Zákon reflexie (fyzika): Čo to je a ako to funguje?

Vidieť váš odraz v zrkadle je niečo také bežné, že by ste to mohli brať ako samozrejmosť, ale je treba veľa zvážiť len číhaním pod povrchom.

Rovný povrch zrkadla vo vašej kúpeľni by mohol poskytnúť dokonalý odraz, ale ako zakrivené zábavné zrkadlá vytvárajú také bizarné skreslenia, vďaka ktorým pôsobíte mimoriadne vysoko alebo naopak, ako by ste boli v podrepe? Ako sa môže každý svetelný lúč odraziť od povrchu tak dokonalým spôsobom, aby vytvoril jasný obraz? Prečo nevidíte jasný odraz od drsného povrchu?

Tieto otázky by mohli byť to, o čom by ste si mysleli, že by sa ho mohlo príliš horlivé dieťa pýtať, ale fyzika odrazu, najmä zákon odrazu, vysvetľuje mnoho javov a je dôležitým odrazovým mostíkom k pochopeniu zložitejších pojmov ako lom svetla a Snellova zákon.

Keď svetelná vlna dopadne na povrch, celá alebo jeho časť sa prudko otočí a znova sa odrazí od povrchu. Pre hladký povrch ako rovinné zrkadlo sa odráža takmer všetko svetlo, ktoré na neho dopadne, a výsledný obraz je čistý „zrkadlový“ odraz. Toto je forma reflexie, ktorú budete najviac poznať, a nepochybne to, na čo si spomeniete, keď si predstavujete reflexiu.

Zrkadlový odraz však nie je jediný typ: existujú aj rozptýlené odrazy svetla. Keď paralelné svetelné lúče nakoniec narazia na drsný povrch, jednotlivé svetelné lúče mierne zasiahnu rôznych bodoch a odrážajú sa v rôznych smeroch v dôsledku nepravidelnosti drsného povrchu povrch. Toto sa nazýva difúzny odraz, pretože aj keď sa stále odráža všetko svetlo, svetelné vlny sú rozptýlené všade okolo a nevytvárajú jediný ostrý obraz.

V niektorých prípadoch, napríklad na povrchu okna, si všimnete fintový odraz, ktorý je oveľa menej jasne definovaný, ako by ste videli pri zrkadle. Je to preto, že na takomto rozhraní existuje určitý tradičný odraz, ale tiež veľká šanca, že svetlo bude namiesto toho prechádzať cez okno.

PotrebuješSnellov zákonúplne opísať, čo sa stane so svetlom prechádzajúcim cez okno (ktoré sa dostanelámaný), ale zákon odrazu stále vysvetľuje, čo sa stane s odrazeným svetlom aj v tejto komplikovanejšej situácii.

Predtým, ako sa pustíte do diskusie o zákone reflexie, je dobré sa naučiť terminológiu použitú na opis podobných situácií.

Po prvé, svetlo na ceste k zrkadlu alebo povrchu sa označuje akodopadajúci svetelný lúčalebo jednoducho dopadajúce svetlo a toto svetlo po odraze sa nazývalúč odrazeného svetla​.

Theuhol dopadulúča dopadajúceho svetla je uhol, ktorý zviera s „normálnou čiarou“ pre povrch v bode dopadu. „Normálny“ v tomto kontexte znamená čiaru, ktorá v tomto bode kolmo vystupuje z povrchu, takže svetelný lúč dopadajúci na čelné zrkadlo bude mať uhol dopadu 0 stupňov, zatiaľ čo perfektne diagonálne dopadajúci lúč bude mať uhol 45 stupňov výskyt.

Theuhol odrazuje veľmi podobný uhlu dopadu, ale ako môžete očakávať, popisuje uhol, ktorý lúč lúča odráža s normálnou čiarou k povrchu v bode dopadu. Toto je iba protipól uhla dopadu definovaného vyššie.

Je tiež potrebné poznamenať, že svetelný lúč je mierne idealizovaný spôsob popisu svetla - v zásade si len myslíte je to z hľadiska dokonale priamych lúčov, zatiaľ čo v skutočnosti je to priečna vlna a je to oveľa komplikovanejšie opísať. Aby ste však pochopili reflexiu, nepotrebujete túto úroveň podrobností - vždy je dobré si veci fyzikou zjednodušiť, keď môžete!

Zákon odrazu hovorí, že pre dopadajúci lúč svetla sa uhol dopadu bude rovnať uhlu odrazu. Zjednodušene povedané, ak sa svetelný lúč priblíži k reflexnému povrchu presne kolmo na povrch, odrazí sa rovno dozadu. pozdĺž tej istej čiary, ale ak to nie je celkom kolmé, odrazí sa to na druhú stranu kolmej čiary rovnakou čiarou. čiastka.

Volanie uhla odrazuθ​_r a uhol dopaduθ​_i, zákon odrazu je jednoduchý:

Takže ak svietite laserovým ukazovátkom na zrkadlo v kúpeľni pod uhlom 45 stupňov k normálnej línii (teda presne v polovici cesty medzi zrkadlom a byť k nemu kolmý), potom sa odrazí o 45 stupňov v opačnom smere smer.

Pomysli na hráča bazéna, ktorý odráža loptu od plochej časti vankúša, alebo tenistu, ktorý usúdi, aký uhol sa lopta odrazí po dopade na zem. Obe tieto situácie nie súdokonalerovnaké z hľadiska uhla dopadu a uhla odrazu (pretože v obidvoch prípadoch sa stráca určitá energia), ale svetlo sa v zásade chová rovnako.

Najjednoduchším príkladom zákona odrazu je pohľad do zrkadla v rovine. Predstavte si, že sa pozeráte dole v zrkadle po celej dĺžke vašich nôh, a premýšľajte, kam vlastne svetelné lúče cestujú.

Svetelné lúče vychádzajú z vašich nôh nahor k zrkadlu pod určitým uhlom dopadu. Zákon odrazu nám hovorí, že uhol, pod ktorý sa odráža, sa musí zhodovať s uhlom, pod ktorým dopadal, takže musí dopadať na zrkadlo asi v polovici cesty medzi nohami a výškou očí, a to môžete s trochou presne vypočítať trigonometria.

Možno ste si všimli určité problémy s odrazmi, keď sa pokúšate pozerať na televíziu, a toto je ďalší príklad zákona reflexie v každodennom živote. Problém je v tom, že televízor má hladký povrch a účinne funguje ako rovinné zrkadlo pre slnko alebo svetlo lampy, ktoré ničí váš obraz.

Aj keď existuje veľa technologických pokusov o vyriešenie tohto problému, môžete využiť zákon odrazu a televízor jednoducho otočiť na zmeniť uhol medzi normálnou čiarou k obrazovke a dopadajúcim svetlom, čím posunie odraz od seba očná linka.

Zrkadlá Fun-house sú trochu komplikovanejšie, ale ak premýšľate o tom, môžete pochopiť, o čo idetvarpovrchu zrkadla. Popremýšľajte, ako by zákon odrazu platil pre zrkadlo, ktoré bolo mierne zakrivené, takže vyčnievali horná a spodná časť a stred bol porovnateľne ďalej dozadu. Ako by sa zmenil váš imidž?

Existuje mnoho príkladov problémov, ktoré môžete vyskúšať so základným pochopením toho, čo zákon znamená, ale jeden je obzvlášť zaujímavý a mal by vám pomôcť vyrovnať sa s kľúčovými pojmami.

Predstavte si dve zrkadlá navzájom v 90 stupňovom uhle a stretávajúce sa na jednej hrane, akoby tvorili polovičný štvorcový tvar. Ak na tieto dve zrkadlá posvietite lúčom svetla, bude sa odrážať od prvého, potom od druhého a potom sa bude odrážať od zrkadiel. Uhol, pod ktorým sa nakoniec odráža späť, je však rovnobežný s uhlom dopadu.

Môžete to dokázať? Predstavte si, že svetlo dopadá na 30 ° na prvé zrkadlo, a potom postupne prechádzajte dráhou lúča a uvidíte, čo dostanete. Ak tak urobíte, čo keby to nebolo konkrétne 30 °, a vy ste práve povedali, že to bol incident pod uhlomφnamiesto toho - dokážete všeobecne to isté?