กระจกเงา: วิธีการทำงานและประเภท (พร้อมตัวอย่าง)

หม้อหุงพลังงานแสงอาทิตย์ จานดาวเทียม กล้องดูดาวสะท้อนแสง และไฟฉายมีอะไรที่เหมือนกัน? อาจดูเหมือนคำถามแปลก ๆ แต่ความจริงก็คือพวกเขาทั้งหมดทำงานโดยอิงจากสิ่งเดียวกัน นั่นคือ รีเฟลกเตอร์พาราโบลา

รีเฟลกเตอร์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากรูปทรงพาราโบลาเป็นหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการโฟกัสแสงไปที่จุดเดียว เพื่อที่จะมีสมาธิ สัญญาณคลื่นวิทยุ (ในกรณีจานดาวเทียม) หรือแสงที่มองเห็นได้ (ในกรณีของไฟฉายและกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง) เพื่อให้เราสามารถตรวจจับหรือใช้ พลังงาน. การเรียนรู้พื้นฐานของกระจกพาราโบลาจะช่วยให้คุณเข้าใจเทคโนโลยีเหล่านี้และอื่นๆ อีกมากมาย

ก่อนลงรายละเอียด คุณต้องเข้าใจว่ากระจกพาราโบลาสะท้อนแสงรัศมีอย่างไร และมีคำศัพท์สำคัญบางคำที่คุณจำเป็นต้องเข้าใจ

ก่อนอื่นจุดโฟกัสเป็นจุดที่รังสีคู่ขนานมาบรรจบกันหลังจากสะท้อนออกจากพื้นผิว และความยาวโฟกัสของกระจกพาราโบลา คือ ระยะจากศูนย์กลางกระจกถึงจุดโฟกัส ในบางกรณี (เช่น กระจกโค้งพาราโบลานูน) จุดโฟกัสไม่ใช่จุดโฟกัสที่รังสีคู่ขนานมาบรรจบกันหลังจากการสะท้อน แต่เป็นจุดที่พวกมันดูเหมือนจะเล็ดลอดออกมาจากหลังจากถูกสะท้อน

ดิแกนแสงของกระจกพาราโบลาหรือกระจกทรงกลมคือเส้นสมมาตรของตัวสะท้อนซึ่งโดยพื้นฐานแล้ว เส้นแนวนอนผ่านตรงกลางถ้าคุณนึกภาพพื้นผิวสะท้อนแสงของกระจกขึ้น stood ในแนวตั้ง

อารังสีแสงเป็นการประมาณเส้นตรงสำหรับเส้นทางการเดินทางของแสง นี่เป็นการทำให้เข้าใจง่ายเกินไปในกรณีส่วนใหญ่ เนื่องจากวัตถุใดๆ จะมีแสงเดินทางออกจากวัตถุทั้งหมด ทิศทาง แต่โดยเน้นที่เส้นบางเส้น คุณสมบัติหลักของผลกระทบของพื้นผิวต่อแสงสามารถเป็น กำหนด

ตัวอย่างเช่น วัตถุที่ยื่นออกไปด้านหน้ากระจกจะมีรัศมีแสงโผล่ออกมาจากกระจกในแนวตั้งและไปในทิศทางตรงกันข้ามกับกระจกซึ่ง จะไม่สัมผัสกับพื้นผิวของกระจก แต่คุณสามารถเข้าใจว่ากระจกทำงานอย่างไรโดยดูเพียงรังสีบางส่วนที่เดินทางเข้ามา ทิศทาง.

เรขาคณิตของพาราโบลาทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานที่คุณต้องการโฟกัสคลื่นแสงที่ตำแหน่งเดียว รูปร่างพาราโบลานั้นทำให้รังสีคู่ขนานที่ตกกระทบมาบรรจบกันที่จุดโฟกัสเดียวไม่ว่ามันจะกระทบพื้นผิวกระจกที่ใด นี่คือเหตุผลที่กระจกพาราโบลาเป็นองค์ประกอบหลักของกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงพร้อมกับอุปกรณ์อื่นๆ มากมายที่ออกแบบมาเพื่อโฟกัสแสง

รังสีของแสงจะต้องตกกระทบขนานกับแกนแสงของกระจกเพื่อให้ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ แต่สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าถ้า วัตถุอยู่ไกลจากผิวกระจกมาก รังสีแสงทั้งหมดที่มาจากกระจกจะขนานกันโดยประมาณเมื่อไปถึง มัน. ซึ่งหมายความว่าในหลายกรณี คุณสามารถรักษารังสีในแบบคู่ขนานได้ แม้ว่าในทางเทคนิคแล้วจะไม่เป็นเช่นนั้นก็ตาม นอกจากจะทำให้การคำนวณง่ายขึ้นแล้ว นี่หมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องทำตามขั้นตอนของการติดตามรังสีสำหรับแผ่นสะท้อนแสงพาราโบลาในบางกรณี

การติดตามรังสีเป็นเทคนิคที่ทรงคุณค่าในกรณีที่รังสีไม่ขนานกัน ดังนั้นจึงไม่สามารถสันนิษฐานได้ว่าสะท้อนไปยังจุดโฟกัสทั้งหมด เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการวาดภาพรังสีแสงแต่ละดวงที่ออกมาจากวัตถุและใช้กฎการสะท้อนแสง (พร้อมกับเคล็ดลับที่เป็นประโยชน์บางประการสำหรับการติดตามรังสีโดยเฉพาะ) เพื่อกำหนดว่าพื้นผิวสะท้อนแสงจะโฟกัสไปที่ใด ถึง. กล่าวอีกนัยหนึ่ง การใช้ตำแหน่งของวัตถุและตำแหน่งของกระจก ร่วมกับการให้เหตุผลง่ายๆ คุณสามารถหาตำแหน่งของภาพของวัตถุได้โดยใช้การติดตามรังสี

ภาพสำหรับกระจกเว้า (อันที่ด้านในของชามหันไปทางวัตถุ) จะเป็น "ภาพจริง" ซึ่งเป็นภาพที่รังสีแสงมาบรรจบกันเพื่อสร้างภาพ ช่วยคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากคุณวางหน้าจอโปรเจ็กเตอร์ไว้ที่ตำแหน่งนี้ สำหรับภาพจริง ภาพจะแสดงบนหน้าจอโดยอยู่ในโฟกัส

สำหรับพาราโบลานูนหรือกระจกทรงกลม ภาพจะเป็น "เสมือน" ดังนั้นรังสีของแสงจะไม่มาบรรจบกันที่ตำแหน่งของภาพ หากคุณวางหน้าจอไว้ที่ตำแหน่งนี้ จะไม่มีภาพ วิธีที่กระจกส่งผลต่อแสงก็ทำให้ดูเหมือนนั่นคือสิ่งที่ภาพอยู่ หากคุณมองตัวเองในกระจกระนาบปกติ คุณจะเห็นเอฟเฟกต์นี้: ดูเหมือนว่าภาพจะอยู่หลังกระจก แต่แน่นอนว่าไม่มีแสงและไม่มีภาพจริงอยู่หลังกระจก

กระจกเว้ามีส่วนโค้งที่ "ชาม" ของกระจกหันไปทางวัตถุ คุณอาจคิดว่าภายในเป็น "ถ้ำ" เล็กๆ เพื่อจดจำความแตกต่างระหว่างเว้าและนูน จุดโฟกัสของกระจกเว้าอยู่ด้านเดียวกับวัตถุ และกำหนดความยาวโฟกัสเป็นบวก ภาพที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้เป็นภาพจริง

ในการทำ Ray Tracing สำหรับกระจกเว้า มีกฎสำคัญสองสามข้อที่คุณสามารถนำไปใช้ได้ตามต้องการ ประการแรก รังสีใดๆ ที่มาจากวัตถุที่ขนานกับแกนแสงของกระจกจะผ่านจุดโฟกัสหลังจากการสะท้อน ตรงกันข้ามกับสิ่งนี้ก็จริงเช่นกัน: รังสีแสงใดๆ ที่มาจากวัตถุที่ผ่านจุดโฟกัสในการเดินทางไปยังกระจกจะสะท้อนให้ขนานกับแกนแสง สุดท้าย กฎการสะท้อนใช้กับรังสีใดๆ ที่กระทบกับจุดยอดของพื้นผิวกระจก ดังนั้นมุมตกกระทบจึงตรงกับมุมสะท้อน

คุณสามารถระบุตำแหน่งของภาพของจุดนั้นได้โดยการวาดสองหรือสามรังสีเหล่านี้ในแผนภาพรังสีสำหรับจุดเดียวบนวัตถุ

กระจกนูนมีส่วนโค้งตรงข้ามกับกระจกเว้า ดังนั้น ด้านนอกของ "ชาม" ของกระจกจึงหันไปทางวัตถุ จุดโฟกัสของกระจกทรงกลมนูนหรือกระจกโค้งอยู่ด้านตรงข้ามกับวัตถุ และ พวกมันถูกกำหนดทางยาวโฟกัสเชิงลบเพื่อสะท้อนสิ่งนี้และความจริงที่ว่าภาพที่สร้างขึ้นนั้น เสมือน.

การติดตามรังสีสำหรับกระจกนูนเป็นไปตามรูปแบบทั่วไปเช่นเดียวกับกระจกเว้า แต่ต้องใช้สิ่งที่เป็นนามธรรมมากกว่าเล็กน้อยเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ รังสีที่เคลื่อนที่ขนานกับแกนแสงของกระจกจะสะท้อนเป็นมุมที่ทำให้ atดูเหมือนมันเกิดจากจุดโฟกัสของกระจก รังสีใดๆ จากวัตถุที่เคลื่อนที่ไปยังจุดโฟกัสจะสะท้อนขนานกับแกนแสงของกระจก สุดท้าย รังสีที่สะท้อนจากพื้นผิวที่จุดยอดจะสะท้อนในมุมเท่ากับมุมตกกระทบ เพียงด้านตรงข้ามของแกนแสง

สำหรับกระจกทรงกลมทั้งนูนและเว้า หากคุณวาดรังสีที่ผ่านจุดศูนย์กลางความโค้ง (ถ้าคุณนึกภาพ ขยายพื้นผิวกระจกเป็นทรงกลม) หรือจะทะลุผ่าน รังสีก็จะสะท้อนกลับไปเหมือนเดิมทุกประการ เส้นทาง. การวาดรังสีสองหรือสามเส้นบนไดอะแกรมจะช่วยให้คุณค้นหาตำแหน่งของภาพสำหรับจุดเดียวบน an วัตถุ โดยสังเกตว่าบนกระจกนูน นี่จะเป็นภาพเสมือนจริงที่อยู่ฝั่งตรงข้ามของ กระจกเงา.

กระจกทรงกลมส่งผลต่อแสงในลักษณะที่คล้ายคลึงกันมากกับกระจกพาราโบลา ยกเว้นพื้นผิวโค้งเป็นส่วนหนึ่งของทรงกลมมากกว่าที่จะเป็นพาราโบลาทั่วไป ในหลายกรณี แสงจะสะท้อนจากกระจกทรงกลมเหมือนกับที่สะท้อนจากกระจกพาราโบลา แต่ถ้ามุม อุบัติการณ์ของแสงอยู่ห่างจากแกนออปติคอลของกระจกมากกว่า ส่วนเบี่ยงเบนของรังสีสะท้อนคือ เพิ่มขึ้น

นี่หมายความว่ากระจกทรงกลมนั้นพึ่งพาได้น้อยกว่ากระจกพาราโบลา เพราะมันมีแนวโน้มที่จะเป็นสิ่งที่เรียกว่าความคลาดทรงกลม sp, เช่นเดียวกับอาการโคม่าผิดปกติ. ความคลาดทรงกลมเกิดขึ้นเมื่อแสงที่ขนานกับแกนแสงตกกระทบบนกระจกทรงกลม เพราะรังสีที่อยู่ไกลจากแกนแสงจะสะท้อนในมุมที่กว้างกว่า ดังนั้นจึงไม่มีคำจำกัดความที่ชัดเจน จุดโฟกัส ในความเป็นจริง มีความยาวโฟกัสหลายทางอย่างมีประสิทธิภาพ ขึ้นอยู่กับว่ารังสีตกกระทบอยู่ห่างจากแกนออปติคอลมากเพียงใด

สำหรับความคลาดเคลื่อนของอาการโคมาติก รังสีคู่ขนานที่อยู่ไกลจากแกนออปติคัลจะตอบสนองในลักษณะเดียวกัน แต่จุดโฟกัสของพวกมันแตกต่างกันไปตามความสูงและทางยาวโฟกัส สิ่งนี้สร้างเอฟเฟกต์ "หาง" คล้ายกับลักษณะของดาวหาง ซึ่งเป็นที่มาของชื่อปรากฏการณ์

ความยาวโฟกัสของกระจกหรือเลนส์เป็นหนึ่งในลักษณะที่สำคัญที่สุดในการกำหนด แต่การแสดงออกนั้นไม่ง่ายสำหรับกระจกพาราโบลาเช่นเดียวกับเลนส์ สำหรับแสงตกกระทบกระจกสูงy(ที่ไหนy= 0 ที่ส่วนที่ลึกที่สุดของเส้นโค้ง) และทำมุมของθสำหรับเส้นสัมผัสเส้นโค้งของกระจก ทางยาวโฟกัสเท่ากับ:

สำหรับกระจกทรงกลม สิ่งต่างๆ จะง่ายกว่าเล็กน้อย และสมการกระจกจะมีรูปแบบคล้ายกับสมการของเลนส์ สำหรับระยะห่างจากวัตถุd​_o, ระยะห่างของภาพd​_ผม และรัศมีความโค้งของกระจก (เช่น ถ้าขยายส่วนโค้งเป็นวงกลมหรือทรงกลม รัศมีของรูปร่างนั้น)Rนิพจน์คือ:

ที่ไหนd​_o คือระยะห่างจากวัตถุและd​_ผม คือระยะห่างของภาพ โดยวัดจากพื้นผิวกระจกบนแกนออปติคอล สำหรับมุมตกกระทบที่น้อยมาก คุณสามารถเปลี่ยน 2/Rกับ 1/ฉเพื่อให้ได้นิพจน์ที่ชัดเจนสำหรับความยาวโฟกัส

พฤติกรรมที่เชื่อถือได้ของกระจกพาราโบลาช่วยให้สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ ได้มากมาย หนึ่งในรายการ "ทุกวัน" ที่สุดคือไฟฉายธรรมดา เมื่อมีแหล่งกำเนิดแสงอยู่ที่จุดโฟกัสของกระจกพาราโบลาที่ล้อมรอบ แสงที่ปล่อยออกมาจะสะท้อนออกจากกระจกและโผล่ออกมาจากอีกด้านหนึ่งขนานกับแกนแสง การออกแบบนี้หมายความว่าโดยพื้นฐานแล้วไม่มีแสงที่เกิดจากหลอดไฟ "สูญเปล่า" และทั้งหมดก็โผล่ออกมาจากปลายไฟฉาย

หม้อหุงพลังงานแสงอาทิตย์ทำงานในลักษณะเดียวกัน เว้นแต่จะรวมรังสีคู่ขนานจากดวงอาทิตย์ไปยังจุดโฟกัสของกระจกพาราโบลา นี่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมาก (และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม) ในการสร้างความร้อน และหากคุณวางหม้อปรุงอาหารตรงจุดโฟกัส มันจะดูดซับพลังงานสะท้อนจากพาราโบลาทั้งหมด หม้อหุงพลังงานแสงอาทิตย์บางรุ่นใช้รูปทรงอื่นสำหรับพื้นผิวสะท้อนแสง แต่อย่างที่คุณได้เรียนรู้ พาราโบลาเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในแง่ของประสิทธิภาพ

จานดาวเทียมและกล้องโทรทรรศน์วิทยุทำงานในลักษณะเดียวกับหม้อหุงพลังงานแสงอาทิตย์ ยกเว้นว่าได้รับการออกแบบให้สะท้อนแสงความยาวคลื่นวิทยุแทนแสงที่มองเห็นได้ รูปทรงพาราโบลาของทั้งสองแบบได้รับการออกแบบมาเพื่อสะท้อนแสงไปยังเครื่องรับ ซึ่งอยู่ที่จุดโฟกัสของจาน ทั้งกล้องโทรทรรศน์วิทยุและจานดาวเทียมทำเช่นนี้ด้วยเหตุผลเดียวกัน คือ เพื่อเพิ่มจำนวนคลื่นที่ตรวจจับได้มากที่สุด