Lagen om reflektion (fysik): Vad är det och hur fungerar det?

Att se din reflektion i spegeln är något så vanligt att du kan ta det för givet, men det finns mycket att överväga att bara lura under ytan.

Den plana ytan på spegeln i ditt badrum kan ge en perfekt reflektion, men hur ger böjda fun-house-speglar sådana bisarra snedvridningar, vilket gör att du verkar ultrahög eller kort och knäböjande? Hur kan varje ljusstråle studsa från ytan på ett så perfekt sätt att det skapas en tydlig bild? Varför kan du inte se en tydlig reflektion från en grov yta?

Dessa frågor kan vara den typ av saker du kan tänka dig att ett alltför nitiskt barn kan ställa, men reflektionens fysik och i synnerhet reflektionslagen, förklarar många fenomen och är ett viktigt steg för att förstå mer komplexa begrepp som brytning och Snells lag.

När en ljusvåg träffar en yta kommer hela eller delar av den att vända sig kraftigt och reflektera bort från ytan igen. För en jämn yta som en plan spegel reflekteras nästan allt ljus som träffar den, och den resulterande bilden är en ren, ”spekulär” reflektion. Det här är den form av reflektion som du kommer att känna mest till och utan tvekan vad du kommer att tänka på när du föreställer dig en reflektion.

Spegelreflektion är dock inte den enda typen: Det finns också diffusa reflektioner av ljus. När parallella ljusstrålar hamnar på en grov yta slår de enskilda ljusstrålarna något olika punkter och reflekteras i olika riktningar som ett resultat av ojämnheten hos grovet yta. Detta kallas en diffus reflektion, för även om allt ljus fortfarande reflekteras är ljusvågorna utspridda runt och bildar inte en enda, skarp bild.

I vissa fall, till exempel på ytan av ett fönster, kommer du att märka en finreflektion som är mycket mindre tydligt definierad än du skulle se vid en spegel. Detta beror på att vid ett sådant gränssnitt finns det viss traditionell reflektion, men också en stor chans att ljuset kommer att sändas genom fönstret istället.

Du behöverSnells lagför att fullständigt beskriva vad som händer med ljuset som sänds genom fönstret (vilket blirbryts), men reflektionslagen förklarar fortfarande vad som händer med det reflekterade ljuset även i denna mer komplicerade situation.

Innan vi går vidare och diskuterar reflektionslagen är det en bra idé att lära sig den terminologi som används för att beskriva situationer som denna.

För det första kallas ljuset på väg till spegeln eller ytan sominfallande ljusstråleeller helt enkelt det infallande ljuset, och det ljuset efter reflektionen kallasreflekterad ljusstråle​.

Deinfallsvinkelav den infallande ljusstrålen är den vinkel som den gör med den "normala linjen" för ytan vid infallspunkten. "Normal" betyder i detta sammanhang linjen som sträcker sig vinkelrätt ut från ytan vid den punkten, så en ljusstråle som slår en spegelvinkel har en infallsvinkel på 0 grader, medan en perfekt diagonalt infallande stråle har en vinkel på 45 grader frekvens.

Dereflektionsvinkelär mycket lik infallsvinkeln, men som du kan förvänta dig beskriver den vinkeln som den reflekterade ljusstrålen gör med den normala linjen mot ytan vid infallspunkten. Detta är bara motsvarigheten till den ovan angivna infallsvinkeln.

Det är också värt att notera att en ljusstråle är ett lite idealiserat sätt att beskriva ljus - du tänker i princip bara på det i termer av helt raka strålar, medan det i verkligheten är en tvärgående våg och mycket mer komplicerad att beskriva. Men för att förstå reflektion behöver du inte denna detaljnivå - det är alltid bra att förenkla saker när du kan i fysik!

Lagen om reflektion säger att för en infallande ljusstråle kommer infallsvinkeln att vara lika med reflektionsvinkeln. Enkelt uttryckt, om en ljusstråle närmar sig den reflekterande ytan exakt vinkelrätt mot ytan kommer den att reflekteras rakt tillbaka längs samma linje, men om det inte är helt vinkelrätt, kommer det att reflekteras till den andra sidan av den vinkelräta linjen med en lika belopp.

Ringer efter reflektionsvinkelnθ​_r och infallsvinkelnθ​_i, lagen om reflektionsformel är helt enkelt:

Så om du lyser en laserpekare mot din badrumsspegel i en vinkel på 45 grader mot den normala linjen (så exakt halvvägs mellan att vara i linje med spegelns yta och vara vinkelrät mot den), kommer den att reflekteras av vid 45 grader i motsatt riktning riktning.

Tänk på en poolspelare som studsar en boll från en platt del av kudden, eller en tennisspelare som bedömer vinkeln som bollen kommer att studsa upp efter att ha träffat marken. Båda dessa situationer är det inteperfektlika i termer av infallsvinkeln och studsvinkeln (eftersom viss energi går förlorad i båda fallen), men i själva verket beter sig ljuset på samma sätt.

Det enklaste exemplet på reflektionslagen är när du tittar in i en plan spegel. Tänk dig att du tittar ner i en fullspegel vid dina fötter och tänk på var ljusstrålarna faktiskt färdas.

Ljusstrålarna kommer från dina fötter upp mot spegeln, i en viss infallsvinkel. Lagen om reflektion säger att vinkeln den reflekterar i måste matcha den vinkel den inträffade i, så den måste slå på spegla runt halvvägs mellan fötterna och ögonhöjden, och du kan beräkna detta exakt med lite trigonometri.

Du kanske har märkt några problem med reflektioner när du försöker titta på TV, och detta är ett annat exempel på reflektionslagen i vardagen. Problemet är att TV: n är en slät yta och fungerar effektivt som en plan spegel för solen eller lampan som förstör din bild.

Även om det finns många tekniska försök att åtgärda detta kan du använda reflektionslagen och helt enkelt vrida tv: n till ändra vinkeln mellan den normala linjen till skärmen och det infallande ljuset, och flytta så reflektionen ut ur din ögonlinje.

Fun-house speglar är lite mer komplicerade, men du kan förstå vad som händer om du tänker påformav spegelns yta. Tänk på hur reflektionslagen skulle tillämpas på en spegel som var svagt böjd, så att toppen och botten sticker ut och mitten var relativt längre tillbaka. Hur skulle din bild förändras?

Det finns många exempel på problem som du kan försöka med en grundläggande förståelse för vad lagen betyder, men ett är särskilt intressant och bör hjälpa dig att få tag på nyckelbegreppen.

Föreställ dig två speglar i 90 graders vinkel mot varandra och mötas vid ena kanten, som om de bildade en halv kvadratisk form. Om du lyser en ljusstråle mot dessa två speglar, kommer den att reflektera från den första, sedan den andra och sedan reflektera bort från speglarna. Vinkeln som den slutligen reflekterar tillbaka vid är dock parallell med infallsvinkeln.

Kan du bevisa detta? Tänk dig att ljuset inträffar vid 30 ° på den första spegeln och arbeta sedan genom strålens väg ett steg i taget och se vad du får. Om du gör det, tänk om det inte var specifikt 30 °, och du sa bara att det hände i en vinkelφistället - kan du bevisa samma sak i allmänhet?