Закон отражения (физика): что это и как работает?

Видеть свое отражение в зеркале - это настолько обычное дело, что вы можете принять это как должное, но есть много чего подумать, просто скрываясь под поверхностью.

Плоская поверхность зеркала в вашей ванной комнате может дать идеальное отражение, но как изогнутые зеркала в стиле забавного дома создают такие причудливые искажения, заставляя вас казаться сверхвысоким или низким и приземистым? Как каждый луч света может идеально отражаться от поверхности и создавать четкое изображение? Почему вы не видите четкого отражения от шероховатой поверхности?

Эти вопросы могут быть такими, какими вы можете себе представить, что может задать чрезмерно рьяный ребенок, но физика отражения и, в частности, закон отражения, объясняет многие явления и является важной ступенькой к пониманию более сложных понятий, таких как рефракция и теория Снеллиуса. закон.

Когда световая волна ударяется о поверхность, она полностью или частично резко разворачивается и снова отражается от поверхности. Для гладкой поверхности, такой как плоское зеркало, почти весь падающий на нее свет отражается, и в результате получается чистое «зеркальное» отражение. Это форма отражения, с которой вы будете лучше всего знакомы, и, несомненно, то, о чем вы будете думать, когда представляете отражение.

Однако зеркальное отражение - не единственный тип: бывают также диффузные отражения света. Когда параллельные световые лучи в конечном итоге попадают на шероховатую поверхность, отдельные световые лучи слегка падают. разные точки и отражаются в разных направлениях в результате неравномерности шероховатости поверхность. Это называется диффузным отражением, потому что, хотя весь свет все еще отражается, световые волны рассеиваются вокруг и не образуют единого четкого изображения.

В некоторых случаях, например на поверхности окна, вы заметите ложное отражение, которое гораздо менее четко очерчено, чем в зеркале. Это связано с тем, что на таком интерфейсе есть некоторое традиционное отражение, но также есть значительная вероятность того, что вместо этого свет будет проходить через окно.

Тебе нужноЗакон Снеллиусачтобы полностью описать, что происходит со светом, проходящим через окно (котороепреломленный), но закон отражения все же объясняет, что происходит с отраженным светом даже в этой более сложной ситуации.

Прежде чем переходить к обсуждению закона отражения, рекомендуется выучить терминологию, используемую для описания подобных ситуаций.

Во-первых, свет на пути к зеркалу или поверхности называется светом.падающий световой лучили просто падающий свет, и этот свет после отражения называетсяотраженный световой луч​.

Вугол паденияпадающего светового луча - это угол, который он составляет с «нормальной линией» к поверхности в точке падения. «Нормальный» в этом контексте означает линию, которая проходит перпендикулярно от поверхности в этой точке, поэтому луч света, падающий на лобовое зеркало будет иметь угол падения 0 градусов, в то время как идеально падающий по диагонали луч будет иметь угол падения 45 градусов. заболеваемость.

Вугол отраженияочень похож на угол падения, но, как вы могли догадаться, описывает угол, который луч отраженного света составляет с линией нормали к поверхности в точке падения. Это просто аналог угла падения, определенного выше.

Также стоит отметить, что луч света - это слегка идеализированный способ описания света - вы в основном просто думаете о это с точки зрения идеально прямых лучей, тогда как на самом деле это поперечная волна, и ее гораздо сложнее описывать. Однако, чтобы понять отражение, вам не нужен такой уровень детализации - всегда полезно упрощать вещи, когда это возможно, в физике!

Закон отражения гласит, что для падающего луча света угол падения будет равен углу отражения. Проще говоря, если луч света приближается к отражающей поверхности точно перпендикулярно поверхности, он будет отражаться прямо назад. вдоль той же линии, но если она не совсем перпендикулярна, она будет отражена на другую сторону перпендикулярной линии равным количество.

Вызов угла отраженияθ​_р и угол паденияθ​_я, формула закона отражения просто:

Итак, если вы направите лазерную указку на зеркало в ванной под углом 45 градусов к нормальной линии (то есть ровно посередине между совмещен с лицевой стороной зеркала и перпендикулярен к нему), то оно будет отражаться под углом 45 градусов в противоположном направлении. направление.

Представьте себе игрока в бильярд, отбивающего мяч от плоской части подушки, или теннисиста, оценивающего угол, под которым мяч отскочит вверх после удара о землю. Обе эти ситуации неотличноравны с точки зрения угла падения и угла отражения (поскольку в обоих случаях теряется некоторая энергия), но, по сути, свет ведет себя одинаково.

Самый простой пример закона отражения - это когда вы смотрите в плоское зеркало. Представьте, что вы смотрите в зеркало в полный рост у своих ног, и подумайте, куда на самом деле распространяются световые лучи.

Световые лучи идут от ваших ног вверх к зеркалу под определенным углом падения. Закон отражения говорит нам, что угол, под которым он отражается, должен совпадать с углом, под которым оно падало, поэтому оно должно попадать в зеркало примерно на полпути между вашими ногами и высотой ваших глаз, и вы можете рассчитать это точно с небольшим тригонометрия.

Вы могли заметить некоторые проблемы с отражениями, когда пытались смотреть телевизор, и это еще один пример закона отражения в повседневной жизни. Проблема в том, что телевизор представляет собой гладкую поверхность и эффективно действует как плоское зеркало для солнца или света лампы, портящего ваше изображение.

Хотя есть много технологических попыток исправить это, вы можете использовать закон отражения и просто повернуть телевизор, чтобы измените угол между нормальной линией экрана и падающим светом, таким образом перемещая отражение из вашего линия глаз.

Зеркала в стиле "забавный дом" немного сложнее, но вы поймете, что происходит, если подумайте оформаповерхности зеркала. Подумайте, как закон отражения будет применяться к зеркалу, которое было слегка изогнутым, так что верх и низ выступали наружу, а центр находился сравнительно дальше назад. Как бы изменился ваш имидж?

Есть много примеров задач, которые вы можете попробовать, имея базовое понимание того, что означает закон, но одна из них особенно интересна и должна помочь вам разобраться в ключевых концепциях.

Представьте себе два зеркала, расположенные под углом 90 градусов друг к другу и встречающиеся у одного края, как если бы они образовывали половину квадратной формы. Если вы направите луч света на эти два зеркала, он отразится от первого, затем от второго, а затем отразится от зеркал. Однако угол, под которым он в конечном итоге отражается обратно, параллелен углу падения.

Вы можете это доказать? Представьте, что свет падает под углом 30 ° на первое зеркало, затем шаг за шагом пройдите по пути луча и посмотрите, что вы получите. Если да, то что, если это не было конкретно 30 °, и вы просто сказали, что он падал под углом?φвместо этого - можете ли вы вообще доказать то же самое?