การสะท้อนของแสงและกระจก

กระจกทำให้ดูเหมือนมีพื้นที่อยู่หลังผิว ทั้งที่แสงสะท้อนไม่ได้เดินทางไปที่นั่น กฎสะท้อนเดียวกันของแต่ละรังสีสร้างภาพทั้งภาพได้อย่างไร?

การเปรียบเทียบแสงที่ตกบนผิวต่างกันต้องมีเส้นอ้างอิงร่วม ที่จุดรังสีพบกระจก ให้ลากเส้นแนวฉากซึ่งตั้งฉากกับผิว มุมตกกระทบ α วัดระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นแนวฉากเป็นองศา หากรังสีตามแนวฉาก α = 0° แต่มุมกับผิวเท่ากับ 90° การตรวจง่าย ๆ นี้ช่วยไม่ให้สับสนสองมุม

การทดลองกับกระจกเรียบให้กฎว่า มุมสะท้อน β เท่ากับมุมตกกระทบ α ดังนั้น β = α ทั้งสองวัดจากเส้นแนวฉาก และรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน กับเส้นแนวฉากอยู่ในระนาบเดียวกัน ลากรังสีออกให้สมมาตรกับรังสีตกกระทบรอบเส้นแนวฉาก เมื่อเพิ่ม α อีก 10° ค่า β เพิ่ม 10° ด้วย ที่ α = 0° แสงย้อนตามเส้นเดิม ลูกศรแยกทิศเข้าหาและออกจากกระจก

เหตุใดกระจกสะท้อนแสงเป็นระเบียบ แต่กระดาษส่งแสงหลายทิศ? บริเวณข้างเคียงของกระจกระนาบเรียบมีเส้นแนวฉากขนานกัน รังสีตกกระทบทิศเดียวจึงสะท้อนทิศเดียวกัน ผิวขรุขระมีบริเวณเล็ก ๆ เอียงต่างกัน เส้นแนวฉากและทิศสะท้อนจึงต่างกัน แต่ละบริเวณยังเป็นไปตาม β = α การสะท้อนแบบกระจายไม่ได้แปลว่าละเมิดกฎอย่างสุ่ม

เห็นกระดาษขาวได้จากหลายตำแหน่งเพราะแสงสะท้อนกระจายหลายทิศ กระจกก็ส่งแสงเข้าตาได้ แต่ทิศทางยังสัมพันธ์กับแต่ละจุดของวัตถุจนเกิดภาพคม ลองทำผิวกระจกให้ขรุขระ แสงไม่หาย แต่ความสัมพันธ์เป็นระเบียบของทิศทางเสียไปและภาพพร่า การรักษาความสัมพันธ์นี้ทำให้การสะท้อนที่สร้างภาพต่างจากการส่องให้ผิวสว่างเฉย ๆ

เลือกจุดบนวัตถุและรังสีสองเส้นที่สะท้อนแล้วเข้าตา ทิศที่ได้รับทำให้ดูเหมือนแสงเดินทางตรงมาจากจุดหลังกระจก เมื่อต่อรังสีสะท้อนย้อนกลับ ส่วนต่อจะตัดกันที่นั่น นี่คือภาพเสมือนของจุดเดิม แสงเข้าตาจริงและมองเห็นภาพได้ แต่รังสีเหล่านี้ไม่ได้ตัดกันจริงหลังกระจก

มุมเท่ากันนำไปสู่สมมาตร จุดภาพแต่ละจุดอยู่หลังกระจกระนาบด้วยระยะตั้งฉากเท่ากับจุดวัตถุด้านหน้า ภาพจึงหัวตั้งและขนาดเท่ากัน หากเลื่อนวัตถุห่างกระจกอีกหนึ่งเมตร ภาพจะห่างหลังกระจกเพิ่มหนึ่งเมตร ระยะระหว่างกันเพิ่มสองเมตร อย่าสับสนขนาดของภาพกับขนาดที่เห็นจากตำแหน่งมองที่เลือก

วางฉากตรงที่ภาพดูเหมือนอยู่ยังไม่พอ เพราะรังสีสะท้อนจริงไม่ได้ถึงที่นั่น จึงรับภาพเสมือนบนฉากตรงตำแหน่งนั้นไม่ได้ ในภาพวาดใช้เส้นทึบพร้อมลูกศรแทนเส้นทางจริง และเส้นประแทนส่วนต่อย้อนกลับ ความต่างนี้ตรวจความหมายทางฟิสิกส์ของการสร้างภาพ ภาพที่ตามองเห็นไม่จำเป็นต้องเกิดจากแสงรวมกัน ณ ตำแหน่งที่ดูเหมือนอยู่

รังสีตกกระทบทำมุม 30° กับผิวกระจก จงหามุมตกกระทบและมุมสะท้อน

มุม 30° ที่ให้วัดจากผิว เส้นแนวฉากตั้งฉากกับผิว จึงได้มุมตกกระทบ α = 90° − 30° = 60°

ตามกฎการสะท้อน β = α = 60° มุมที่สองก็วัดจากเส้นแนวฉาก ใช้เส้นอ้างอิงเดิม

ตรวจสมมาตร รังสีสะท้อนก็ทำมุม 30° กับผิว ดังนั้นคำตอบ 60° สอดคล้องกับทั้งมุมที่ให้และกฎ

มุมตกกระทบ 60° มุมสะท้อน 60° ทั้งคู่วัดจากเส้นแนวฉากของกระจก

กฎ β = α ใช้กับมุมจากเส้นแนวฉาก และใช้ได้กับแต่ละบริเวณของผิวขรุขระด้วย

กระจกระนาบรักษาความสัมพันธ์ของทิศรังสี ให้ภาพสมมาตรกับวัตถุเทียบกับระนาบกระจก

รังสีที่มาถึงทำให้เห็นภาพเสมือน แต่ที่ตำแหน่งภาพมีเพียงส่วนต่อที่ตัดกัน ฉากตรงนั้นจึงรับภาพไม่ได้

แสงอาจเปลี่ยนทิศเมื่อเข้าสู่ตัวกลางโปร่งใสอีกชนิด จึงทำให้เลนส์สร้างภาพได้