Odbicie światła

Wstęp — spójrz w lustro

Codziennie rano patrzysz w lustro i widzisz samego siebie. Ale dlaczego lustro pokazuje obraz, a zwykła kartka papieru — nie? Przecież obie powierzchnie odbijają światło!

Odpowiedź kryje się w tym, jak światło odbija się od powierzchni. W tej lekcji poznasz zasady, które rządzą odbiciem światła.

Z poprzedniej lekcji wiemy już, że światło biegnie po liniach prostych i że widzimy przedmioty dzięki światłu, które się od nich odbija. Teraz przyjrzymy się temu odbiciu dokładnie.

W tej lekcji dowiesz się:

• na czym polega prawo odbicia światła,
• czym różni się odbicie zwierciadlane od rozproszonego,
• jak powstaje obraz w zwierciadle płaskim,
• do czego służą zwierciadła wklęsłe i wypukłe.

Prawo odbicia światła

Gdy promień światła trafia w gładką powierzchnię, odbija się od niej — jak piłka odbijająca się od ściany. Żeby opisać to odbicie, potrzebujemy kilku pojęć.

Wyobraź sobie, że w punkcie, w którym światło trafia w lustro, stawiamy prostą prostopadłą do powierzchni. Tę pomocniczą linię nazywamy normalną.

• Promień padający — promień biegnący do lustra.
• Promień odbity — promień, który odbił się od lustra.
• Normalna — prosta prostopadła do lustra w punkcie odbicia.
• Kąt padania ($\alpha$) — kąt między promieniem padającym a normalną.
• Kąt odbicia ($\beta$) — kąt między promieniem odbitym a normalną.

Prawo odbicia: Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

Zapiszmy to krótkim wzorem:

$$\alpha = \beta$$

Gdzie:

• $\alpha$ — kąt padania (między promieniem padającym a normalną),
• $\beta$ — kąt odbicia (między promieniem odbitym a normalną).

Uwaga na ważny szczegół: kąty mierzymy zawsze od normalnej, a nie od powierzchni lustra!

Rys. 1. Prawo odbicia: kąt padania $\alpha$ = kąt odbicia $\beta$.

Poeksperymentuj — zmieniaj kąt padania i obserwuj, że kąt odbicia zawsze mu dorównuje:

Odbicie zwierciadlane i rozproszone

Skoro każdy promień odbija się zgodnie z prawem odbicia, to dlaczego w lustrze widzimy obraz, a w kartce papieru — nie? Wszystko zależy od tego, czy powierzchnia jest gładka, czy chropowata.

Odbicie zwierciadlane zachodzi na powierzchni bardzo gładkiej (lustro, spokojna tafla wody, wypolerowany metal). Równoległe promienie padające odbijają się równolegle — dzięki temu powstaje wyraźny obraz.

Odbicie rozproszone zachodzi na powierzchni chropowatej (papier, ściana, asfalt). Każdy malutki fragment powierzchni jest nachylony inaczej, więc równoległe promienie odbijają się w różne strony. Nie powstaje obraz, ale za to widzimy przedmiot z każdej strony.

Rys. 2. Gładka powierzchnia daje odbicie zwierciadlane, chropowata — rozproszone.

Ciekawostka: W obu przypadkach każdy pojedynczy promień słucha prawa odbicia! Różnica polega tylko na tym, że na chropowatej powierzchni sąsiednie promienie trafiają w różnie nachylone fragmenty.

Obraz w zwierciadle płaskim

Zwierciadło płaskie to zwykłe, płaskie lustro. Jaki obraz w nim widzimy?

Gdy patrzysz w lustro, odbite promienie wpadają do Twojego oka tak, jakby wychodziły spoza lustra. Mózg „przedłuża" te promienie i widzisz obraz za lustrem — mimo że nic tam nie ma. Taki obraz nazywamy pozornym.

Obraz w zwierciadle płaskim ma cztery cechy:

1. jest pozorny (powstaje za lustrem, nie można go rzucić na ekran),
2. jest tej samej wielkości co przedmiot,
3. znajduje się w tej samej odległości za lustrem, w jakiej przedmiot stoi przed lustrem,
4. jest odwrócony lewo–prawo (dlatego napisy w lustrze są „na odwrót").

Rys. 3. Obraz w zwierciadle płaskim jest pozorny, prosty i tej samej wielkości.

Zwierciadła wklęsłe i wypukłe

Nie wszystkie zwierciadła są płaskie. Bywają też sferyczne — wygięte jak fragment kuli.

• Zwierciadło wklęsłe (zapadnięte do środka) skupia równoległe promienie w jednym punkcie. Używamy go w latarkach, reflektorach i lusterkach do makijażu (powiększa obraz z bliska).
• Zwierciadło wypukłe (wybrzuszone na zewnątrz) rozprasza promienie. Daje mniejszy obraz, ale za to obejmuje większy obszar — dlatego montuje się je jako lusterka w samochodach i na ostrych zakrętach dróg.

Zadanie krok po kroku

Promień światła pada na lustro pod kątem padania $\alpha = 30°$. Jaki jest kąt odbicia? Jaki kąt tworzą ze sobą promień padający i odbity?

Krok 1. Z prawa odbicia kąt odbicia równa się kątowi padania:

$$\beta = \alpha = 30°$$

Krok 2. Promień padający i odbity leżą po dwóch stronach normalnej, każdy pod kątem $30°$ do niej. Kąt między nimi to suma obu kątów:

$$30° + 30° = 60°$$

Odpowiedź: Kąt odbicia wynosi $30°$, a oba promienie tworzą ze sobą kąt $60°$.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Kąt mierzymy od powierzchni lustra." Nie — kąt padania i odbicia mierzymy zawsze od normalnej (prostej prostopadłej do lustra).
2. „Papier nie odbija światła, bo nie widać w nim obrazu." Odbija! Tyle że rozprasza światło w różne strony, więc nie tworzy obrazu.
3. „Obraz w lustrze płaskim jest odwrócony do góry nogami." Nie — jest odwrócony tylko lewo–prawo, a nie góra–dół.
4. „Obraz w lustrze jest rzeczywisty." Obraz w zwierciadle płaskim jest pozorny — istnieje tylko dla naszego oka i nie da się go rzucić na ekran.

Podsumowanie

• Prawo odbicia: kąt padania równa się kątowi odbicia ($\alpha = \beta$), mierzone od normalnej.
• Odbicie zwierciadlane (gładka powierzchnia) daje wyraźny obraz; odbicie rozproszone (chropowata powierzchnia) rozprasza światło.
• Obraz w zwierciadle płaskim jest pozorny, prosty, tej samej wielkości i w tej samej odległości za lustrem; odwrócony lewo–prawo.
• Zwierciadło wklęsłe skupia promienie, wypukłe je rozprasza.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — zadania z prawa odbicia $\alpha = \beta$, obliczenia kątów, odbicie zwierciadlane i rozproszone oraz obraz w zwierciadle: Odbicie światła — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Światło i źródła światła — skąd bierze się światło i jak się rozchodzi?
• Załamanie światła — co się dzieje, gdy światło wchodzi do wody?
• Pryzmat i rozszczepienie światła — jak powstaje tęcza?