Отражение на вълни: закон за отражението при светлина, звук и вода

Отражение на вълни: научете закона за отражението при светлина, звук и вода — ясно обяснение, формули и примери за ъглите, спекуларно и дифузно отражение.

Отражението е промяна на посоката на вълната на границата между две различни среди, така че вълната се връща обратно в средата, от която е дошла. Механизмът е общ за различни видове вълни — например за светлина, звук и водни вълни — но конкретните проявления зависят от свойствата на вълната и на повърхността.

Закон за отражението

При спекулярното (огледално) отражение посоката на отразения лъч е добре определена. На диаграмата светлинен лъч идва от точка P и се среща в огледалото в точка O. Лъчът се отразява в точка O навън в същата среда към точка Q. Отражението се измерва спрямо права през точка O, която е на 90° спрямо повърхността (т.нар. нормала).

Закон за отражението: ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение. При символи: θi = θr — ъглите се измерват спрямо нормалата. В текста и на схемата тези ъгли са означени като θ i {\displaystyle \theta _{i}} и θ r {\displaystyle \theta _{r}} . Двата ъгъла трябва да са равни винаги, когато има отражение — това е известният "закон за отражението".

Видове отражение

• Спекуларно отражение (огледално): възниква от гладки повърхности (например полирано стъкло или метал). Вълните се отразяват в една ясно определена посока и образуват ясни образи.
• Дифузно отражение: при груби или микронеравни повърхности лъчите се разпръскват в различни посоки. В резултат не се получава ясен образ, но повърхността става видима от много гледни точки (пример — хартия или бяла боя).

Примери и приложения

• Светлина: огледала, лъщене на метални предмети, оптични инструменти. В оптиката законът на отражението се използва за проектиране на огледални системи и за изчисляване на пътищата на лъчите.
• Звук: ехото е звук, който се връща към източника след отражение от стена или планинска склон. В архитектурната акустика се отчита отражението на звуци за контрол на резонанса и реверберацията.
• Вода: вълните се отразяват от брегове, бариери или стени на пристанища; при правилни условия може да се образуват стоящи вълни и интерференционни модели.
• Технически приложения: радарни и сонарни системи използват отражението за определяне на разстояния и посоки; лазерни и фотонни уреди също разчитат на контролирано отражение.

Физическо обяснение и формули

Законът на отражението може да се обясни геометрично и чрез принципа на най-малкото действие (или принципа на Ферма): пътят, който вълната следва между две точки, е такъв, че времето за преминаване е екстремално (статично). Поради симетрията на задачата това води до равенство на ъглите на падане и отражение.

Векторно представяне: ако d е единичен вектор на падащия лъч, n — единичният вектор нормала към повърхността, то векторът на отразения лъч r се дава от формулата
r = d − 2 (d · n) n
Тази формула е приложима за всички лъчеви (рейни) описания и улеснява числените изчисления в компютърната графика и оптичните симулации.

Допълнителни явления и забележки

• При преминаване в по-плътна среда (например от въздух към вода) част от вълната се отразява, а част се пречупва (рефракция). Количествата зависят от ъгъла и от показателите на средите (Закон на Снел).
• При отражение от по-плътна среда често настъпва фазово обръщане (фаза сдвиг от π) за електромагнитни вълни; това е важно при интерференция и вълнови явления.
• При големи ъгли на падане, при преминаване от по-плътна към по-рядка среда, може да възникне тотално вътрешно отражение — явление широко използвано в оптичните влакна.
• Законът на отражението е общ за всички линейни вълни и важи за плоска (локално плоска) граница; при криви повърхности нормалата се променя локално и правилото се прилага в точката на падане.

Кратко резюме: при отражение ъгълът на падане винаги е равен на ъгъла на отражение (измерени спрямо нормалата). Това правило описва поведението на светлина, звук и водни вълни при сблъсък с граница между среди и е основа за множество инженерни и научни приложения.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво е отразяване?

В: Кои са някои често срещани примери за отражение?

В: Какво е огледално отражение?

В: Как действа законът за отражението?

В: Кои са нещата, които хората правят, за да използват отраженията?

Търсене по буква