Prawo odbicia (fizyka): co to jest i jak działa?

Widzenie swojego odbicia w lustrze jest czymś tak powszechnym, że możesz uznać to za pewnik, ale jest wiele rzeczy do rozważenia, po prostu czających się pod powierzchnią.

Płaska powierzchnia lustra w Twojej łazience może dać idealne odbicie, ale w jaki sposób zakrzywione lustra fun-house powodują tak dziwaczne zniekształcenia, dzięki czemu wydajesz się bardzo wysoki lub niski i przysadzisty? Jak każdy promień światła może odbijać się od powierzchni w tak doskonały sposób, aby stworzyć wyraźny obraz? Dlaczego nie widać wyraźnego odbicia od szorstkiej powierzchni?

Te pytania mogą być czymś, co wyobrażasz sobie, że nadgorliwe dziecko może zadać, ale fizyka refleksji, a w szczególności prawo odbicia, wyjaśnia wiele zjawisk i jest ważnym krokiem do zrozumienia bardziej złożonych pojęć, takich jak refrakcja i Snella prawo.

Kiedy fala świetlna uderza w powierzchnię, całość lub jej część gwałtownie się odwróci i ponownie odbije od powierzchni. W przypadku gładkiej powierzchni, takiej jak płaskie lustro, prawie całe padające na nie światło jest odbijane, a wynikowy obraz jest czystym, „odblaskowym” odbiciem. Jest to forma odbicia, z którą najlepiej się zapoznasz i bez wątpienia to, o czym pomyślisz, wyobrażając sobie odbicie.

Jednak odbicie lustrzane nie jest jedynym rodzajem: istnieją również rozproszone odbicia światła. Gdy równoległe promienie światła uderzają w chropowatą powierzchnię, poszczególne promienie lekko uderzają różne punkty i odbijają się w różnych kierunkach w wyniku nieregularności chropowatości powierzchnia. Nazywa się to odbiciem rozproszonym, ponieważ chociaż całe światło jest nadal odbijane, fale świetlne są rozproszone dookoła i nie tworzą pojedynczego, wyraźnego obrazu.

W niektórych przypadkach, na przykład na powierzchni okna, zauważysz delikatne odbicie, które jest znacznie mniej wyraźne niż w lustrze. Dzieje się tak dlatego, że na takim interfejsie mamy do czynienia z pewnym tradycyjnym odbiciem, ale także z dużą szansą, że zamiast tego światło przejdzie przez okno.

PotrzebujeszPrawo Snellaaby w pełni opisać, co dzieje się ze światłem przechodzącym przez okno (co dostajezałamany), ale prawo odbicia wciąż wyjaśnia, co dzieje się z odbitym światłem, nawet w tej bardziej skomplikowanej sytuacji.

Zanim przejdziemy do omówienia prawa odbicia, warto zapoznać się z terminologią używaną do opisywania takich sytuacji.

Po pierwsze, światło na drodze do lustra lub powierzchni jest określane jakopadający promień światłalub po prostu padające światło, a to światło po odbiciu nazywa sięodbity promień światła​.

kąt padaniapadającego promienia świetlnego to kąt, jaki tworzy z „linią normalną” powierzchni w punkcie padania. „Normalny” w tym kontekście oznacza linię, która w tym punkcie wystaje prostopadle z powierzchni, więc promień światła uderza w czoło lustra będzie miało kąt padania 0 stopni, podczas gdy promień padający po przekątnej będzie miał kąt 45 stopni zakres.

kąt odbiciajest bardzo podobny do kąta padania, ale jak można się spodziewać, opisuje kąt, jaki odbity promień światła tworzy z linią normalną do powierzchni w punkcie padania. Jest to tylko odpowiednik kąta padania zdefiniowanego powyżej.

Warto też zauważyć, że promień świetlny to nieco wyidealizowany sposób na opisanie światła – w zasadzie tylko o tym myślisz to w kategoriach idealnie prostych promieni, podczas gdy w rzeczywistości jest to fala poprzeczna i znacznie bardziej skomplikowana opisać. Jednak, aby zrozumieć refleksję, nie potrzebujesz tego poziomu szczegółowości – zawsze dobrze jest upraszczać rzeczy, kiedy tylko możesz w fizyce!

Prawo odbicia mówi, że dla padającego promienia światła kąt padania będzie równy kątowi odbicia. Mówiąc prościej, jeśli promień światła zbliża się do powierzchni odbijającej dokładnie prostopadle do powierzchni, zostanie odbity prosto z powrotem wzdłuż tej samej linii, ale jeśli nie jest całkowicie prostopadła, zostanie odbita na drugą stronę linii ilość.

Wywołanie kąta odbiciaθ​_r i kąt padaniaθ​_ja, formuła prawa odbicia jest po prostu:

Więc jeśli skierujesz wskaźnik laserowy na lustro w łazience pod kątem 45 stopni do normalnej linii (a więc dokładnie w połowie drogi między byciem wyrównane z licem lustra i prostopadłe do niego), wtedy zostanie odbite pod kątem 45 stopni w przeciwną stronę kierunek.

Pomyśl o graczu w bilard odbijającym piłkę od płaskiej części poduszki lub tenisiście oceniającym kąt, pod jakim piłka odbije się po uderzeniu o ziemię. Obie te sytuacje nie sądoskonalerówny pod względem kąta padania i kąta odbicia (ponieważ w obu przypadkach traci się część energii), ale w istocie światło zachowuje się w ten sam sposób.

Najprostszym przykładem prawa odbicia jest spojrzenie w lustro samolotu. Wyobraź sobie, że patrzysz w dół w pełnym lustrze na swoje stopy i zastanawiasz się, gdzie właściwie wędrują promienie światła.

Promienie światła padają od stóp w kierunku lustra pod pewnym kątem padania. Prawo odbicia mówi nam, że kąt, pod którym odbija się, musi pasować do kąta, pod którym pada, więc musi uderzać w lustro w połowie odległości między stopami a wysokością oczu, a możesz to dokładnie obliczyć z odrobiną trygonometria.

Być może zauważyłeś pewne problemy z odbiciami podczas oglądania telewizji, a to jest kolejny przykład prawa odbicia w życiu codziennym. Problem polega na tym, że telewizor ma gładką powierzchnię i skutecznie działa jak płaskie lustro dla słońca lub światła lampy, które psuje obraz.

Chociaż istnieje wiele prób technologicznych, aby to naprawić, możesz wykorzystać prawo odbicia i po prostu przekręcić telewizor, aby zmień kąt między normalną linią a ekranem a padającym światłem, przesuwając w ten sposób odbicie z twojego linia oczu.

Lustra do zabawy są nieco bardziej skomplikowane, ale możesz zrozumieć, co się dzieje, jeśli pomyślisz okształtpowierzchni lustra. Pomyśl o tym, jak prawo odbicia miałoby zastosowanie do lustra, które było lekko zakrzywione, tak że góra i dół wystawały na zewnątrz, a środek był stosunkowo dalej z tyłu. Jak zmieni się Twój wizerunek?

Istnieje wiele przykładowych problemów, które możesz rozwiązać, mając podstawowe zrozumienie tego, co oznacza prawo, ale jeden jest szczególnie interesujący i powinien pomóc w zrozumieniu kluczowych pojęć.

Wyobraź sobie dwa lustra ustawione pod kątem 90 stopni względem siebie i spotykające się na jednej krawędzi, jakby tworzyły pół kwadratu. Jeśli skierujesz promień światła na te dwa lustra, odbije się on od pierwszego, potem od drugiego, a potem odbije się od luster. Jednak kąt, pod którym ostatecznie odbija się z powrotem, jest równoległy do ​​kąta padania.

Czy możesz to udowodnić? Wyobraź sobie, że światło pada pod kątem 30° na pierwsze zwierciadło, a następnie prześledź ścieżkę promienia krok po kroku i zobacz, co otrzymasz. Jeśli tak, co jeśli nie było dokładnie 30°, a po prostu powiedziałeś, że to incydent pod kątemφzamiast tego – czy możesz ogólnie udowodnić to samo?