Reflektionslagen
Kasta en tennisboll snett mot en golvplatta och den studsar iväg i en vinkel som liknar den den kom in med. Ljus beter sig på samma sätt mot en spegel: vinkeln ljuset träffar ytan i är lika stor som vinkeln det lämnar ytan i. Den regeln kallas reflektionslagen, och den gäller för allt ljus som reflekteras, inte bara i speglar.
Vinklarna mäts dock inte mot ytan själv, utan mot normalen – en tänkt linje som står rakt vinkelrätt ut från ytan, just vid den punkt där ljuset träffar. Vinkeln mellan den infallande strålen och normalen heter infallsvinkel, och vinkeln mellan den reflekterade strålen och normalen heter reflektionsvinkel. Reflektionslagen skrivs θᵢ = θᵣ: träffar ljuset ytan i 40 grader från normalen, lämnar det ytan i exakt 40 grader från normalen på andra sidan. Mäter du i stället från ytan får du fel vinkel, eftersom den då är 90 grader minus den rätta.
Lagen gäller lika mycket för en spegel som för en vägg eller ett tygstycke, men resultatet ser helt olika ut. En spegel eller en lugn vattenyta är glatt ner på mikronivå, så ljusstrålar som kommer in parallellt lämnar ytan parallellt igen – det kallas regelbunden reflektion och ger en skarp spegelbild. En vägg, ett papper eller ett tyg är i stället fullt av mikroskopiska ojämnheter som pekar åt alla möjliga håll. Varje enskild liten yta följer reflektionslagen precis lika strikt, men eftersom normalerna pekar åt olika håll sprids det reflekterade ljuset åt alla håll samtidigt – det kallas diffus reflektion. Det är just den spridningen som gör att en matt yta syns ungefär lika starkt oavsett varifrån du betraktar den, medan en spegel skickar ljuset från en lampa åt ett enda håll, så att du ser lampans spegelbild bara när du står på rätt ställe.
Samma lag styr reflektion av alla typer av vågor, inte bara ljus, och den används praktiskt varje gång något ska styras i en bestämd riktning: en ljusdesigner som riktar en strålkastare mot en reflekterande panel, eller en ingenjör som placerar en sensor så att den fångar upp just den reflekterade strålen den behöver, räknar med θᵢ = θᵣ i stället för att gissa sig fram.
Formel
θᵢ = θᵣ
Infallsvinkeln θᵢ och reflektionsvinkeln θᵣ, båda mätta i grader mot normalen, är alltid exakt lika stora vid reflektion mot en yta.
Det här lär du dig
- Formulera reflektionslagen och förklara att vinklarna mäts mot normalen
- Beräkna reflektionsvinkeln när infallsvinkeln är given
- Skilja mellan regelbunden och diffus reflektion
- Förklara varför matta ytor inte ger en spegelbild trots att de följer reflektionslagen
Begrepp att kunna
- Infallsvinkel
- Vinkeln mellan den infallande ljusstrålen och normalen, det vill säga den linje som står vinkelrätt mot ytan vid träffpunkten.
- Reflektionsvinkel
- Vinkeln mellan den reflekterade ljusstrålen och normalen. Enligt reflektionslagen är den alltid exakt lika stor som infallsvinkeln.
- Normal
- En tänkt linje vinkelrätt mot en yta, dragen just vid den punkt där ljuset träffar. Alla vinklar i reflektionslagen mäts från denna linje, aldrig från ytan själv.
- Regelbunden reflektion
- Reflektion från en yta som är glatt ner på mikronivå, där parallella infallande strålar lämnar ytan parallella igen och skapar en skarp spegelbild.
- Diffus reflektion
- Reflektion från en yta full av mikroskopiska ojämnheter, där ljuset sprids åt många olika håll trots att varje liten del följer reflektionslagen.
Vanliga svårigheter
Mäter infallsvinkeln från fel referenslinje
Det är lätt att mäta mot själva spegelytan eftersom den är det man ser tydligast. Men reflektionslagen gäller vinklar mätta mot normalen, den tänkta linjen vinkelrätt mot ytan. En stråle som ligger 20 grader från ytan ligger i stället 70 grader från normalen, så den som blandar ihop de två referenslinjerna får 90 grader minus den rätta vinkeln.
Tror att matta ytor inte följer reflektionslagen
Eftersom en matt vägg inte ger någon spegelbild verkar det som att den bryter mot regeln. I verkligheten följer varje enskild mikroskopisk del av ytan reflektionslagen precis lika strikt som en spegel gör. Skillnaden är att de små delarnas normaler pekar åt olika håll, så det samlade ljuset sprids åt alla håll i stället för att hålla ihop i en bild.
Tror att regelbunden reflektion bara sker i speglar
Regelbunden reflektion handlar om hur glatt en yta är, inte om vad ytan är gjord av. En stilla sjö, en polerad metallplåt och en nyvaxad bilmotorhuv kan alla ge en skarp, regelbunden reflektion, precis som en spegel, så fort ytan är tillräckligt jämn jämfört med ljusets våglängd.
I verkligheten
Gatlampor syns som långa, blänkande streck på en våt väg nattetid men knappt alls på en torr väg
Vattnet fyller ut vägens ojämnheter och gör ytan nästan glatt, så ljuset från lampan reflekteras till stor del regelbundet mot förarens öga. På torr asfalt är ytan ojämn och reflektionen diffus, så ljuset sprids åt alla håll och vägen ser bara matt upplyst ut.
En fotograf håller en blank, silverfärgad reflektorskiva snett mot solen för att lysa upp skuggsidan av en modells ansikte
Genom att vinkla skivan rätt kan fotografen förutse var det reflekterade solljuset hamnar, eftersom reflektionsvinkeln alltid blir lika stor som infallsvinkeln. En liten ändring av skivans lutning flyttar ljusfläcken på ansiktet i en förutsägbar riktning. En vit, matt skiva sprider i stället ljuset diffust och ger ett mjukare ljus utan tydlig fläck.
Tips
- Fäst en liten bit tråd eller sugrör vinkelrätt mot spegelns yta vid träffpunkten innan du mäter – det gör normalen synlig på riktigt i stället för att du bara föreställer dig den.
- Testa hemma med en laserpekare, en liten spegelbit och en gradskiva: rikta lasern i en fast vinkel mot spegeln, markera var den reflekterade punkten hamnar på en vägg, och räkna ut om vinklarna verkligen stämmer. Se till att strålen aldrig träffar någons ögon, inte heller via spegeln.
- Jämför ett blankt bordsknivsblad med en bit tyg i samma ljus: vinkla båda mot en lampa och lägg märke till att bladet ger en skarp ljuspunkt från en bestämd vinkel, medan tyget lyser svagt upp oavsett varifrån du tittar.
Testa dig själv
1. En ljusstråle träffar en plan spegel med infallsvinkeln 55° mätt mot normalen. Vilken blir reflektionsvinkeln?
Reflektionsvinkeln blir också 55°. Reflektionslagen säger att infallsvinkel och reflektionsvinkel alltid är exakt lika stora, så länge båda mäts mot normalen och inte mot spegelns yta.
2. Varför ger en matt vägg ingen tydlig spegelbild, trots att den lyder reflektionslagen precis som en spegel gör?
Väggens yta är full av mikroskopiska ojämnheter vars normaler pekar åt olika håll. Varje liten del reflekterar ljuset exakt enligt reflektionslagen, men eftersom normalerna skiljer sig åt sprids de reflekterade strålarna åt alla håll i stället för att hålla ihop till en bild. Resultatet blir diffus reflektion, inte regelbunden.
3. Vad händer om en ljusstråle träffar en spegel rakt framifrån, så att infallsvinkeln är 0 grader mot normalen?
Reflektionsvinkeln blir också 0 grader, eftersom infallsvinkel och reflektionsvinkel alltid är lika. Strålen reflekteras då rakt tillbaka längs exakt samma väg den kom, utan att böja av åt något håll.
Ur kursplanen
- Fysik åk 4–6 · Fysiken i naturen och samhället
Hur ljus och ljud breder ut sig och kan reflekteras.
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Hur ljus breder ut sig, reflekteras och bryts.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: