Закон рефлексије (физика): шта је то и како функционише?

Видети свој одраз у огледалу нешто је тако уобичајено да бисте то могли узети здраво за готово, али има много тога за узети у обзир да се само вреба под површином.

Равна површина огледала у вашем купатилу можда ће дати савршен одраз, али како закривљена огледала из забавне куће производе таква бизарна изобличења, чинећи да изгледате изузетно висок или низак и чучањ? Како се сваки светлосни зрак може одбити од површине на тако савршен начин да створи јасну слику? Зашто не видите јасан одраз са грубе површине?

Ова питања могу бити нешто што бисте замислили да претјерано дете може питати, али физика рефлексије, а посебно закон рефлексије, објашњава многе појаве и важан је корак до разумевања сложенијих концепата попут рефракције и Снеллова закон.

Када светлосни талас погоди површину, цео или део ће се нагло окренути и поново одбити од површине. За глатку површину попут равног огледала одражава се готово сва светлост која је погоди, а резултујућа слика је чисти, „зрцални“ одраз. Ово је облик рефлексије који ће вам бити најпознатији и несумњиво оно на шта ћете помислити кад замислите рефлексију.

Међутим, зрцална рефлексија није једина врста: постоје и дифузни одсјаји светлости. Када паралелни светлосни зраци на крају ударе о храпаву површину, појединачни светлосни зраци благо ударају различите тачке и огледају се у различитим правцима као резултат неправилности грубе површина. Ово се назива дифузним одразом, јер иако се сва светлост и даље одражава, светлосни таласи су расејани свуда око себе и не формирају једну, оштру слику.

У неким случајевима, на пример на површини прозора, приметићете фин одраз који је много мање јасно дефинисан него што бисте га видели у огледалу. То је зато што на таквом интерфејсу постоји нека традиционална рефлексија, али такође и значајна шанса да се уместо тога светлост пренесе кроз прозор.

Потребан вам јеСнелл-ов законда у потпуности опише шта се дешава са светлошћу пропуштеном кроз прозор (која добијапреломљен), али закон одраза ипак објашњава шта се дешава са одбијеном светлошћу чак и у овој сложенијој ситуацији.

Пре него што пређете на расправу о закону рефлексије, било би добро научити терминологију која се користи за описивање оваквих ситуација.

Прво, светлост на путу до огледала или површине назива сеупадни светлосни зракили једноставно упадна светлост, а та светлост након одраза назива сеодбијени светлосни зрак​.

Тхеупадни угаоупадног светлосног зрака је угао који прави са „нормалном линијом“ за површину у упадној тачки. „Нормално“ у овом контексту означава линију која се у тој тачки пружа окомито од површине, па светлосни зрак који удара у фронтално огледало ће имати упадни угао од 0 степени, док ће зрак са савршено дијагонално упадним углом имати угао од 45 степени учесталост.

Тхеугао рефлексијеје врло сличан упадном углу, али као што можете очекивати, описује угао који рефлектовани светлосни зрак прави нормалном линијом према површини на упадној тачки. Ово је само пандан горе дефинисаном упадном углу.

Такође је вредно напоменути да је светлосни зрак мало идеализован начин за описивање светлости - у основи само размишљате о томе то у смислу савршено равних зрака, док је у стварности то попречни талас и много је сложенији за описати. Међутим, да бисте разумели рефлексију, није вам потребан овај ниво детаља - увек је добро поједноставити ствари када можете у физици!

Закон рефлексије каже да ће за упадни зрак светлости упадни угао бити једнак углу рефлексије. Једноставно речено, ако се светлосни зрак приближи рефлектујућој површини тачно окомито на површину, одбијаће се право назад дуж исте линије, али ако није сасвим окомита, одразит ће се на другу страну окомите линије једнаким износ.

Позивање угла рефлексијеθ​_р и упадни угаоθ​_и, закон рефлексионе формуле је једноставно:

Па ако осветлите ласерски показивач на огледалу у купатилу под углом од 45 степени у односу на нормалну линију (дакле тачно на пола пута између поравнато са лицем огледала и окомито на њега), тада ће се одбити на 45 степени у супротном смеру правац.

Размислите о играчу базена који одбија лопту од равног дела јастука или тенисеру који процењује угао у којем ће се лопта одбијати након удара о земљу. Обе ове ситуације нисусавршеноједнака у погледу упадног угла и угла одбијања (јер се у оба случаја губи нека енергија), али у суштини светлост се понаша на исти начин.

Најједноставнији пример закона рефлексије је када погледате у равно огледало. Замислите да гледате у огледало пуне дужине до својих ногу и размислите о томе где светлосни зраци заправо путују.

Светлосни зраци долазе од ваших ногу према зрцалу, под одређеним упадним углом. Закон рефлексије говори нам да се угао под којим се одражава мора подударати са углом под којим се догодио, па мора ударити у огледајте се на пола пута између стопала и висине очију, и то можете тачно израчунати са мало тригонометрија.

Можда сте приметили неке проблеме са рефлексијама када покушавате да гледате телевизију, а ово је још један пример закона рефлексије у свакодневном животу. Проблем је у томе што је телевизор глатке површине и ефективно делује као равно огледало за сунце или светлост лампе која уништава вашу слику.

Иако постоји много технолошких покушаја да се то поправи, можете искористити закон рефлексије и једноставно увити телевизор промените угао између нормалне линије на екран и упадне светлости, премештајући тако одраз из вашег линија ока.

Забавна огледала су мало компликованија, али можете да схватите шта се дешава ако размислите о томеобликповршине огледала. Размислите о томе како би се закон рефлексије применио на огледало које је било благо закривљено, тако да су врх и дно вирили, а центар био релативно даље уназад. Како би се ваша слика променила?

Много је примера проблема које можете испробати са основним разумевањем шта закон значи, али један је посебно занимљив и требао би вам помоћи да се упознате са кључним концептима.

Замислите два огледала под углом од 90 степени једно према другом и која се састају на једној ивици, као да формирају половину квадратног облика. Ако осветлите зрак светлости на ова два огледала, он ће се одбити од првог, затим од другог, а затим одбити од огледала. Међутим, угао који се на крају одражава уназад паралелан је упадном углу.

Можете ли то доказати? Замислите да светлост пада на 30 ° на прво огледало, а затим прођите кроз путању зрака један по један корак и погледајте шта ћете добити. Ако то учините, шта ако није тачно 30 °, а управо сте рекли да је дошло до пада под угломφуместо тога - да ли можете да докажете исту ствар уопште?