Reflektion i fysik — definition, lagar och exempel på ljus, ljud & vågor

Lär dig reflektion i fysik — tydlig definition, lagar och konkreta exempel på reflektion av ljus, ljud och vågor med enkla förklaringar och diagram.

Reflektion är den ändrade riktningen för en våg vid en gräns mellan två olika medier, så att vågen rör sig tillbaka in i det medium den kom ifrån.

De vanligaste exemplen är reflektion av ljus, ljud och vattenvågor.

Spegelreflexion är en spegelliknande reflektion av ljus från en yta, där ljus från en enda inkommande riktning reflekteras i en enda utgående riktning. I diagrammet till höger kommer en ljusstråle från punkten P och möter spegeln i punkten O. Strålen reflekteras i punkten O utåt i samma medium mot punkten Q. Reflektionen mäts i förhållande till en linje genom punkten O som är 90˚ mot spegeln. De vinklar som ljusstrålen gör (i diagrammet visas θ i {\displaystyle \theta _{i}} och θ r {\displaystyle \theta _{r}} ) måste vara lika stora. Båda vinklarna måste vara lika stora när reflektion sker. Detta är känt som "lagen om reflektion".

Grundläggande principer och lagar

Lagen om reflektion: vinkeln mellan den inkommande strålen och normalen till ytan (vinkelns incidens) är lika med vinkeln mellan den reflekterade strålen och normalen (reflektionsvinkeln). I symboler: θi = θr. Vinklarna mäts alltid i förhållande till normalen (en tänkt linje vinkelrät mot ytan) och i planet som innehåller både infallande och reflekterande stråle (infallande planet).

Mer formellt kan reflektion också uttryckas i vektorform. Om v är en enhetsvektor i inkommmande riktning och n är enhetsnormalen mot ytan (pekar ut från ytan), så ges den reflekterade enhetsvektorn r av

r = v − 2 (v · n) n

Denna formel beskriver den geometriska spegling av en riktning vid en plan yta och används ofta i datorgrafik, optik och akustik.

Spegelreflektion kontra diffus reflektion

• Spegelreflektion (speculär): uppträder på släta ytor där infallande strålar från en riktning reflekteras i en enda riktning. Ger skarpa bilder i speglar.
• Diffus reflektion: sker på grova eller matta ytor där mikrofacetter sprider det reflekterade ljuset i många riktningar. Trots att varje mikrofacet följer lagen om reflektion, blir det totala utgående ljuset spritt och ytan upplevs som icke-blänkande.

Reflektion av ljus

Vid reflektion av ljus spelar även materialets egenskaper in: en del av ljusets energi kan reflekteras, en del kan absorberas och en del kan refrakteras (böjas) in i nästa medium. Andelen reflekterat ljus beror på infallsvinkeln, polarisationen och brytningsindexen hos medierna. Dessa samband beskrivs kvantitativt av Fresnels ekvationer.

Speciella fenomen:

• Brewsters vinkel: vid en viss vinkel (Brewsters vinkel) blir reflektionen av ljus med en viss polarisation noll — reflekterat ljus blir polariserat.
• Totalreflektion: när ljus går från ett optiskt tätare medium till ett tunnare och infallsvinkeln överstiger en kritisk vinkel, sker ingen överföring av energi till det andra mediet — all energi reflekteras tillbaka. Detta används i optiska fibrer och prismarbeten.

Speglar och bildbildning

För plan spegel gäller att bilden av ett objekt är virtuell, upprätt och lika stor som objektet, placerad på samma avstånd bakom spegeln som objektet är framför. För sfäriska speglar (konkava och konvexa) används spegellikningen:

1/f = 1/do + 1/di

där f är spegelns brännvidd, do objektets avstånd och di bildens avstånd. Förstoringen m ges av m = -di/do. Konkava speglar kan ge både verkliga (vända) och virtuella (upprätta) bilder beroende på objektets läge; konvexa speglar ger alltid virtuella, förminskade bilder.

Reflektion av ljud

Ljud reflekteras på samma grundläggande sätt som ljus. När ljudvågor träffar en vägg eller klippa kan en del energi reflekteras tillbaka, vilket ger upphov till:

• Echo (eko): en distinkt reflektion som når lyssnaren efter en tidsfördröjning.
• Reverberation (efterklang): många tätt följande reflektioner i ett rum som skapar en långsam dämpning av ljudet.

Akustisk design utnyttjar reflektion för att förbättra talbarhet eller undvika oönskade ekoeffekter (t.ex. i konserthus eller inspelningsstudior).

Reflektion av vatten- och mekaniska vågor

Vattenvågor reflekteras vid hinder eller kanter. Om vågor reflekteras mot en fast kant kan fasvändning uppstå beroende på gränsvillkoren. När inkommande och reflekterade vågor överlagras kan stående vågor bildas med noder och bukar — detta är centralt i t.ex. stränginstrument och resonanskärl.

Praktiska tillämpningar

• Spegeloptik (speglar i instrument, teleskop, periskop).
• Fiberoptik och total intern reflektion för datatransmission.
• Sonar och radar som använder reflekterade vågor för att bestämma avstånd och form.
• Akustisk utformning av rum: kontroll av reflektion för bättre ljudkvalitet.
• Sol- och värmefokusering med paraboliska reflektorer.

Sammanfattning

Reflektion innebär att en våg vänder tillbaka i det medium den kom ifrån när den träffar en gräns mot ett annat medium. Den grundläggande lagen är enkel: vinkeln för infall och reflektion är lika (θi = θr). Trots lagens enkelhet ger kombinationen av olika ytors struktur och materialen mycket varierande fenomen — från skarpa spegelbilder till spritt, matt ljus, och från tydliga eko till diffus efterklang. Förståelsen av reflektion är central inom optik, akustik, vågmekanik och många tekniska tillämpningar.

Frågor och svar

F: Vad är reflektion?

F: Vilka är några vanliga exempel på reflektion?

F: Vad är speglande reflektion?

F: Hur fungerar lagen om reflektion?

F: Vad är några saker som människor gör för att använda reflektioner?

Sök med bokstav