กฎการสะท้อนแสงและประวัติการค้นพบ
กฎการสะท้อนแสงถูกค้นพบจากการสังเกตและการทดลอง แน่นอนว่ามันสามารถได้รับมาในทางทฤษฎี แต่หลักการทั้งหมดที่ใช้ตอนนี้ได้รับการกำหนดและพิสูจน์ในทางปฏิบัติแล้ว การทราบลักษณะสำคัญของปรากฏการณ์นี้จะช่วยในการวางแผนระบบแสงสว่างและการเลือกอุปกรณ์ หลักการนี้ยังใช้ได้ในพื้นที่อื่นๆ เช่น คลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ เป็นต้น ประพฤติตัวเหมือนกันในการสะท้อน
การสะท้อนของแสงคืออะไรและความหลากหลายกลไกคืออะไร
กฎหมายกำหนดไว้ดังนี้: เหตุการณ์และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกันโดยมีฉากตั้งฉากกับพื้นผิวสะท้อนแสงซึ่งโผล่ออกมาจากจุดตกกระทบ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
โดยพื้นฐานแล้ว การสะท้อนกลับเป็นกระบวนการทางกายภาพที่ลำแสง อนุภาค หรือรังสีทำปฏิกิริยากับระนาบ ทิศทางของคลื่นจะเปลี่ยนไปตามขอบของตัวกลางทั้งสอง เนื่องจากมีคุณสมบัติต่างกันแสงสะท้อนจะกลับคืนสู่ตัวกลางที่มันส่องมาเสมอ ส่วนใหญ่มักจะสังเกตปรากฏการณ์การหักเหของคลื่นในระหว่างการสะท้อน
สะท้อนกระจก
ในกรณีนี้ มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างรังสีสะท้อนกับรังสีตกกระทบ ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของความหลากหลายนี้ มีประเด็นหลักหลายประการเฉพาะสำหรับการมิเรอร์:
- รังสีสะท้อนจะอยู่ในระนาบที่ผ่านรังสีตกกระทบและเส้นปกติไปยังพื้นผิวสะท้อนแสง ซึ่งถูกสร้างขึ้นใหม่ ณ จุดเกิด
- มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนของลำแสง
- ลักษณะของลำแสงสะท้อนเป็นสัดส่วนกับโพลาไรซ์ของลำแสงและมุมตกกระทบ นอกจากนี้ ตัวบ่งชี้ยังได้รับอิทธิพลจากลักษณะของทั้งสองสภาพแวดล้อม
ในกรณีนี้ ดัชนีการหักเหของแสงจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระนาบและลักษณะของแสง การสะท้อนนี้สามารถพบเห็นได้ทุกที่ที่มีพื้นผิวเรียบ แต่สำหรับสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เงื่อนไขและหลักการอาจเปลี่ยนแปลงได้
สะท้อนภายในทั้งหมด
โดยทั่วไปสำหรับเสียงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดขึ้น ณ จุดที่ทั้งสองสิ่งแวดล้อมมาบรรจบกัน ในกรณีนี้ คลื่นจะต้องตกลงมาจากตัวกลางที่มีความเร็วการแพร่กระจายต่ำกว่า ในแง่ของแสง เราสามารถพูดได้ว่าดัชนีการหักเหของแสงในกรณีนี้เพิ่มขึ้นอย่างมาก
มุมตกกระทบของลำแสงส่งผลต่อมุมหักเห ด้วยค่าที่เพิ่มขึ้นความเข้มของรังสีสะท้อนจะเพิ่มขึ้นและการหักเหของแสงจะลดลงเมื่อถึงค่าวิกฤต ดัชนีการหักเหของแสงจะลดลงเป็นศูนย์ ซึ่งนำไปสู่การสะท้อนรวมของรังสี
มุมวิกฤตจะคำนวณแยกกันสำหรับสื่อต่างๆ
แสงสะท้อนกระจาย
ตัวเลือกนี้มีลักษณะเฉพาะคือเมื่อกระทบกับพื้นผิวที่ไม่เรียบรังสีจะสะท้อนไปในทิศทางต่างๆ แสงสะท้อนจะกระจัดกระจาย และด้วยเหตุนี้ คุณจึงไม่สามารถมองเห็นเงาสะท้อนบนพื้นผิวที่ไม่เรียบหรือด้านได้ ปรากฏการณ์ของการแพร่กระจายของรังสีจะเกิดขึ้นเมื่อความผิดปกติมีค่าเท่ากับหรือมากกว่าความยาวคลื่น
ในกรณีนี้ ระนาบเดียวกันและระนาบเดียวกันสามารถสะท้อนแสงแบบกระจายสำหรับแสงหรืออัลตราไวโอเลต แต่ในขณะเดียวกันก็สะท้อนสเปกตรัมอินฟราเรดได้ดี ทั้งหมดขึ้นอยู่กับลักษณะของคลื่นและคุณสมบัติของพื้นผิว
การสะท้อนกลับ
ปรากฏการณ์นี้สังเกตได้เมื่อรังสี คลื่น หรืออนุภาคอื่นๆ สะท้อนกลับมา นั่นคือ ไปทางแหล่งกำเนิด คุณสมบัตินี้สามารถนำไปใช้ในด้านดาราศาสตร์ วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ การแพทย์ การถ่ายภาพ และพื้นที่อื่นๆ เนื่องจากระบบเลนส์นูนในกล้องโทรทรรศน์จึงสามารถมองเห็นแสงของดวงดาวที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าได้
การสร้างเงื่อนไขบางอย่างเพื่อให้แสงกลับสู่แหล่งกำเนิดเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งส่วนใหญ่มักจะทำได้โดยใช้เลนส์และทิศทางลำแสงของรังสี ตัวอย่างเช่น หลักการนี้ใช้ในการศึกษาอัลตราซาวนด์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกที่สะท้อนออกมา รูปภาพของอวัยวะที่อยู่ระหว่างการศึกษาจะปรากฏบนจอภาพ
ประวัติความเป็นมาของการค้นพบกฎแห่งการสะท้อน
ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักมานานแล้วเป็นครั้งแรกที่มีการกล่าวถึงการสะท้อนของแสงในงาน "Katoptrik" ซึ่งมีอายุย้อนไปถึง 200 ปีก่อนคริสตกาล และเขียนโดย Euclid ปราชญ์ชาวกรีกโบราณ การทดลองครั้งแรกนั้นเรียบง่าย ดังนั้นจึงไม่มีพื้นฐานทางทฤษฎีปรากฏขึ้นในขณะนั้น แต่เป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้ ในกรณีนี้ ใช้หลักการของแฟร์มาต์สำหรับพื้นผิวกระจก
สูตรเฟรส
ออกุสต์ เฟรสเนลเป็นนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่พัฒนาสูตรต่างๆ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมาจนถึงทุกวันนี้ ใช้ในการคำนวณความเข้มและแอมพลิจูดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนและหักเหของแสง ในเวลาเดียวกัน พวกเขาต้องผ่านขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างสื่อสองตัวที่มีค่าการหักเหของแสงต่างกัน
ปรากฏการณ์ทั้งหมดที่เข้ากับสูตรของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสเรียกว่า การสะท้อนแบบเฟรสเนล แต่ต้องจำไว้ว่ากฎหมายทั้งหมดที่ได้รับนั้นใช้ได้ก็ต่อเมื่อสื่อเป็นแบบไอโซโทรปิก และขอบเขตระหว่างกฎทั้งสองนั้นชัดเจน ในกรณีนี้ มุมตกกระทบจะเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ และค่าของการหักเหของแสงจะถูกกำหนดโดยกฎของสเนลล์
เป็นสิ่งสำคัญที่เมื่อแสงตกบนพื้นผิวเรียบ โพลาไรซ์สามารถมีสองประเภท:
- p-polarization มีลักษณะโดยข้อเท็จจริงที่ว่าเวกเตอร์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในระนาบของอุบัติการณ์
- s-polarization แตกต่างจากชนิดแรกตรงที่เวกเตอร์ความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งฉากกับระนาบที่ทั้งตกกระทบและลำแสงสะท้อนอยู่
สูตรสำหรับสถานการณ์ที่มีโพลาไรซ์ต่างกันเนื่องจากโพลาไรซ์มีผลต่อลักษณะของลำแสงและสะท้อนออกมาในรูปแบบต่างๆ เมื่อแสงตกที่มุมหนึ่ง ลำแสงที่สะท้อนกลับสามารถโพลาไรซ์ได้อย่างสมบูรณ์ มุมนี้เรียกว่ามุม Brewster ขึ้นอยู่กับลักษณะการหักเหของแสงของสื่อที่ส่วนต่อประสาน
อนึ่ง! ลำแสงสะท้อนจะโพลาไรซ์เสมอ แม้ว่าแสงที่ตกกระทบจะไม่มีขั้วก็ตาม
หลักการของไฮเกนส์
Huygens เป็นนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ที่ประสบความสำเร็จในการได้มาซึ่งหลักการที่ทำให้สามารถอธิบายคลื่นของธรรมชาติใดๆ ได้ ด้วยความช่วยเหลือบ่อยครั้งที่พวกเขาพิสูจน์ทั้งกฎแห่งการไตร่ตรองและ กฎการหักเหของแสง.
ในกรณีนี้ แสงจะเข้าใจว่าเป็นคลื่นที่มีรูปร่างแบน นั่นคือ พื้นผิวคลื่นทั้งหมดแบน ในกรณีนี้ พื้นผิวคลื่นคือชุดของจุดที่มีการแกว่งตัวในเฟสเดียวกัน
ถ้อยคำเป็นแบบนี้: จุดที่เกิดการก่อกวนในภายหลังจะกลายเป็นแหล่งคลื่นทรงกลม
ในวิดีโออธิบายกฎจากฟิสิกส์เกรด 8 ด้วยคำง่ายๆ โดยใช้กราฟิกและแอนิเมชั่น
กะของ Fedorov
เรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์ Fedorov-Ember ในกรณีนี้ มีการเคลื่อนตัวของลำแสงที่มีการสะท้อนแสงภายในทั้งหมด ในกรณีนี้ การเปลี่ยนแปลงไม่มีนัยสำคัญ และจะน้อยกว่าความยาวคลื่นเสมอ เนื่องจากการกระจัดนี้ ลำแสงสะท้อนจึงไม่อยู่ในระนาบเดียวกับลำแสงตกกระทบ ซึ่งขัดต่อกฎการสะท้อนของแสง
ประกาศนียบัตรการค้นพบทางวิทยาศาสตร์มอบให้กับ F.I. Fedorov ในปี 1980
การกระจัดด้านข้างของรังสีได้รับการพิสูจน์ในทางทฤษฎีโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียตในปี 1955 ด้วยการคำนวณทางคณิตศาสตร์ สำหรับการยืนยันการทดลองของผลกระทบนี้ แอมเบอร์นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ทำในภายหลังเล็กน้อย
การใช้กฎหมายในทางปฏิบัติ
กฎหมายที่เป็นปัญหานั้นเป็นเรื่องธรรมดามากกว่าที่คิด หลักการนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ:
- กระจกเงา เป็นตัวอย่างที่ง่ายที่สุด เป็นพื้นผิวเรียบที่สะท้อนแสงและรังสีชนิดอื่นๆ ได้ดี มีการใช้ทั้งแบบเรียบและชิ้นส่วนของรูปทรงอื่นๆ เช่น พื้นผิวทรงกลมช่วยให้เคลื่อนย้ายวัตถุออกไปได้ ซึ่งทำให้เป็นกระจกมองหลังในรถยนต์ที่ขาดไม่ได้
- อุปกรณ์เกี่ยวกับสายตาต่างๆ ยังทำงานได้เนื่องจากหลักการที่พิจารณา ซึ่งรวมถึงทุกอย่างตั้งแต่แว่นตาซึ่งพบได้ทุกที่ ไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์ทรงพลังพร้อมเลนส์นูนหรือกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ในทางการแพทย์และชีววิทยา
- อุปกรณ์อัลตราซาวด์ ก็ใช้หลักการเดียวกัน อุปกรณ์อัลตราซาวด์ช่วยให้ตรวจได้อย่างแม่นยำ รังสีเอกซ์แพร่กระจายไปตามหลักการเดียวกัน
- เตาอบไมโครเวฟ - อีกตัวอย่างหนึ่งของการใช้กฎหมายที่เป็นปัญหาในทางปฏิบัติ รวมถึงอุปกรณ์ทั้งหมดที่ทำงานเนื่องจากการแผ่รังสีอินฟราเรด (เช่น อุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืน)
- กระจกเว้า ให้ไฟฉายและโคมไฟเพิ่มประสิทธิภาพ ในกรณีนี้ พลังของหลอดไฟอาจน้อยกว่าโดยไม่ต้องใช้กระจกเงา
อนึ่ง! ผ่านเงาสะท้อนของแสง เราเห็นดวงจันทร์และดวงดาว
กฎการสะท้อนของแสงอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมากมาย และความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของแสงทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสมัยของเรา