Loven om refleksjon (fysikk): Hva er det og hvordan fungerer det?

Å se refleksjonen din i speilet er noe så vanlig at du kan ta det for gitt, men det er mye å vurdere å bare lure under overflaten.

Den flate overflaten av speilet på badet ditt kan gi en perfekt refleksjon, men hvordan gir buede morsomme speil slike bisarre forvrengninger, slik at du virker ultrahøy eller kort og knebøy? Hvordan kan hver lysstråle sprette av overflaten på en så perfekt måte at det skaper et klart bilde? Hvorfor kan du ikke se en klar refleksjon fra en grov overflate?

Disse spørsmålene kan være den slags ting du kan forestille deg at et overivrig barn kan stille, men refleksjonens fysikk, og spesielt refleksjonsloven, forklarer mange fenomener og er et viktig skritt for å forstå mer komplekse begreper som refraksjon og Snells lov.

Når en lysbølge treffer en overflate, vil hele eller deler av den snu seg kraftig og reflektere vekk fra overflaten igjen. For en jevn overflate som et plan speil, reflekteres nesten alt lyset som treffer det, og det resulterende bildet er en ren, "spekulær" refleksjon. Dette er den form for refleksjon du vil være mest kjent med, og utvilsomt hva du vil tenke på når du forestiller deg en refleksjon.

Speilrefleksjon er imidlertid ikke den eneste typen: Det er også diffuse refleksjoner av lys. Når parallelle lysstråler ender med å treffe en grov overflate, slår de individuelle lysstrålene litt forskjellige punkter og reflekteres i forskjellige retninger som et resultat av uregelmessigheten i grovet flate. Dette kalles en diffus refleksjon fordi selv om alt lyset fortsatt reflekteres, er lysbølgene spredt rundt og danner ikke et eneste skarpt bilde.

I noen tilfeller, for eksempel på overflaten av et vindu, vil du legge merke til en finrefleksjon som er mye mindre tydelig definert enn du ville sett i et speil. Dette skyldes at det ved et slikt grensesnitt er tradisjonell refleksjon, men også en betydelig sjanse for at lyset i stedet blir overført gjennom vinduet.

Du trengerSnells lovfor å fullstendig beskrive hva som skjer med lyset som overføres gjennom vinduet (som fårbrytet), men loven om refleksjon forklarer fortsatt hva som skjer med det reflekterte lyset selv i denne mer kompliserte situasjonen.

Før du går videre til diskusjonsloven, er det lurt å lære seg terminologien som brukes til å beskrive situasjoner som denne.

Først blir lyset på vei til speilet eller overflaten referert til sominnfallende lysstråleeller rett og slett hendelseslyset, og det lyset etter refleksjonen kallesreflektert lysstråle​.

DeInnfallsvinkelav den innfallende lysstrålen er vinkelen den gjør med den "normale linjen" for overflaten ved innfallspunktet. "Normal" i denne sammenheng betyr linjen som strekker seg vinkelrett ut fra overflaten på det punktet, så en lysstråle som treffer en speil front-on vil ha en innfallsvinkel på 0 grader, mens en perfekt diagonalt innfallende stråle vil ha en 45 graders vinkel på forekomst.

Derefleksjonsvinkeler veldig lik innfallsvinkelen, men som du forventer, beskriver vinkelen den reflekterte lysstrålen gjør med normallinjen til overflaten ved innfallspunktet. Dette er bare motstykket til innfallsvinkelen som er definert ovenfor.

Det er også verdt å merke seg at en lysstråle er en litt idealisert måte å beskrive lys på - du tenker i utgangspunktet bare på det når det gjelder helt rette stråler, mens det i virkeligheten er en tverrbølge og mye mer komplisert å beskrive. For å forstå refleksjon trenger du imidlertid ikke dette detaljnivået - det er alltid bra å forenkle ting når du kan i fysikk!

Loven om refleksjon sier at for en innfallende lysstråle vil innfallsvinkelen være lik refleksjonsvinkelen. Enkelt sagt, hvis en lysstråle nærmer seg den reflekterende overflaten nøyaktig vinkelrett på overflaten, vil den reflekteres rett tilbake langs den samme linjen, men hvis den ikke er helt vinkelrett, reflekteres den til den andre siden av den vinkelrette linjen med en lik beløp.

Kaller refleksjonsvinkelenθ​_r og innfallsvinkelenθ​_Jeg, er refleksjonsformelen ganske enkelt:

Så hvis du skinner en laserpeker på speilet ditt i en vinkel på 45 grader til normal linje (så nøyaktig halvveis mellom å være justert med speilets overflate og være vinkelrett på det), så reflekteres det ved 45 grader i motsatt retning retning.

Tenk på en bassengspill som spretter en ball av en flat del av puten, eller en tennisspiller som bedømmer vinkelen ballen vil sprette opp etter å ha slått bakken. Begge disse situasjonene er det ikkeperfektlik når det gjelder innfallsvinkelen og den hoppende vinkelen (fordi noe energi går tapt i begge tilfeller), men i hovedsak oppfører lys seg på samme måte.

Det enkleste eksemplet på refleksjonsloven er når du ser inn i et plan speil. Tenk deg at du ser ned i et speil i full lengde ved føttene, og tenk på hvor lysstrålene faktisk ferdes.

Lysstrålene kommer fra føttene opp mot speilet, i en viss innfallsvinkel. Loven om refleksjon forteller oss at vinkelen den reflekterer i må stemme overens med vinkelen den hendte i, så den må treffe den speil rundt halvveis mellom føttene og øynene, og du kan beregne dette nøyaktig med litt trigonometri.

Du har kanskje lagt merke til noen problemer med refleksjoner når du prøver å se på TV, og dette er et annet eksempel på refleksjonsloven i hverdagen. Problemet er at TV-en er glatt og effektivt fungerer som et plan speil for solen eller lampen som ødelegger bildet ditt.

Selv om det er mange teknologiske forsøk på å fikse dette, kan du utnytte loven om refleksjon og ganske enkelt vri TV-en til endre vinkelen mellom den normale linjen til skjermen og det innfallende lyset, og flytt deretter refleksjonen ut av din øye-linje.

Fun-house speil er litt mer kompliserte, men du kan forstå hva som skjer hvis du tenker påformav speilets overflate. Tenk på hvordan refleksjonsloven ville gjelde et speil som var litt buet, slik at toppen og bunnen stakk ut, og sentrum var relativt lenger bak. Hvordan ville bildet ditt endre seg?

Det er mange eksempler på problemer du kan prøve med en grunnleggende forståelse av hva loven betyr, men en er spesielt interessant og skal hjelpe deg med å få tak i nøkkelbegrepene.

Se for deg to speil i 90 graders vinkel mot hverandre og møtes i den ene kanten, som om de danner en halv firkantet form. Hvis du skinner en lysstråle mot disse to speilene, vil den reflektere av den første, deretter den andre, og deretter reflektere bort fra speilene. Imidlertid er vinkelen den til slutt reflekterer tilbake i, parallell med innfallsvinkelen.

Kan du bevise dette? Tenk deg at lyset faller inn ved 30 ° på det første speilet, og arbeid deretter gjennom strålens bane ett trinn av gangen og se hva du får. Hvis du gjør det, hva om det ikke var spesielt 30 °, og du sa at det skjedde i en vinkelφi stedet - kan du bevise det samme generelt?