A reflexió törvénye (fizika): Mi ez és hogyan működik?

A tükörben látni a tükörképét oly gyakori dolog, hogy ezt magától értetődőnek veheti, de sok mindent el kell fontolni, hogy csak a felszín alatt lapuljon.

A fürdőszobában a tükör sík felülete tökéletes tükröződést adhat, de hogyan hozhatnak létre az ívelt szórakoztató ház tükrök ilyen furcsa torzításokat, amelyek ultramagasnak vagy rövidnek és zömöknek tűnnek? Hogyan tudnak minden fénysugár olyan tökéletesen lepattanni a felszínről, hogy tiszta képet alkossanak? Miért nem láthat tiszta visszaverődést egy durva felületről?

Ezek a kérdések lehetnek olyan dolgok, amelyeket elképzelhet egy túlbuzgó gyermeknek, de a reflexió fizikája és különösen a visszaverődés törvénye, számos jelenséget megmagyaráz, és fontos lépcsőfok az olyan összetettebb fogalmak megértésében, mint a fénytörés és Snell törvény.

Amikor egy fényhullám egy felületet ér, annak egésze vagy egy része élesen megfordul, és újra visszaverődik a felszíntől. A sima felülethez, mint a síktükör, szinte az összes fény visszaverődik, és az így kapott kép tiszta, „tükrös” visszaverődés. Ez a reflexió olyan formája, amelyet a legjobban ismer, és kétségtelenül arra fog gondolni, amikor egy reflexiót készít.

Azonban nem a tükrös visszaverődés az egyetlen típus: Vannak diffúz fényvisszaverődések is. Amikor a párhuzamos fénysugarak durva felületre kerülnek, az egyes fénysugarak enyhén csapnak különböző pontok és különböző irányokban tükröződnek a durva szabálytalanságának eredményeként felület. Ezt diffúz visszaverődésnek nevezzük, mert annak ellenére, hogy az egész fény még mindig visszaverődik, a fényhullámok szétszóródnak, és nem alkotnak egyetlen, éles képet.

Bizonyos esetekben, például egy ablak felületén, észrevesz egy gyenge tükröződést, amely sokkal kevésbé egyértelműen meghatározott, mint amit egy tükörnél látna. Ennek az az oka, hogy egy ilyen interfésznél van némi hagyományos visszaverődés, de jelentős esélye van annak is, hogy a fény inkább az ablakon keresztül kerüljön tovább.

Szükséged vanSnell törvényehogy teljesen leírjuk, hogy mi történik az ablakon átáramló fénnyel (amely bejutmegtört), de a reflexió törvénye még ebben a bonyolultabb helyzetben is megmagyarázza, hogy mi történik a visszavert fénnyel.

Mielőtt továbbtérne a reflexió törvényének tárgyalására, érdemes elsajátítani az ilyen helyzetek leírására használt terminológiát.

Először is, a tükör vagy a felszín felé vezető út fényét abeeső fénysugárvagy egyszerűen a beeső fény, és ezt a fényt a visszaverődés után nevezzükvisszavert fénysugár​.

Abeesési szöga beeső fénysugárnak az a szöge, amelyet a felület „normális vonallal” tesz be a beesési ponton. A „normális” ebben az összefüggésben azt a vonalat jelenti, amely merőlegesen nyúlik ki a felszíntől abban a pontban, tehát egy fénysugár a tükör homlokának 0 fokos beesési szöge van, míg egy tökéletesen átlósan beeső sugárnak 45 fokos előfordulása.

Aa visszaverődés szögenagyon hasonlít a beesési szöghöz, de amint arra számítani lehet, leírja azt a szöget, amelyet a visszavert fénysugár a normális vonallal a beesési pont felületével a felszín felé tesz. Ez csak a fent meghatározott beesési szög megfelelője.

Érdemes megjegyezni azt is, hogy a fénysugár egy kissé idealizált módszer a fény leírására - alapvetően csak arra gondol tökéletesen egyenes sugarak szempontjából, míg a valóságban ez keresztirányú hullám, és sokkal bonyolultabb írja le. A reflexió megértéséhez azonban nincs szüksége ilyen részletességre - mindig jó a dolgok egyszerűsítése, amikor csak lehet a fizikában!

A visszaverődés törvénye kimondja, hogy egy beeső fénysugár esetében a beesési szög megegyezik a visszaverődés szögével. Egyszerűbben fogalmazva: ha egy fénysugár pontosan a felületre merőlegesen közelít a fényvisszaverő felülethez, akkor egyenesen vissza fog tükröződni ugyanazon a vonalon, de ha nem egészen merőleges, akkor a merőleges vonal másik oldalára egyenlő összeg.

A visszaverődés szögének hívásaθ​_r és az incidencia szögeθ​_én, a reflexió törvényének képlete egyszerűen:

Tehát, ha egy lézermutatót ragyog a fürdőszoba tükörénél 45 fokos szögben a normál vonalhoz képest (tehát pontosan a tükör homlokzatához igazodva és arra merőleges), akkor 45 fokos fényvisszaverődéssel ellentétesen irány.

Gondoljon arra, hogy egy medencejátékos elpattan egy labdát a párna egy sík részéről, vagy egy teniszező, aki eldönti, hogy a labda milyen szögben pattan fel a földre érve. Mindkét helyzet nem aztökéletesena beesési szöget és a pattogási szöget tekintve egyenlő (mert mindkét esetben elvész némi energia), de lényegében a fény ugyanúgy viselkedik.

A visszaverődés törvényének legegyszerűbb példája, ha egy síktükörbe néz. Képzelje el, hogy egy teljes hosszúságú tükörben néz le a lábához, és gondolkodjon el azon, hogy valójában hol haladnak a fénysugarak.

A fénysugarak a lábadtól a tükör felé jönnek, egy bizonyos beesési szögben. A visszaverődés törvénye azt mondja nekünk, hogy annak a szögnek, amelyen visszaverődik, meg kell egyeznie azzal a szöggel, amelyen történt, ezért meg kell ütnie a tükrözzön félúton a lábad és a szemed magassága között, és ezt egy kicsit kiszámolhatod trigonometria.

Lehet, hogy észrevett néhány problémát a reflexiókkal, amikor tévét próbál nézni, és ez a példa a reflexió törvényére a mindennapi életben. A probléma az, hogy a TV sima felületű, és hatékonyan síktükörként hat a napra vagy lámpafényre, ami tönkreteszi a képet.

Bár sok technológiai kísérlet van ennek orvoslására, kamatoztathatja a visszaverődés törvényét, és egyszerűen a TV-hez csavarhatja változtassa meg a normál képernyő és a beeső fény közötti szöget, ezzel elmozdítva a visszaverődést a képernyőről szem-vonal.

A szórakoztató ház tükrei kissé bonyolultabbak, de ha belegondolsz, megértheted, mi történikalaka tükör felületének. Gondoljon arra, hogy a visszaverődés törvénye hogyan vonatkozna egy kissé ívelt tükörre úgy, hogy a teteje és az alja kiálljon, és a közepe viszonylag hátrébb legyen. Hogyan változna a képed?

Számos példa van olyan problémára, amelyet kipróbálhat a törvény jelentésének alapos megértésével, de az egyik különösen érdekes, és segít abban, hogy jobban megismerje a legfontosabb fogalmakat.

Képzeljen el két tükröt, amelyek 90 fokos szöget zárnak be egymással és egy szélén találkoznak, mintha fél négyzet alakúak lennének. Ha rávilágít egy fénysugárra erre a két tükörre, az visszaverődik az első, majd a második, majd a tükröktől távol. Az a szög azonban, amelyen végül visszaverődik, párhuzamos a beesési szöggel.

Ezt be tudja bizonyítani? Képzelje el, hogy a fény 30 ° -on esik az első tükörre, majd haladjon végig a sugár útján egy-egy lépésben, és nézze meg, mit kap. Ha mégis, mi lenne, ha nem kifejezetten 30 ° lenne, és csak azt mondta, hogy szögben történtφehelyett - igazolhatja ugyanezt általában?