Voir votre reflet dans le miroir est quelque chose de si commun que vous pourriez le tenir pour acquis, mais il y a beaucoup de choses à considérer juste se cacher sous le surface.

La surface plane du miroir dans votre salle de bain peut donner un reflet parfait, mais comment les miroirs incurvés de fun-house produisent-ils des distorsions aussi bizarres, vous faisant paraître ultra-grand ou court et trapu? Comment chaque rayon lumineux peut-il rebondir sur la surface de manière parfaite pour créer une image claire? Pourquoi ne pouvez-vous pas voir une réflexion claire d'une surface rugueuse?

Ces questions pourraient être le genre de chose que vous imaginez un enfant trop zélé pourrait demander, mais la physique de la réflexion, et en particulier la loi de réflexion, explique de nombreux phénomènes et est un tremplin important pour comprendre des concepts plus complexes comme la réfraction et la loi de Snell.
Réflexion de la lumière

Lorsqu'une onde lumineuse frappe une surface, tout ou partie de celle-ci se retourner brusquement et se refléter loin de la surface. Pour une surface lisse comme un miroir plan, la quasi-totalité de la lumière qui la frappe est réfléchie et l'image résultante est une réflexion propre et «spéculaire». C'est la forme de réflexion que vous connaissez le mieux et sans aucun doute ce à quoi vous penserez lorsque vous imaginez une réflexion.

Cependant, la réflexion spéculaire n'est pas le seul type: il y a aussi des réflexions diffuses de la lumière. Lorsque des rayons lumineux parallèles finissent par toucher une surface rugueuse, les rayons lumineux individuels frappent des points légèrement différents et sont réfléchis dans des directions différentes en raison de l'irrégularité de la surface rugueuse. C'est ce qu'on appelle une réflexion diffuse car même si toute la lumière est toujours réfléchie, les ondes lumineuses sont dispersées tout autour et ne forment pas une seule image nette.

Dans certains cas, par exemple à la surface d'une fenêtre, vous remarquerez un reflet de feinte beaucoup moins clairement défini que vous ne le verriez dans un miroir. En effet, à une telle interface, il y a une réflexion traditionnelle, mais aussi une chance substantielle que la lumière soit transmise à travers la fenêtre.

Vous avez besoin de la loi de Snell pour décrire complètement ce qui arrive à la lumière transmise à travers la fenêtre (qui est réfractée
), mais la loi de la réflexion explique toujours ce qui arrive à la lumière réfléchie même dans cette situation plus compliquée.
Définitions importantes

Avant de continuer pour discuter la loi de la réflexion, c'est une bonne idée d'apprendre la terminologie utilisée pour décrire des situations comme celle-ci.

Tout d'abord, la lumière sur le chemin du miroir ou de la surface est appelée rayon lumineux incident ou simplement incident la lumière, et cette lumière après la réflexion est appelée le rayon de lumière réfléchie.

L'angle d'incidence du rayon de lumière incident est l'angle qu'il fait avec la "ligne normale" pour la surface au point d'incidence. "Normal" dans ce contexte signifie la ligne qui s'étend perpendiculairement à partir de la surface à ce point, donc un rayon lumineux frappant un miroir de face aura un angle d'incidence de 0 degré, tandis qu'un rayon parfaitement incident en diagonale aura un 45 degré d'incidence.

L'angle de réflexion est très similaire à l'angle d'incidence, mais comme vous pouvez vous y attendre, décrit l'angle que le rayon de lumière réfléchie fait avec la ligne normale à la surface au point d'incidence . C'est juste la contrepartie de l'angle d'incidence défini ci-dessus.

Il convient également de noter qu'un rayon lumineux est une manière légèrement idéalisée de décrire la lumière - vous pensez simplement à cela en termes de rayons parfaitement droits, alors que en réalité c'est une onde transversale et beaucoup plus compliquée à décrire. Cependant, pour comprendre la réflexion, vous n'avez pas besoin de ce niveau de détail - il est toujours bon de simplifier les choses quand vous le pouvez en physique!
Quelle est la loi de réflexion?

La loi de réflexion stipule que pour un rayon de lumière incident, l'angle d'incidence sera égal à l'angle de réflexion. En termes simples, si un rayon lumineux s'approche de la surface réfléchissante exactement perpendiculairement à la surface, il sera réfléchi directement le long de la même ligne, mais s'il n'est pas tout à fait perpendiculaire, il sera réfléchi de l'autre côté de la ligne perpendiculaire par une quantité égale.

Appelant l'angle de réflexion θ
_{r et l'angle d'incidence θ
i, la formule de la loi de réflexion est simplement:
θ_r \u003d θ_i}

Donc, si vous braquez un pointeur laser sur le miroir de votre salle de bain à un angle de 45 degrés par rapport à la ligne normale (donc exactement à mi-chemin entre être aligné avec la face du miroir et être perpendiculaire à il), alors il sera réfléchi à 45 degrés dans la direction opposée.

Pensez à un joueur de billard faisant rebondir une balle sur une section plate du coussin, ou à un joueur de tennis jugeant l'angle de la balle qui rebondira après avoir touché le sol. Ces deux situations ne sont pas parfaitement
égales en termes d'incidence et d'angle de rebond (car une partie de l'énergie est perdue dans les deux cas), mais en substance, la lumière se comporte de la même manière.
Exemples de la loi de réflexion

L'exemple le plus simple de la loi de réflexion est lorsque vous regardez dans un miroir plan. Imaginez que vous regardez vers le bas dans un miroir pleine longueur à vos pieds, et pensez à l'endroit où les rayons lumineux se déplacent réellement.

Les rayons lumineux viennent de vos pieds vers le miroir, sous un certain angle d'incidence . La loi de la réflexion nous dit que l'angle auquel il se reflète doit correspondre à l'angle où il s'est produit, il doit donc heurter le miroir à mi-chemin entre vos pieds et la hauteur de vos yeux, et vous pouvez le calculer exactement avec un peu de la trigonométrie.

Vous avez peut-être remarqué des problèmes de réflexion lorsque vous essayez de regarder la télévision, et ceci est un autre exemple de la loi de la réflexion dans la vie quotidienne. Le problème est que le téléviseur est une surface lisse et qu'il agit efficacement comme un miroir plan pour le soleil ou la lumière de la lampe qui ruine votre image.

Bien qu'il existe de nombreuses tentatives technologiques pour résoudre ce problème, vous pouvez tirer parti de la loi de réflexion et tournez simplement le téléviseur pour changer l'angle entre la ligne normale à l'écran et la lumière incidente, déplaçant ainsi la réflexion hors de votre ligne oculaire.

Les miroirs amusants sont un peu plus compliqués , mais vous pouvez comprendre ce qui se passe si vous pensez à la forme
de la surface du miroir. Réfléchissez à la façon dont la loi de la réflexion s'appliquerait à un miroir légèrement incurvé, de sorte que le haut et le bas dépassent et que le centre soit relativement plus en arrière. Comment votre image changerait-elle?
Exemple de problème de loi de réflexion

Il existe de nombreux exemples de problèmes que vous pouvez essayer avec une compréhension de base de ce que signifie la loi, mais l'un est particulièrement intéressant et devrait vous aider à saisit les concepts clés.

Imaginez deux miroirs à un angle de 90 degrés l'un par rapport à l'autre et se rencontrant sur un bord, comme s'ils formaient une demi-forme carrée. Si vous faites briller un rayon de lumière sur ces deux miroirs, il se reflétera sur le premier, puis le second, puis se reflétera loin des miroirs. Cependant, l'angle auquel il se réfléchit finalement est parallèle à l'angle d'incidence.

Pouvez-vous le prouver? Imaginez que la lumière est incidente à 30 ° sur le premier miroir, puis parcourez le chemin du rayon une étape à la fois et voyez ce que vous obtenez. Si vous le faites, que se passe-t-il si ce n'est pas spécifiquement 30 °, et que vous venez de dire que c'était incident à un angle φ
à la place - pouvez-vous prouver la même chose en général?