Caratteristiche degli specchi piani

Come risponderesti se ti venisse chiesto di descrivere le caratteristiche delle immagini formate da specchi piani? Innanzitutto, dovresti essere sicuro di aver compreso la terminologia in gioco. Uno "specchio aereo" è qualcosa che usi per controllare il tuo aspetto durante un volo transcontinentale o è qualcosa di più banale?

UNspecchio pianoè il tipo di specchio che probabilmente sei più abituato a usare, anche se se i social media sono indicativi, i "selfie" sono in gran parte venuti a sostituire gli specchi reali all'inizio del 21° secolo. Idealmente, uno specchio piano è costituito da una superficie perfettamente piana senza distorsioni e fa rimbalzare il 100% della luce che lo colpisce (luce incidente) con un'angolazione prevedibile.

Sebbene nessuno specchio sia "perfetto", è divertente parlare di entità ideali in fisica. Nel corso dell'apprendimento degli specchi piani, avrai un assaggio della scienza generale dell'ottica e a senso di uno dei tanti modi in cui i tuoi occhi possono ingannarti mentre svolgono il loro lavoro esattamente come progettato.

La luce, nonostante sia quasi ovunque per la maggior parte del tempo, è un'entità difficile da descrivere correttamente, come molte cose in fisica. Puoi apprezzarlo semplicemente osservando il numero di modi in cui la luce è rappresentata non solo nei testi scientifici ma nell'arte. La luce è costituita da particelle o è costituita da onde? Le onde puntano in una direzione particolare?

In ogni caso, la luce visibile all'uomo può essere descritta come avente una lunghezza d'onda compresa tra circa440 e 700 miliardesimi di metro​ (10^–9 m o nm). Poiché la velocità della lucecè costante a circa 3×10⁸ m/s nel vuoto, puoi determinare la frequenza di qualsiasi fonte di luceνdalla sua lunghezza d'onda:= c​.

Quando si parla di specchi, è conveniente rappresentare la luce non come fronti d'onda (come vedresti irradiarsi verso l'esterno dopo aver lanciato una grande roccia in un lago precedentemente placido) ma come raggi. Inoltre, i raggi provenienti dalla stessa sorgente e che colpiscono porzioni di specchi adiacenti possono essere trattati come paralleli. Con questo schema è facile calcolare gli angoli coinvolti nei problemi di specchio piano.

Quando i raggi di luce colpiscono una superficie fisica, il loro percorso può cambiare in diversi modi. I raggi possono rimbalzare sulla superficie, attraversarla o una combinazione di entrambi.

Quando i raggi di luce rimbalzano su un oggetto, questo si chiamariflessione, e quando lo attraversano e si piegano nel processo, questo si chiamarifrazione. Quest'ultima è un'azione delle lenti, mentre l'unica preoccupazione con gli specchi piani (e altri) è la riflessione.

Illegge di riflessioneafferma chel'angolo di incidenza dei raggi luminosi che colpiscono uno specchio piano è uguale all'angolo di riflessione,con entrambi misurati rispetto ad una linea perpendicolare alla superficie dello specchio.

Quando specchi e lenti "elaborano" i raggi luminosi che li colpiscono, "creano" immagini letteralmente modellate da questi fattori: la distanza tra l'oggetto e lo specchio (o centro della lente) e la forma della superficie.

Le lenti per definizione includono più superfici curve, mentreconvesso(curvatura verso l'esterno) econcavogli specchi (curvi verso l'interno) ne contengono ciascuno uno; gli specchi piani rappresentano lo scenario più semplice di tutto ciò che viene menzionato qui.

Se l'immagine formata è dalla stessa parte dei raggi di luce riflessa o rifratta, è aimmagine reale. Ciò significa che per gli specchi, un'immagine reale sarebbe dalla stessa parte di una persona che la guarda (per lenti, sarebbe dall'altra parte poiché la luce viene rifratta piuttosto che riflessa in questo ambientazione). Le immagini che appaiono dietro uno specchio (o davanti a un obiettivo) sono chiamateimmagini virtuali​.

Come può un'immagine formarsi "dietro" uno specchio? Dopotutto, potrebbe non esserci nient'altro che cemento solido per centinaia di miglia... ok, non miglia, ma il muro potrebbe essere molto spesso. Ma pensa un attimo: quando ti guardi allo specchio, esattamente da dove viene "la persona" che vediapparireguardare indietro al tuo da?

Come implicato dai risultati dell'esercizio sopra suggerito, l'immagine sembra essere dietro lo specchio, ma in realtà non lo è. Si tratta quindi di un'immagine virtuale. Esattamente dove e come viene "trovata" questa immagine?

Se si disegna un diagramma che mostra queste situazioni dall'alto, è possibile calcolare la posizione dell'immagine in qualsiasi scenario di specchio piano utilizzando la legge di riflessione. Ad esempio, se un osservatore si trova a 3 m da uno specchio con un angolo di 45 gradi, la sua immagine si troverà direttamente di fronte a lei dall'altra parte dello specchio. Ma quanto lontano?

Usa ilteorema di Pitagoraper determinare questo. La distanza di 3 metri tra l'osservatore e lo specchio è un triangolo rettangolo con ipotenusa di 3 e lati ugualiStale che

Questa è la distanza perpendicolare tra l'osservatore e lo specchio, quindi l'immagine è il doppio di questa distanza dall'osservatore, o 4,24 m.

Oltre ad essere divise in "reali" e "virtuali", le immagini possono anche essereverticaleoinvertito.Chiunque abbia mai usato l'interno di un cucchiaio come specchio ha visto un esempio di immagine capovolta. Si dice che gli specchi piani creino immagini dritte, ma questa è una descrizione fuorviante o almeno incompleta di ciò che sta accadendo, perché si applica solo all'asse y, o asse verticale.

Se guardi in uno specchio, la parte superiore della tua testa è dietro e sopra i tuoi occhi rispetto allo specchio, e di conseguenza, gli occhi dell'immagine sono più vicini e più bassi rispetto allo specchio (e a te) rispetto alla parte posteriore del capo dell'immagine. Le linee che collegano questi punti, viste di lato, sono della stessa lunghezza, ma orientate diversamente (ma simmetricamente) nello spazio. Così l'immagineèinvertito – ma lungo l'asse x!

• Un altro motivo per cui è facile non notare il "capovolgimento" delle immagini in direzione orizzontale da parte degli specchi piani, o almeno più difficile da spiegare, è più biologico che fisico: Quando ti guardi allo specchio, stai vedendo un essere che in generale è bilateralmente simmetrico (cioè, può essere diviso in metà destra e sinistra uguali da una verticale aereo). Se le persone avessero l'abitudine di girare la testa di lato per guardare negli specchi, questa proprietà degli specchi sarebbe probabilmente più saldamente radicata nella mente della persona comune.

Tra gli innumerevoli esempi di specchi piani nell'uso scientifico, industriale e domestico ci sono gli specchi piani incernierati. Questi rappresentano un buon modo per dimostrare le leggi semplici, ma spesso difficili da tradurre in esperienza, che governano gli specchi piani dal punto di vista della geometria.

Se ne hai la possibilità, prova a impostare una serie di tre specchi (potresti non avere cardini, ma non è un ostacolo) orientato ad angoli reciproci di 60 gradi, che dall'alto sembrerebbero una ruota di bicicletta con tre equidistanti raggi. Se hai un goniometro, una fonte di luce e alcuni specchi più piccoli, puoi fare e testare previsioni sui riflessi che "fai" usando la geometria di base come descritto sopra.