Zakon refleksije (fizika): što je to i kako djeluje?

Vidjeti svoj odraz u zrcalu nešto je tako uobičajeno da biste to mogli uzeti zdravo za gotovo, ali ima puno toga za uzeti u obzir da se samo vreba pod površinom.

Ravna površina zrcala u vašoj kupaonici može dati savršen odraz, ali kako zakrivljena zrcala iz zabavne kuće stvaraju takva bizarna izobličenja, čineći da djelujete izuzetno visoko ili nisko i čučnu? Kako se svaka svjetlosna zraka može odbiti od površine na tako savršen način da stvori jasnu sliku? Zašto ne možete vidjeti jasan odraz s grube površine?

Ta bi pitanja mogla biti nešto što biste zamislili da pretjerano dijete može pitati, ali fizika refleksije, a posebno zakon refleksije, objašnjava mnoge pojave i važan je korak do razumijevanja složenijih koncepata poput loma i Snella zakon.

Kad svjetlosni val udari u površinu, cijeli će se ili njegov dio naglo okrenuti i ponovno odbiti od površine. Za glatku površinu poput ravnog zrcala odražava se gotovo sva svjetlost koja je pogodi, a rezultirajuća slika je čisti, "zrcalni" odraz. Ovo je oblik refleksije koji će vam biti najpoznatiji i nesumnjivo ono na što ćete pomisliti kad zamislite refleksiju.

Međutim, zrcalna refleksija nije jedina vrsta: postoje i difuzne refleksije svjetlosti. Kad paralelne zrake svjetlosti završe udarom o hrapavu površinu, pojedine zrake svjetlosti lagano udaraju različite točke i odražavaju se u različitim smjerovima kao rezultat nepravilnosti grube površinski. To se naziva difuznim odrazom, jer iako se sva svjetlost i dalje odražava, svjetlosni valovi su raspršeni uokolo i ne tvore jedinstvenu, oštru sliku.

U nekim ćete slučajevima, na primjer na površini prozora, primijetiti odraz finta koji je mnogo manje jasno definiran nego što biste ga vidjeli kod zrcala. To je zato što na takvom sučelju postoji neka tradicionalna refleksija, ali i velika šansa da će se svjetlost umjesto toga propustiti kroz prozor.

TrebašSnellov zakonu potpunosti opisati što se događa sa svjetlošću koja se propušta kroz prozor (koja dobivaprelomljen), ali zakon refleksije i dalje objašnjava što se događa s reflektiranom svjetlošću čak i u ovoj složenijoj situaciji.

Prije nego što prijeđete na raspravu o zakonu odraza, dobro je naučiti terminologiju koja se koristi za opisivanje ovakvih situacija.

Prvo, svjetlost na putu do zrcala ili površine naziva seupadna svjetlosna zrakaili jednostavno upadno svjetlo, a ono svjetlo nakon odraza naziva seodbijena svjetlosna zraka​.

Theupadni kutupadne zrake svjetlosti je kut koji pravi s "normalnom linijom" za površinu na mjestu pada. "Normalno" u ovom kontekstu znači liniju koja se u toj točki pruža okomito s površine, pa svjetlosna zraka udara u zrcalo frontalno imat će upadni kut od 0 stupnjeva, dok će savršeno dijagonalno upadna zraka imati kut od 45 stupnjeva učestalost.

Thekut refleksijeje vrlo sličan upadnom kutu, ali kao što možete očekivati, opisuje kut koji reflektirana svjetlosna zraka čini normalnom linijom prema površini na upadnom mjestu. Ovo je samo pandan gore definiranom upadnom kutu.

Također je vrijedno napomenuti da je svjetlosna zraka pomalo idealiziran način za opisivanje svjetlosti - u osnovi samo razmišljate o tome to u smislu savršeno ravnih zraka, dok je u stvarnosti to poprečni val i puno je složeniji za opisati. Međutim, da biste razumjeli refleksiju, ne trebate ovu razinu detalja - uvijek je dobro pojednostaviti stvari kad možete u fizici!

Zakon refleksije kaže da će za upadnu zraku svjetlosti upadni kut biti jednak kutu refleksije. Jednostavnije rečeno, ako se svjetlosna zraka približi reflektirajućoj površini točno okomito na površinu, odbit će se ravno natrag duž iste crte, ali ako nije sasvim okomita, jednako će se odbiti na drugu stranu okomite crte iznos.

Pozivanje kuta refleksijeθ​_r i upadni kutθ​_ja, zakon refleksione formule je jednostavno:

Dakle, ako osvjetljavate laserski pokazivač na svom ogledalu u kupaonici pod kutom od 45 stupnjeva u odnosu na normalnu liniju (dakle točno na pola puta između poravnato s licem zrcala i okomito na njega), tada će se odbiti na 45 stupnjeva u suprotnom smjer.

Razmislite o igraču bazena koji odbija loptu od ravnog dijela jastuka ili tenisaču koji prosuđuje kut u kojem će se lopta odbiti nakon udara o tlo. Obje ove situacije nisusavršenojednaka u smislu upadnog kuta i kuta odbijanja (jer se u oba slučaja gubi neka energija), ali u osnovi se svjetlost ponaša na isti način.

Najjednostavniji primjer zakona refleksije je kada pogledate u ravninsko zrcalo. Zamislite da gledate dolje u zrcalo pune dužine pred svoje noge i razmislite kamo zapravo putuju zrake svjetlosti.

Svjetlosne zrake dolaze od vaših nogu prema zrcalu, pod određenim upadnim kutom. Zakon refleksije govori nam da se kut pod kojim se odražava mora podudarati s kutom pod kojim se dogodio, pa mora udariti u zrcalite se na pola puta između stopala i visine očiju, i to možete točno izračunati s malo trigonometrija.

Možda ste primijetili neke probleme s refleksijama kada pokušavate gledati TV, a ovo je još jedan primjer zakona refleksije u svakodnevnom životu. Problem je u tome što je televizor glatke površine i učinkovito djeluje kao ravninsko zrcalo za sunce ili svjetlost lampe koja uništava vašu sliku.

Iako postoje mnogi tehnološki pokušaji da se to popravi, možete iskoristiti zakon refleksije i jednostavno uviti televizor promijenite kut između normalne crte na zaslon i upadne svjetlosti, premještajući tako odraz iz vašeg linija oka.

Zabavna zrcala malo su složenija, ali možete razumjeti što se događa ako razmislite ooblikpovršine zrcala. Razmislite o tome kako bi se zakon refleksije primjenjivao na zrcalo koje je bilo blago zakrivljeno, tako da su vrh i dno virili van, a središte je bilo usporedno dalje. Kako bi se promijenila vaša slika?

Mnogo je primjera problema koje možete isprobati s osnovnim razumijevanjem zakona što znači, ali jedan je posebno zanimljiv i trebao bi vam pomoći da se upoznate s ključnim konceptima.

Zamislite dva zrcala pod kutom od 90 stupnjeva koja se susreću na jednom rubu, kao da tvore polovinu kvadratnog oblika. Ako osvijetlite zraku svjetlosti na ova dva zrcala, ona će se odbiti od prvog, zatim od drugog, a zatim odbiti od ogledala. Međutim, kut pod kojim se na kraju odražava natrag paralelan je upadnom kutu.

Možete li to dokazati? Zamislite da svjetlost pada na 30 ° na prvo zrcalo, a zatim prođite put zrake korak po korak i pogledajte što ćete dobiti. Ako to učinite, što ako nije točno 30 °, a upravo ste rekli da se događa pod kutomφumjesto toga - možete li uopće dokazati istu stvar?