Legea reflecției (fizică): ce este și cum funcționează?

A vă vedea reflexia în oglindă este ceva atât de obișnuit încât s-ar putea să o luați de la sine înțeles, dar există multe de luat în considerare doar pândind sub suprafață.

Suprafața plană a oglinzii din baia dvs. poate oferi o reflecție perfectă, dar cum oglinzile curbe ale casei de distracție produc astfel de distorsiuni bizare, făcându-vă să păreați ultra-înalt sau scurt și ghemuit? Cum poate fiecare rază de lumină să sară de pe suprafață într-un mod atât de perfect încât să creeze o imagine clară? De ce nu puteți vedea o reflexie clară de pe o suprafață aspră?

Aceste întrebări ar putea fi genul de lucruri pe care ți-ai imagina că le-ar putea pune un copil excesiv de zel, dar fizica reflecției și, în special, legea reflecției, explică multe fenomene și este o piatră de temelie importantă pentru a înțelege concepte mai complexe precum refracția și Snell’s lege.

Când o undă luminoasă lovește o suprafață, toată sau o parte din ea se va întoarce brusc și se va reflecta din nou de la suprafață. Pentru o suprafață netedă ca o oglindă plană, aproape toată lumina care o lovește este reflectată, iar imaginea rezultată este o reflecție curată, „speculară”. Aceasta este forma de reflecție cu care vă veți familiariza cel mai mult și, fără îndoială, la ce vă veți gândi atunci când vă imaginați o reflecție.

Cu toate acestea, reflexia speculară nu este singurul tip: există și reflexii difuze ale luminii. Când razele de lumină paralele ajung să lovească o suprafață aspră, razele de lumină individuale lovesc ușor puncte diferite și se reflectă în direcții diferite ca urmare a neregulii a durului suprafaţă. Aceasta se numește o reflecție difuză, deoarece, deși toată lumina este încă reflectată, undele de lumină sunt împrăștiate peste tot și nu formează o singură imagine clară.

În unele cazuri, de exemplu la suprafața unei ferestre, veți observa o reflecție a feintei mult mai puțin definită decât ați vedea la o oglindă. Acest lucru se datorează faptului că la o astfel de interfață, există o reflecție tradițională, dar și o șansă substanțială ca lumina să fie transmisă în schimb prin fereastră.

Ai nevoieLegea lui Snellpentru a descrie complet ce se întâmplă cu lumina transmisă prin fereastră (care devinerefractat), dar legea reflecției explică încă ce se întâmplă cu lumina reflectată chiar și în această situație mai complicată.

Înainte de a continua să discutăm legea reflecției, este o idee bună să învățăm terminologia utilizată pentru a descrie situații de acest gen.

În primul rând, lumina pe drumul spre oglindă sau suprafață este denumitărază de lumină incidentăsau pur și simplu lumina incidentă, iar acea lumină după reflexie se numeșterază de lumină reflectată​.

unghiu de incidentadin raza de lumină incidentă este unghiul pe care îl face cu „linia normală” pentru suprafață la punctul de incidență. „Normal” în acest context înseamnă linia care se extinde perpendicular pe suprafață în acel punct, astfel încât o rază de lumină care lovește o oglinda frontală va avea un unghi de incidență de 0 grade, în timp ce o rază cu incidență perfectă în diagonală va avea un unghi de 45 de grade incidenţă.

unghi de reflexieeste foarte asemănător cu unghiul de incidență, dar, după cum vă puteți aștepta, descrie unghiul pe care raza de lumină reflectată îl face cu linia normală față de suprafață la punctul de incidență. Acesta este doar contrapartida la unghiul de incidență definit mai sus.

De asemenea, merită remarcat faptul că o rază de lumină este o modalitate ușor idealizată de a descrie lumina - practic nu vă gândiți decât în termeni de raze perfect drepte, în timp ce în realitate este o undă transversală și mult mai complicată descrie. Cu toate acestea, pentru a înțelege reflecția, nu aveți nevoie de acest nivel de detaliu - este întotdeauna bine să simplificați lucrurile atunci când puteți în fizică!

Legea reflecției afirmă că pentru o rază de lumină incidentă, unghiul de incidență va fi egal cu unghiul de reflexie. Mai simplu spus, dacă o rază de lumină se apropie de suprafața reflexivă exact perpendiculară pe suprafață, aceasta va fi reflectată direct înapoi de-a lungul aceleiași linii, dar dacă nu este destul de perpendiculară, va fi reflectată pe cealaltă parte a liniei perpendiculare cu un egal Cantitate.

Apelarea unghiului de reflexieθ​_r și unghiul de incidențăθ​_eu, formula legii reflexiei este pur și simplu:

Deci, dacă străluciți un indicator laser la oglinda de la baie la un unghi de 45 de grade față de linia normală (deci exact la jumătatea distanței dintre a fi aliniat cu fața oglinzii și fiind perpendicular pe acesta), atunci va fi reflectat la 45 de grade în opus direcţie.

Gândiți-vă la un jucător de biliard care aruncă o minge dintr-o secțiune plană a pernei sau la un jucător de tenis care apreciază unghiul în care mingea va sări după ce a lovit solul. Ambele situații nu suntperfectegal în ceea ce privește unghiul de incidență și unghiul de ricoșare (deoarece o parte din energie se pierde în ambele cazuri), dar în esență, lumina se comportă în același mod.

Cel mai simplu exemplu al legii reflexiei este atunci când te uiți într-o oglindă plană. Imaginează-ți că te uiți în jos într-o oglindă lungă la picioare și gândește-te unde călătoresc efectiv razele de lumină.

Razele de lumină vin de la picioarele tale către oglindă, la un anumit unghi de incidență. Legea reflecției ne spune că unghiul la care se reflectă trebuie să se potrivească cu unghiul la care a fost incident, deci trebuie să lovească oglindește la jumătatea distanței dintre picioare și înălțimea ochilor și poți calcula exact acest lucru cu un pic de trigonometrie.

Este posibil să fi observat unele probleme cu reflecțiile atunci când încercați să vă uitați la televizor, iar acesta este un alt exemplu al legii reflecției în viața de zi cu zi. Problema este că televizorul este o suprafață netedă și acționează efectiv ca o oglindă plană pentru soare sau lumină care vă distruge imaginea.

Deși există multe încercări tehnologice pentru a remedia acest lucru, puteți utiliza legea reflecției și pur și simplu răsuciți televizorul schimbați unghiul dintre linia normală la ecran și lumina incidentă, mișcând astfel reflexia din afară linia ochilor.

Oglinzile de distracție sunt puțin mai complicate, dar puteți înțelege ce se întâmplă dacă vă gândiți laformăa suprafeței oglinzii. Gândiți-vă la modul în care legea reflexiei s-ar aplica unei oglinzi ușor curbate, astfel încât partea de sus și partea inferioară să iasă afară, iar centrul să fie relativ mai în spate. Cum s-ar schimba imaginea ta?

Există multe exemple de probleme pe care le puteți încerca cu o înțelegere de bază a ceea ce înseamnă legea, dar una este deosebit de interesantă și ar trebui să vă ajute să luați cunoștință de conceptele cheie.

Imaginați-vă două oglinzi la un unghi de 90 de grade unul față de celălalt și întâlnindu-vă la o margine, ca și cum ar forma o jumătate de formă pătrată. Dacă străluciți o rază de lumină la aceste două oglinzi, aceasta se va reflecta pe prima, apoi pe a doua, și apoi se va reflecta departe de oglinzi. Cu toate acestea, unghiul pe care îl reflectă în cele din urmă este paralel cu unghiul de incidență.

Poți dovedi acest lucru? Imaginați-vă că lumina este incidentă la 30 ° pe prima oglindă și apoi lucrați pe calea razei pas cu pas și vedeți ce obțineți. Dacă faceți acest lucru, dacă nu ar fi fost în mod specific 30 ° și ați spus doar că a fost incident într-un unghiφîn schimb - poți dovedi același lucru în general?