La legge della riflessione (fisica): cos'è e come funziona?

Vedere il tuo riflesso nello specchio è qualcosa di così comune che potresti darlo per scontato, ma c'è molto da considerare solo in agguato sotto la superficie.

La superficie piatta dello specchio del tuo bagno potrebbe dare un riflesso perfetto, ma in che modo gli specchi curvi della casa dei divertimenti producono distorsioni così bizzarre, facendoti sembrare ultra-alto o basso e tozzo? Come può ogni raggio di luce rimbalzare sulla superficie in modo così perfetto da creare un'immagine nitida? Perché non riesci a vedere un riflesso chiaro da una superficie ruvida?

Queste domande potrebbero essere il tipo di cosa che immagineresti possa chiedere un bambino troppo zelante, ma la fisica della riflessione, e in particolare il legge di riflessione, spiega molti fenomeni ed è un importante trampolino di lancio per la comprensione di concetti più complessi come la rifrazione e Snell's legge.

Quando un'onda luminosa colpisce una superficie, tutta o parte di essa si girerà bruscamente e si rifletterà nuovamente lontano dalla superficie. Per una superficie liscia come uno specchio piano, quasi tutta la luce che la colpisce viene riflessa e l'immagine risultante è un riflesso pulito e "speculare". Questa è la forma di riflesso con cui avrai più familiarità e senza dubbio ciò a cui penserai quando immagini un riflesso.

Tuttavia, la riflessione speculare non è l'unico tipo: ci sono anche riflessi diffusi di luce. Quando i raggi di luce paralleli finiscono per colpire una superficie ruvida, i singoli raggi di luce colpiscono leggermente punti diversi e si riflettono in direzioni diverse a causa dell'irregolarità del grezzo superficie. Questo è chiamato riflesso diffuso perché anche se tutta la luce è ancora riflessa, le onde luminose sono sparse tutt'intorno e non formano un'unica immagine nitida.

In alcuni casi, ad esempio sulla superficie di una finestra, noterai una finta riflessione molto meno definita di quella che vedresti davanti a uno specchio. Questo perché a tale interfaccia c'è qualche riflesso tradizionale, ma anche una sostanziale possibilità che la luce venga invece trasmessa attraverso la finestra.

Hai bisognolegge di Snellnellper descrivere completamente cosa succede alla luce trasmessa attraverso la finestra (che ottienerifratto), ma la legge della riflessione spiega ancora cosa succede alla luce riflessa anche in questa situazione più complicata.

Prima di passare alla discussione sulla legge della riflessione, è una buona idea imparare la terminologia usata per descrivere situazioni come questa.

In primo luogo, la luce sulla strada per lo specchio o la superficie è indicata come ilraggio di luce incidenteo semplicemente la luce incidente, e quella luce dopo il riflesso è chiamata laraggio di luce riflesso​.

Ilangolo di incidenzadel raggio di luce incidente è l'angolo che esso forma con la “retta normale” per la superficie nel punto di incidenza. "Normale" in questo contesto significa la linea che si estende perpendicolarmente dalla superficie in quel punto, quindi un raggio di luce che colpisce un lo specchio frontalmente avrà un angolo di incidenza di 0 gradi, mentre un raggio perfettamente incidente diagonalmente avrà un angolo di 45 gradi di incidenza.

Ilangolo di riflessioneè molto simile all'angolo di incidenza, ma come ci si può aspettare, descrive l'angolo che il raggio di luce riflesso forma con la linea normale alla superficie nel punto di incidenza. Questa è solo la controparte dell'angolo di incidenza sopra definito.

Vale anche la pena notare che un raggio di luce è un modo leggermente idealizzato per descrivere la luce - in pratica basta pensare in termini di raggi perfettamente dritti, mentre in realtà è un'onda trasversale e molto più complicata da descrivere. Tuttavia, per comprendere la riflessione, non hai bisogno di questo livello di dettaglio: è sempre bene semplificare le cose quando puoi in fisica!

La legge della riflessione afferma che per un raggio di luce incidente, l'angolo di incidenza sarà uguale all'angolo di riflessione. In parole povere, se un raggio di luce si avvicina alla superficie riflettente esattamente perpendicolare alla superficie, verrà riflesso direttamente all'indietro lungo la stessa linea, ma se non è del tutto perpendicolare, verrà riflesso dall'altra parte della linea perpendicolare da un uguale quantità.

Chiamare l'angolo di riflessioneθ​_r e l'angolo di incidenzaθ​_io, la formula della legge di riflessione è semplicemente:

Quindi, se punti un puntatore laser sullo specchio del bagno con un angolo di 45 gradi rispetto alla linea normale (quindi esattamente a metà strada tra l'essere allineato con la faccia dello specchio ed essendo perpendicolare ad esso), allora sarà riflesso a 45 gradi al contrario direzione.

Pensa a un giocatore di biliardo che fa rimbalzare una palla da una sezione piatta del cuscino o a un giocatore di tennis che giudica l'angolo in cui la palla rimbalzerà dopo aver toccato il suolo. Entrambe queste situazioni non lo sonoperfettamenteuguale in termini di angolo di incidenza e angolo di rimbalzo (perché in entrambi i casi si perde energia), ma in sostanza la luce si comporta allo stesso modo.

L'esempio più semplice della legge della riflessione è quando guardi in uno specchio piano. Immagina di guardare i tuoi piedi in uno specchio a figura intera e pensa a dove viaggiano effettivamente i raggi di luce.

I raggi di luce provengono dai tuoi piedi verso lo specchio, con un certo angolo di incidenza. La legge della riflessione ci dice che l'angolo in cui riflette deve corrispondere all'angolo in cui è stato incidente, quindi deve colpire il specchia a metà strada tra i tuoi piedi e l'altezza dei tuoi occhi, e puoi calcolarlo esattamente con un po' di trigonometria.

Potresti aver notato alcuni problemi con i riflessi quando stai cercando di guardare la TV, e questo è un altro esempio della legge del riflesso nella vita di tutti i giorni. Il problema è che la TV è una superficie liscia e agisce efficacemente come uno specchio piano per il sole o la luce della lampada che sta rovinando la tua immagine.

Sebbene ci siano molti tentativi tecnologici per risolvere questo problema, puoi sfruttare la legge di riflessione e semplicemente ruotare la TV per cambia l'angolo tra la linea normale allo schermo e la luce incidente, spostando così il riflesso fuori dal tuo linea degli occhi.

Gli specchi della casa dei divertimenti sono un po' più complicati, ma puoi capire cosa sta succedendo se pensi alformadella superficie dello specchio. Pensa a come si applicherebbe la legge di riflessione a uno specchio leggermente curvo, in modo che la parte superiore e inferiore sporgessero e il centro fosse relativamente più indietro. Come cambierebbe la tua immagine?

Ci sono molti esempi di problemi che puoi provare con una comprensione di base del significato della legge, ma uno è particolarmente interessante e dovrebbe aiutarti a fare i conti con i concetti chiave.

Immagina due specchi con un angolo di 90 gradi l'uno rispetto all'altro e che si incontrano su un bordo, come se formassero un mezzo quadrato. Se fai brillare un raggio di luce su questi due specchi, si rifletterà sul primo, poi sul secondo e poi si rifletterà lontano dagli specchi. Tuttavia, l'angolo in cui si riflette alla fine è parallelo all'angolo di incidenza.

Puoi dimostrarlo? Immagina che la luce incida a 30° sul primo specchio e poi lavora lungo il percorso del raggio un passo alla volta e guarda cosa ottieni. Se lo fai, e se non fosse specificamente di 30°, e hai appena detto che è stato un incidente ad angolo?φinvece – puoi dimostrare la stessa cosa in generale?