חוק ההשתקפות (פיזיקה): מה זה ואיך זה עובד?

לראות את ההשתקפות שלך במראה זה משהו כל כך נפוץ שאתה יכול לקחת את זה כמובן מאליו, אבל יש הרבה מה לשקול רק להסתתר מתחת לפני השטח.

המשטח השטוח של המראה בחדר האמבטיה שלך עשוי לתת השתקפות מושלמת, אך כיצד מראות בית כיף מעוקלות מייצרות עיוותים מוזרים כל כך, מה שגורם לך להיראות גבוהות במיוחד או נמוכות וגוץ? כיצד כל קרן אור יכולה לקפוץ מעל פני השטח בצורה כה מושלמת עד כדי יצירת תמונה ברורה? מדוע אינך יכול לראות השתקפות ברורה ממשטח מחוספס?

שאלות אלו עשויות להיות מסוג הדברים שהייתם מדמיינים שילד קנאי יתר עלול לשאול, אך הפיזיקה של ההשתקפות, ובמיוחד חוק ההשתקפות, מסביר תופעות רבות ומהווה אבן דריכה חשובה להבנת מושגים מורכבים יותר כמו שבירה ושל סנל חוֹק.

כאשר גל אור פוגע במשטח, כולו או חלקו יסתובב בחדות ויחזר שוב מהשטח. למשטח חלק כמו מראה מישורית, כמעט כל האור שפוגע בו משתקף, והתמונה המתקבלת היא השתקפות נקייה, "ספקולרית". זוהי צורת ההשתקפות שתכירו ביותר, וללא ספק מה תחשבו כשתדמיינו השתקפות.

עם זאת, השתקפות ספקולרית אינה הסוג היחיד: יש גם השתקפויות אור מפוזרות. כאשר קרני אור מקבילות פוגעות בסופו של דבר במשטח מחוספס, קרני האור הבודדות פוגעות מעט נקודות שונות ומשתקפות לכיוונים שונים כתוצאה מחוסר הסדירות של הגס משטח. זה נקרא השתקפות מפוזרת מכיוון שלמרות שכל האור עדיין מוחזר, גלי האור מפוזרים מסביב ואינם יוצרים תמונה אחת וחדה.

במקרים מסוימים, למשל על פני חלון, תבחין בהשתקפות של גדר הרבה פחות ברורה ממה שהיית רואה במראה. הסיבה לכך היא שבממשק כזה יש השתקפות מסורתית, אך גם סיכוי משמעותי שהאור יועבר דרך החלון במקום זאת.

אתה צריךהחוק של סנלכדי לתאר לחלוטין מה קורה לאור המועבר דרך החלון (שמקבלנשבר), אך חוק ההשתקפות עדיין מסביר מה קורה לאור המוחזר גם במצב מסובך יותר זה.

לפני שעוברים לדיון בחוק ההשתקפות, כדאי ללמוד את המינוח המשמש לתיאור מצבים כאלה.

ראשית, האור בדרך למראה או למשטח מכונהקרן אור תקריתאו פשוט האור האירוע, ואור זה לאחר ההשתקפות נקראקרן אור מוחזרת​.

הזָוִית פְּגִיעָהקרן האור האירוע היא הזווית שהיא עושה עם "הקו הרגיל" לפני השטח בנקודת השכיחות. "נורמלי" בהקשר זה פירושו הקו המשתרע בניצב מעל פני השטח באותה נקודה, כך שקרן אור פוגעת ב במראה חזיתית במראה תהיה זווית של 0 מעלות, ואילו בקרן שמתרחשת בצורה אלכסונית לחלוטין תהיה זווית של 45 מעלות שכיחות.

הזווית השתקפותדומה מאוד לזווית ההיארעות, אך כפי שניתן לצפות, מתאר את הזווית שעושה קרן האור המוחזרת עם הקו הרגיל לפני השטח בנקודת השכיחות. זהו רק המקביל לזווית ההיארעות שהוגדרה לעיל.

ראוי גם לציין שקרן אור היא דרך מעט אידיאלית לתאר את האור - אתה בעצם רק חושב על זה זה במונחים של קרניים ישרות לחלוטין, ואילו במציאות זה גל רוחבי ומסובך הרבה יותר לְתַאֵר. עם זאת, כדי להבין השתקפות, אינך זקוק לרמת פירוט זו - תמיד טוב לפשט דברים כשאפשר בפיזיקה!

חוק ההשתקפות קובע שעבור קרן אור אירוע, זווית ההתרחשות תהיה שווה לזווית ההשתקפות. במילים פשוטות, אם קרן אור מתקרבת למשטח המשקף בדיוק בניצב לפני השטח, היא תשתקף ישר לאחור לאורך אותו קו, אך אם הוא לא לגמרי מאונך, הוא יבוא לידי ביטוי לצד השני של הקו הניצב על ידי שווה כמות.

קורא לזווית ההשתקפותθ​_ר וזווית ההיארעותθ​_אני, נוסח ההשתקפות הוא פשוט:

אז אם אתה מאיר מצביע לייזר על המראה בחדר האמבטיה שלך בזווית של 45 מעלות לקו הרגיל (כך בדיוק חצי בין להיות מיושר עם הפנים של המראה ומאונך אליו), ואז הוא יבוא לידי ביטוי ב 45 מעלות להיפך כיוון.

חשבו על שחקן בריכה שמקפיץ כדור מקטע שטוח של הכרית, או שחקן טניס ששופט את הזווית שהכדור יקפץ מעלה לאחר שהכה בקרקע. שני המצבים האלה לאבאופן מושלםשווה מבחינת זווית ההיארעות וזווית הקפיצה (מכיוון שאנרגיה מסוימת הולכת לאיבוד בשני המקרים), אך במהותה, האור מתנהג באותה צורה.

הדוגמה הפשוטה ביותר לחוק ההשתקפות היא כשאתה מסתכל במראה מישורית. דמיין שאתה מסתכל מטה במראה באורך מלא לרגליך, וחשוב לאן קרני האור באמת עוברות.

קרני האור מגיעות מכפות הרגליים שלך לכיוון המראה, בזווית מסויימת של שכיחות. חוק ההשתקפות אומר לנו שהזווית בה היא משקפת צריכה להתאים לזווית בה נקלע, ולכן עליה לפגוע ב מראה בחצי הדרך בין הרגליים לגובה העיניים, ואתה יכול לחשב את זה בדיוק עם קצת טְרִיגוֹנוֹמֶטרִיָה.

אולי שמתם לב לכמה בעיות בהשתקפויות כשאתם מנסים לצפות בטלוויזיה, וזו דוגמה נוספת לחוק ההשתקפות בחיי היומיום. הבעיה היא שהטלוויזיה היא משטח חלק והיא פועלת ביעילות כמראה מישורית לשמש או לאור מנורה ההורסים לך את התמונה.

למרות שיש הרבה ניסיונות טכנולוגיים לתקן זאת, אתה יכול למנף את חוק ההשתקפות ופשוט לסובב את הטלוויזיה אליו שנה את הזווית בין הקו הרגיל למסך לאור הנפל, ובכך הזז את ההשתקפות החוצה שלך קו עיניים.

מראות של בית כיף הן קצת יותר מסובכות, אבל אתה יכול להבין מה קורה אם אתה חושב על הצוּרָהשל פני המראה. חשבו כיצד חוק ההשתקפות יחול על מראה מעוקלת מעט, כך שהחלק העליון והתחתון בלטו החוצה, והמרכז היה יחסית אחורה. איך התמונה שלך תשתנה?

ישנן בעיות רבות לדוגמא שתוכלו לנסות בהבנה בסיסית של משמעות החוק, אך אחת מהן מעניינת במיוחד ואמורה לעזור לכם להתמודד עם מושגי המפתח.

דמיין שתי מראות בזווית של 90 מעלות זו לזו ונפגשות בקצה אחד, כאילו הן יוצרות חצי צורה מרובעת. אם אתה מאיר קרן אור על שתי המראות הללו, הוא ישקף את הראשון, ואז את השני, ואז ישקף הרחק מהמראות. עם זאת, הזווית בה היא משקפת בסופו של דבר חזרה מקבילה לזווית ההיארעות.

אתה יכול להוכיח זאת? תאר לעצמך שהאור מתרחש ב 30 מעלות על המראה הראשונה ואז עבד דרך הקרן צעד אחר צעד ותראה מה אתה מקבל. אם כן, מה אם זה לא היה ספציפי 30 מעלות, ורק אמרת שזה אירוע בזוויתφבמקום זאת - האם אתה יכול להוכיח את אותו הדבר באופן כללי?