää television siihen muuta normaalin viivan näyttöön ja tulevan valon välistä kulmaa siirtäen siten heijastuksen pois kuvastasi silmälinja.

Fun-house-peilit ovat hieman monimutkaisempia, mutta voit ymmärtää, mitä tapahtuu, jos ajatteletmuotopeilin pinnasta. Ajattele, kuinka heijastuslaki koskisi hieman kaarevaa peiliä niin, että ylä- ja alaosa ulkonivat ja keskusta oli verrattain taaksepäin. Kuinka kuvasi muuttuisi?

On monia esimerkkiongelmia, joita voit kokeilla perustiedot siitä, mitä laki tarkoittaa, mutta yksi on erityisen mielenkiintoinen ja sen pitäisi auttaa sinua käsittelemään avainkäsitteitä.

Kuvittele kaksi peiliä 90 asteen kulmassa toisiinsa nähden ja kohtaavat yhdellä reunalla, ikään kuin ne muodostavat puoli neliön muotoisen peilin. Jos loistat valonsädettä näihin kahteen peiliin, se heijastuu pois ensimmäisestä, sitten toisesta ja heijastuu sitten poispäin peileistä. Kulma, jonka se lopulta heijastaa, on kuitenkin yhdensuuntainen tulokulman kanssa.

Voitko todistaa tämän? Kuvittele, että valo sattuu 30 °: een ensimmäiseen peiliin, ja käy sitten läpi säteen polun vaihe kerrallaan ja katso, mitä saat. Jos teet, entä jos se ei ole nimenomaan 30 °, ja sanoit vain, että se tapahtui kulmassaφsen sijaan - voitko todistaa saman asian yleensä?