De wet van reflectie (natuurkunde): wat is het en hoe werkt het?

Je weerspiegeling in de spiegel zien is iets dat zo gewoon is dat je het als vanzelfsprekend zou beschouwen, maar er is veel om te overwegen om gewoon onder de oppervlakte op de loer te liggen.

Het vlakke oppervlak van de spiegel in uw badkamer geeft misschien een perfecte weerspiegeling, maar hoe produceren gebogen fun-house-spiegels zulke bizarre vervormingen, waardoor u ultralang of klein en gehurkt lijkt? Hoe kan elke lichtstraal zo perfect weerkaatsen van het oppervlak dat er een helder beeld ontstaat? Waarom zie je geen duidelijke reflectie van een ruw oppervlak?

Deze vragen zijn misschien het soort dingen dat je zou denken dat een overijverig kind zou kunnen stellen, maar de fysica van reflectie, en in het bijzonder de wet van reflectie, verklaart veel verschijnselen en is een belangrijke opstap naar het begrijpen van meer complexe concepten zoals breking en Snell's wet.

Wanneer een lichtgolf een oppervlak raakt, zal deze geheel of gedeeltelijk scherp omdraaien en weer wegkaatsen van het oppervlak. Voor een glad oppervlak zoals een vlakke spiegel, wordt bijna al het licht dat erop valt gereflecteerd, en het resulterende beeld is een zuivere, "spiegelende" reflectie. Dit is de vorm van reflectie waar je het meest bekend mee zult zijn, en ongetwijfeld waar je aan zult denken als je je een reflectie voorstelt.

Spiegelreflectie is echter niet het enige type: er zijn ook diffuse reflecties van licht. Wanneer parallelle lichtstralen een ruw oppervlak raken, vallen de individuele lichtstralen een beetje in elkaar verschillende punten en worden in verschillende richtingen weerspiegeld als gevolg van de onregelmatigheid van de rough oppervlakte. Dit wordt een diffuse reflectie genoemd, omdat hoewel al het licht nog steeds wordt gereflecteerd, de lichtgolven overal worden verspreid en geen enkel helder beeld vormen.

In sommige gevallen, bijvoorbeeld aan het oppervlak van een raam, ziet u een schijnreflectie die veel minder duidelijk is dan u in een spiegel zou zien. Dit komt omdat er bij zo'n interface enige traditionele reflectie is, maar ook een aanzienlijke kans dat het licht in plaats daarvan door het raam wordt doorgelaten.

Jij hebt nodigWet van Snellom volledig te beschrijven wat er gebeurt met het licht dat door het raam wordt doorgelaten (watgebroken), maar de wet van reflectie verklaart nog steeds wat er met het gereflecteerde licht gebeurt, zelfs in deze meer gecompliceerde situatie.

Voordat we verder gaan met het bespreken van de wet van reflectie, is het een goed idee om de terminologie te leren die wordt gebruikt om situaties als deze te beschrijven.

Ten eerste wordt het licht op weg naar de spiegel of het oppervlak aangeduid als deinvallende lichtstraalof gewoon het invallende licht, en dat licht na de reflectie heet degereflecteerde lichtstraal​.

Deinvalshoekvan de invallende lichtstraal is de hoek die deze maakt met de "normale lijn" voor het oppervlak op het invalspunt. "Normaal" betekent in deze context de lijn die zich op dat punt loodrecht vanaf het oppervlak uitstrekt, dus een lichtstraal die een frontale spiegel heeft een invalshoek van 0 graden, terwijl een perfect diagonaal invallende straal een hoek van 45 graden heeft van incidentie.

Dehoek van reflectielijkt erg op de invalshoek, maar beschrijft zoals je mag verwachten de hoek die de gereflecteerde lichtstraal maakt met de normaallijn naar het oppervlak op het punt van inval. Dit is slechts de tegenhanger van de hierboven gedefinieerde invalshoek.

Het is ook vermeldenswaard dat een lichtstraal een enigszins geïdealiseerde manier is om licht te beschrijven - je denkt er eigenlijk gewoon aan het in termen van perfect rechte stralen, terwijl het in werkelijkheid een transversale golf is en veel ingewikkelder om beschrijven. Om reflectie te begrijpen, heb je dit detailniveau niet nodig - het is altijd goed om dingen te vereenvoudigen als je kunt in de natuurkunde!

De weerkaatsingswet stelt dat voor een invallende lichtstraal de hoek van inval gelijk is aan de hoek van terugkaatsing. Simpel gezegd, als een lichtstraal het reflecterende oppervlak precies loodrecht op het oppervlak nadert, wordt het direct teruggekaatst langs dezelfde lijn, maar als het niet helemaal loodrecht staat, zal het worden gereflecteerd naar de andere kant van de loodrechte lijn door een gelijke bedrag.

De hoek van reflectie noemenθ​_r en de invalshoekθ​_ik, de formule van de wet van reflectie is eenvoudig:

Dus als je een laserpointer op je badkamerspiegel schijnt in een hoek van 45 graden met de normale lijn (dus precies halverwege tussen zijn uitgelijnd met het gezicht van de spiegel en er loodrecht op staat), dan zal het worden gereflecteerd op 45 graden in het tegenovergestelde richting.

Denk aan een poolspeler die een bal van een vlak gedeelte van het kussen laat stuiteren, of een tennisspeler die de hoek beoordeelt waarin de bal zal stuiteren nadat hij de grond heeft geraakt. Beide situaties zijn nietperfectgelijk in termen van invalshoek en stuiterhoek (omdat in beide gevallen wat energie verloren gaat), maar in wezen gedraagt ​​licht zich op dezelfde manier.

Het eenvoudigste voorbeeld van de wet van reflectie is wanneer je in een vlakke spiegel kijkt. Stel je voor dat je naar beneden kijkt in een grote spiegel aan je voeten, en bedenk waar de lichtstralen eigenlijk naartoe reizen.

De lichtstralen komen van je voeten omhoog naar de spiegel, onder een bepaalde invalshoek. De wet van reflectie vertelt ons dat de hoek waarop het weerkaatst moet overeenkomen met de hoek waarop het viel, dus het moet de must raken spiegel halverwege tussen je voeten en de hoogte van je ogen, en je kunt dit precies berekenen met een beetje trigonometrie.

Je hebt misschien wat problemen met reflecties opgemerkt wanneer je tv probeert te kijken, en dit is een ander voorbeeld van de wet van reflectie in het dagelijks leven. Het probleem is dat de tv een glad oppervlak is en in feite fungeert als een vlakke spiegel voor de zon of het lamplicht dat je beeld verpest.

Hoewel er veel technologische pogingen zijn om dit op te lossen, kunt u gebruikmaken van de wet van reflectie en de tv gewoon draaien om verander de hoek tussen de normaallijn naar het scherm en het invallende licht, waardoor de reflectie uit uw ooglijn.

Fun-house spiegels zijn een beetje ingewikkelder, maar je kunt begrijpen wat er aan de hand is als je nadenkt over devormvan het oppervlak van de spiegel. Bedenk hoe de wet van reflectie van toepassing zou zijn op een spiegel die licht gebogen was, zodat de boven- en onderkant uitstaken en het midden relatief verder naar achteren was. Hoe zou je imago veranderen?

Er zijn veel voorbeeldproblemen die u kunt proberen met een basiskennis van wat de wet betekent, maar één is vooral interessant en zou u moeten helpen om grip te krijgen op de belangrijkste concepten.

Stel je twee spiegels voor die in een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar staan ​​en elkaar aan één rand ontmoeten, alsof ze een halve vierkante vorm vormen. Als je een lichtstraal op deze twee spiegels laat schijnen, zal het op de eerste reflecteren, dan op de tweede, en dan weer wegkaatsen van de spiegels. De hoek waarop het uiteindelijk terugkaatst, is echter evenwijdig aan de invalshoek.

Kunt u dit bewijzen? Stel je voor dat het licht bij 30° invalt op de eerste spiegel en werk dan stap voor stap door het pad van de straal en kijk wat je krijgt. Als je dat doet, wat als het niet specifiek 30° was, en je zei net dat het incident onder een hoek was?φin plaats daarvan - kun je hetzelfde in het algemeen bewijzen?