Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Refleksjonsloven (fysik): Hvad er det og hvordan fungerer det?

At se din refleksion i spejlet er noget så almindeligt, at du måske tager det for givet, men der er meget at overveje bare at lure under overflade.

Den flade overflade af spejlet i dit badeværelse giver måske en perfekt refleksion, men hvordan producerer buede fun-house-spejle så bizarre forvrængninger, der får dig til at se ultrahøj eller kort og squat ud? Hvordan kan hver lysstråle sprænge overfladen på en så perfekt måde at skabe et klart billede? Hvorfor kan du ikke se en klar refleksion fra en ru overflade?

Disse spørgsmål er måske den slags ting, du kunne forestille dig, at et over-ivrig barn måske spørger, men refleksionens fysik, og især reflektionslov, forklarer mange fænomener og er et vigtigt springbræt for at forstå mere komplekse begreber som brydning og Snells lov.
Reflektion af lys

Når en lysbølge rammer en overflade, vil hele eller en del af det drej skarpt rundt og reflekteres væk fra overfladen igen. For en glat overflade som et plant spejl reflekteres næsten alt lyset, der rammer det, og det resulterende billede er en ren, "spekulær" reflektion. Dette er den refleksionsform, du vil være mest bekendt med, og uden tvivl, hvad du vil tænke på, når du forestiller dig en reflektion.

Imidlertid er spekulær refleksion ikke den eneste type: Der er også diffuse refleksioner af lys. Når parallelle lysstråler ender med at ramme en ru overflade, rammer de individuelle lysstråler lidt forskellige punkter og reflekteres i forskellige retninger som et resultat af uregelmæssigheden af den ru overflade. Dette kaldes en diffus reflektion, fordi selvom alt lyset stadig reflekteres, er lysbølgerne spredt rundt omkring og danner ikke et enkelt, sprødt billede.

I nogle tilfælde, for eksempel ved overfladen i et vindue, vil du bemærke en føle refleksion, der er meget mindre klart defineret, end du ville se ved et spejl. Dette skyldes, at der ved en sådan grænseflade er nogen traditionel reflektion, men også en betydelig chance for, at lyset overføres gennem vinduet i stedet.

Du har brug for Snells lov for at fuldstændigt beskrive, hvad der sker med det lys, der transmitteres gennem vinduet (som bliver brydet
), men reflektionsloven forklarer stadig, hvad der sker med det reflekterede lys, selv i denne mere komplicerede situation.
Vigtige definitioner

Før vi går videre til at diskutere reflektionsloven, er det en god ide at lære den terminologi, der bruges til at beskrive situationer som denne.

For det første betegnes lyset på vej til spejlet eller overfladen som den lysende lysstråle eller simpelthen hændelsen lys, og det lys efter reflektionen kaldes den reflekterede lysstråle.

Indfaldsvinklen for den indfaldende lysstråle er den vinkel, den skaber med den "normale linje" for overfladen på forekomstspunktet. "Normal" betyder i denne sammenhæng linjen, der strækker sig vinkelret ud fra overfladen på det tidspunkt, så en lysstråle, der rammer et spejl med hovedet, vil have en 0 graders indfaldsvinkel, mens en perfekt diagonalt indfaldende stråle har en 45 grad af indfaldsvinkel.

Reflektionsvinklen ligner meget forekomstens vinkel, men beskriver, som du måske forventer, den vinkel, som den reflekterede lysstråle laver med den normale linje til overfladen på incidenspunktet. . Dette er bare modstykke til den ovenfor angivne indfaldsvinkel.

Det er også værd at bemærke, at en lysstråle er en lidt idealiseret måde at beskrive lys på - du tænker i bund og grund bare på det i form af perfekt lige stråler, hvorimod i virkeligheden er det en tværgående bølge og meget mere kompliceret at beskrive. For at forstå refleksion behøver du dog ikke dette detaljeringsniveau - det er altid godt at forenkle ting, når du kan i fysik!
Hvad er reflektionsloven?

Reflektionsloven siger, at for en indfaldende lysstråle vil incidensvinklen svare til reflektionsvinklen. Kort sagt, hvis en lysstråle nærmer sig den reflekterende overflade nøjagtigt vinkelret på overfladen, reflekteres den lige tilbage langs den samme linje, men hvis den ikke er helt vinkelret, vil den blive reflekteret ud til den anden side af den vinkelrette linje med et lige stort beløb.

At kalde reflektionsvinklen θ
r og forekomstens vinkel θ
i, reflektionsformelens lov er simpelthen:
θ_r \u003d θ_i

Så hvis du skinner en laserpeger mod dit badeværelse spejl i en vinkel på 45 grader til den normale linje (så nøjagtigt halvvejs mellem at være på linje med spejlets ansigt og være vinkelret på det), så reflekteres det ved 45 grader i den modsatte retning.

Tænk på en poolspiller, der sprænger en bold fra et fladt afsnit af puden, eller en tennisspiller, der bedømmer vinklen, bolden vil spræde "up after hitting the ground.", 3, [[Begge disse situationer er ikke perfekt
lige med hensyn til indfaldsvinklen og hoppevinklen (fordi en vis energi går tabt i begge tilfælde), men i det væsentlige opfører lys sig på samme måde.
Eksempler på reflektionsloven

Det enkleste eksempel på reflektionsloven er, når du kigger ind i et plan spejl. Forestil dig, at du kigger ned i et spejl i fuld længde ved dine fødder, og tænk over, hvor lysstrålene rent faktisk bevæger sig.

Lysstrålene kommer fra dine fødder op mod spejlet, i en bestemt vinkel på forekomsten . Reflektionsloven fortæller os, at den vinkel, den reflekteres i, skal matche den vinkel, som den var begivenhed ved, så den skal slå spejlet omkring halvvejs mellem dine fødder og højden på dine øjne, og du kan beregne dette nøjagtigt med en smule af trigonometri.

Du har muligvis bemærket nogle problemer med refleksioner, når du prøver at se tv, og dette er et andet eksempel på reflektionsloven i hverdagen. Problemet er, at tv'et er en glat overflade, og det fungerer effektivt som et plan spejl for solen eller lampelys, der ødelægger dit billede.

Selvom der er mange teknologiske forsøg på at løse dette, kan du udnytte reflektionslov og snu blot tv'et for at ændre vinklen mellem den normale linje til skærmen og det indfaldende lys, og således flytte refleksionen ud af din øjenlinje.

Fun-spejle er lidt mere komplicerede , men du kan forstå, hvad der sker, hvis du tænker på formen på spejlets overflade. Tænk på, hvordan reflektionsloven skulle gælde for et spejl, der var svagt krummet, så toppen og bunden stod ud, og midten var relativt længere bagud. Hvordan ville dit billede ændres?
Eksempel på reflektionsproblem -

Der er mange eksempler på problemer, du kan prøve med en grundlæggende forståelse af, hvad loven betyder, men en er især interessant og skal hjælpe dig med at komme til griber fat i nøglebegreberne.

Forestil dig to spejle i en vinkel på 90 grader mod hinanden og mødes i den ene kant, som om de dannede en halv firkantet form. Hvis du skinner en lysstråle mod disse to spejle, vil den reflektere fra den første, derefter den anden og derefter reflektere væk fra spejlerne. Vinklen, som den i sidste ende reflekterer tilbage ved, er imidlertid parallel med forekomstens vinkel.

Kan du bevise dette? Forestil dig, at lyset er tilfældet ved 30 ° på det første spejl, og arbejd derefter gennem strålebanen et trin ad gangen og se, hvad du får. Hvis du gør det, hvad nu hvis det ikke specifikt var 30 °, og du lige sagde, at det var tilfældet i en vinkel φ
i stedet - kan du bevise det samme generelt?