กฎแห่งการสะท้อน (ฟิสิกส์): มันคืออะไร & มันทำงานอย่างไร?

การเห็นเงาสะท้อนในกระจกเป็นเรื่องธรรมดามากจนคุณอาจมองข้ามไป แต่มีหลายสิ่งที่ต้องพิจารณาเพียงแค่ซ่อนตัวอยู่ใต้พื้นผิว

พื้นผิวเรียบของกระจกในห้องน้ำของคุณอาจให้ภาพสะท้อนที่สมบูรณ์แบบ แต่กระจกบ้านแสนสนุกแบบโค้งสร้างภาพบิดเบี้ยวที่แปลกประหลาดได้อย่างไร ทำให้คุณดูสูงหรือเตี้ยและหมอบ รังสีแสงแต่ละดวงกระเด้งออกจากพื้นผิวได้อย่างสมบูรณ์แบบเพื่อสร้างภาพที่คมชัดได้อย่างไร ทำไมคุณไม่เห็นเงาสะท้อนที่ชัดเจนจากพื้นผิวที่ขรุขระ?

คำถามเหล่านี้อาจเป็นสิ่งที่คุณคิดว่าเด็กที่กระตือรือร้นมากเกินไปอาจถาม แต่ฟิสิกส์ของการไตร่ตรอง และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎการสะท้อน อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย และเป็นก้าวสำคัญในการทำความเข้าใจแนวคิดที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น การหักเหของแสงและสเนลล์ กฎหมาย.

เมื่อคลื่นแสงกระทบพื้นผิว ทั้งหมดหรือบางส่วนจะหันกลับอย่างรวดเร็วและสะท้อนออกจากพื้นผิวอีกครั้ง สำหรับพื้นผิวที่เรียบเหมือนกระจกเครื่องบิน แสงเกือบทั้งหมดที่กระทบกระจกจะสะท้อนออกมา และภาพที่ได้จะเป็นภาพสะท้อน "แบบพิเศษ" ที่สะอาดตา นี่คือรูปแบบการสะท้อนที่คุณคุ้นเคยมากที่สุด และไม่ต้องสงสัยเลยว่าคุณจะนึกถึงอะไรเมื่อวาดภาพสะท้อน

อย่างไรก็ตาม การสะท้อนแสงแบบพิเศษไม่ได้เป็นเพียงประเภทเดียว: นอกจากนี้ยังมีการสะท้อนแสงแบบกระจายอีกด้วย เมื่อรังสีแสงคู่ขนานไปชนกับพื้นผิวขรุขระ รังสีของแสงแต่ละดวงจะกระทบเล็กน้อย จุดต่างๆ และสะท้อนไปในทิศทางต่างๆ อันเป็นผลจากความไม่สม่ำเสมอของความหยาบ พื้นผิว สิ่งนี้เรียกว่าการสะท้อนแบบกระจาย เพราะแม้ว่าแสงทั้งหมดจะยังสะท้อนอยู่ แต่คลื่นแสงก็กระจัดกระจายไปรอบ ๆ และไม่ก่อให้เกิดภาพที่คมชัดเพียงภาพเดียว

ในบางกรณี เช่น ที่พื้นผิวของหน้าต่าง คุณจะสังเกตเห็นภาพสะท้อนที่หลอกตาซึ่งกำหนดความชัดเจนน้อยกว่าที่คุณเห็นในกระจก เนื่องจากที่อินเทอร์เฟซดังกล่าว มีการสะท้อนแบบดั้งเดิมอยู่บ้าง แต่ยังมีโอกาสมากที่แสงจะถูกส่งผ่านหน้าต่างแทน

คุณต้องการกฎของสเนลล์เพื่ออธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นกับแสงที่ส่องผ่านหน้าต่างโดยสมบูรณ์ (ซึ่งได้รับหักเห) แต่กฎการสะท้อนยังคงอธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นกับแสงสะท้อนแม้ในสถานการณ์ที่ซับซ้อนกว่านี้

ก่อนที่จะพูดถึงกฎแห่งการไตร่ตรอง คุณควรเรียนรู้คำศัพท์ที่ใช้อธิบายสถานการณ์เช่นนี้ก่อนเป็นความคิดที่ดี

ประการแรก แสงที่ส่องไปยังกระจกหรือพื้นผิวเรียกว่ารังสีแสงตกกระทบหรือเพียงแสงตกกระทบ และแสงหลังการสะท้อนนั้นเรียกว่าลำแสงสะท้อนแสง​.

มุมตกกระทบของรังสีแสงตกกระทบคือมุมที่ทำกับ "เส้นปกติ" ของพื้นผิว ณ จุดเกิด “ปกติ” ในบริบทนี้หมายถึงเส้นที่ยื่นออกไปในแนวตั้งฉากออกจากพื้นผิว ณ จุดนั้น ดังนั้นรังสีแสงจึงตกกระทบกับ ส่องกระจกจะมีมุมตกกระทบเป็น 0 องศา ขณะที่รังสีตกกระทบแนวทแยงมุมพอดีจะมีมุมตก 45 องศา อุบัติการณ์

มุมสะท้อนคล้ายกับมุมตกกระทบมาก แต่อย่างที่คุณคาดไว้ อธิบายมุมที่รังสีแสงสะท้อนทำกับเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวที่จุดตกกระทบ นี่เป็นเพียงค่าที่เทียบได้กับมุมตกกระทบที่กำหนดไว้ข้างต้น

นอกจากนี้ ยังควรสังเกตด้วยว่ารังสีแสงเป็นวิธีที่ใช้อธิบายแสงในอุดมคติได้เล็กน้อย โดยพื้นฐานแล้วคุณก็แค่คิดถึง think ในแง่ของรังสีตรงอย่างสมบูรณ์ในขณะที่ในความเป็นจริงมันเป็นคลื่นตามขวางและซับซ้อนกว่ามากเพื่อ อธิบาย. อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เข้าใจการไตร่ตรอง คุณไม่จำเป็นต้องมีรายละเอียดในระดับนี้ การทำให้สิ่งต่าง ๆ ง่ายขึ้นเมื่อคุณทำได้ในวิชาฟิสิกส์เป็นเรื่องที่ดีเสมอ!

กฎการสะท้อนแสงระบุว่าสำหรับรังสีตกกระทบ มุมตกกระทบจะเท่ากับมุมสะท้อน พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้ารังสีแสงเข้าใกล้พื้นผิวสะท้อนแสงตั้งฉากกับพื้นผิวพอดี รังสีจะสะท้อนกลับตรงๆ ตามแนวเส้นเดียวกัน แต่ถ้าไม่ค่อนข้างตั้งฉากก็จะสะท้อนออกไปอีกด้านของเส้นตั้งฉากเท่ากัน จำนวนเงิน

เรียกมุมสะท้อนθ​_r และมุมตกกระทบθ​_ผม, กฎแห่งการสะท้อนคือ:

ดังนั้นหากคุณฉายเลเซอร์พอยเตอร์ไปที่กระจกห้องน้ำโดยทำมุม 45 องศากับเส้นตั้งฉาก (เท่ากับครึ่งทางระหว่าง ให้ชิดกับหน้ากระจกและตั้งฉากกับมัน) แล้วสะท้อนออกไปที่มุม 45 องศา ทิศทาง.

ลองนึกถึงนักเล่นพูลที่กระดอนลูกบอลจากส่วนที่แบนของเบาะ หรือนักเทนนิสที่ตัดสินมุมที่ลูกบอลจะกระดอนขึ้นหลังจากกระแทกพื้น ทั้งสองสถานการณ์นี้ไม่ใช่อย่างสมบูรณ์แบบเท่ากันในแง่ของมุมตกกระทบและมุมสะท้อนกลับ (เพราะพลังงานบางส่วนหายไปในทั้งสองกรณี) แต่โดยพื้นฐานแล้ว แสงจะทำงานในลักษณะเดียวกัน

ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของกฎการสะท้อนคือเมื่อคุณมองเข้าไปในกระจกระนาบ ลองนึกภาพว่าคุณกำลังมองลงไปในกระจกยาวเต็มเท้าที่เท้าของคุณ และคิดว่าที่จริงแล้วรังสีของแสงกำลังเดินทางไปที่ใด

รังสีของแสงจะส่องจากเท้าของคุณขึ้นไปที่กระจก ณ มุมหนึ่งของการเกิดอุบัติการณ์ กฎการสะท้อนบอกเราว่ามุมที่สะท้อนต้องตรงกับมุมที่ตกกระทบ ดังนั้นมุมที่สะท้อนต้องกระทบกับ สะท้อนประมาณครึ่งทางระหว่างเท้าของคุณกับความสูงของดวงตา และคุณสามารถคำนวณสิ่งนี้ได้อย่างแม่นยำโดยใช้ค่าเล็กน้อย ตรีโกณมิติ.

คุณอาจสังเกตเห็นปัญหาบางอย่างเกี่ยวกับการสะท้อนกลับเมื่อคุณพยายามดูทีวี และนี่เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของกฎการสะท้อนในชีวิตประจำวัน ปัญหาคือทีวีมีพื้นผิวเรียบและทำหน้าที่เป็นกระจกเครื่องบินสำหรับดวงอาทิตย์หรือแสงจากโคมไฟที่ทำลายภาพของคุณได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้ว่าจะมีความพยายามทางเทคโนโลยีมากมายในการแก้ไขปัญหานี้ แต่คุณสามารถใช้กฎแห่งการสะท้อนกลับและเพียงแค่บิดทีวีไปที่ เปลี่ยนมุมระหว่างเส้นปกติกับหน้าจอและแสงตกกระทบ ทำให้แสงสะท้อนออกจาก เส้นตา

กระจกของ Fun-house นั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย แต่คุณสามารถเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นได้หากคุณนึกถึงรูปร่างของพื้นผิวกระจก ลองคิดดูว่ากฎการสะท้อนจะนำไปใช้กับกระจกที่โค้งเล็กน้อยอย่างไร โดยที่ด้านบนและด้านล่างยื่นออกมา และจุดศูนย์กลางจะอยู่ด้านหลังค่อนข้างไกล ภาพลักษณ์ของคุณจะเปลี่ยนไปอย่างไร?

มีปัญหาตัวอย่างมากมายที่คุณสามารถลองใช้ได้ด้วยความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับความหมายของกฎหมาย แต่ปัญหาหนึ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษและควรช่วยให้คุณเข้าใจแนวคิดหลักได้

ลองนึกภาพกระจกสองบานที่ทำมุม 90 องศาเข้าหากันและมาบรรจบกันที่ขอบด้านหนึ่ง ราวกับว่าพวกมันกำลังก่อตัวเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสครึ่งวงกลม หากคุณฉายแสงไปที่กระจกทั้งสองบาน กระจกเงาจะสะท้อนกระจกบานแรก จากนั้นกระจกที่สองจะสะท้อนออกจากกระจก อย่างไรก็ตาม มุมที่สะท้อนกลับมาในที่สุดจะขนานกับมุมตกกระทบ

คุณสามารถพิสูจน์สิ่งนี้ได้ไหม ลองนึกภาพว่าแสงตกกระทบที่ 30° บนกระจกบานแรก แล้วส่องผ่านเส้นทางของรังสีทีละขั้นและดูว่าคุณจะได้อะไร ถ้าคุณทำ จะเป็นอย่างไรถ้ามันไม่ได้เจาะจง 30° และคุณเพิ่งบอกว่ามันตกเป็นมุมφแทน – คุณสามารถพิสูจน์สิ่งเดียวกันโดยทั่วไปได้หรือไม่?