La riflessione

Di Micaela Bonito.

Il fenomeno della Riflessione nell'Ottica. Spiegazione degli specchi piani e quelli sferici.


Argomenti trattati: Riflessione - Specchi piani e specchi sferici

Riflessione

La natura ed il comportamento della luce ci consentono di interpretare alcuni fenomeni tramite i raggi luminosi, ognuno dei quali si può pensare come un segmento di retta che ha la direzione di propagazione del fronte d'onda.
Tale modello, noto come "ottica geometrica", fu introdotto da Keplero e costituisce una approssimazione della realtà ed è di estrema utilità nello studio dei fenomeni di riflessione e rifrazione, nonchè degli effetti prodotti dai vari tipi di specchi (piani, concavi e convessi) e dalle lenti.
Si consideri una sorgente luminosa che emette un raggio di luce; se esso viene proiettato su una superficie molto ben levigata, ritorna indietro come se fra il raggio e la superficie fosse avvenuto un urto elastico.
Il fenomeno descritto è la riflessione della luce ed è facilmente osservabile munendosi semplicemente di una lampadina e di uno specchio. Il raggio che parte dalla sorgente luminosa viene detto raggio incidente. Quello che esce dalla superficie riflettente si chiama raggio riflesso. L'angolo che forma il raggio riflesso con la normale alla superficie è l' angolo di riflessione.

La riflessione della luce verifica la seguente legge sperimentale, nota sotto il nome di Legge di Snellius-Cartesio:
i) Il raggio incidente, la normale alla superficie riflettente nel punto di incidenza ed il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano;
ii) L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione.

In altri termini si ha che: qi=qr

dove con qi si indica l’angolo formato, rispetto alla normale alla superficie del raggio incidente e con qr il corrispondente angolo che si viene a formare (misurato sempre rispetto alla normale alla superficie considerata).

(in figura è descritto il fenomeno della riflessione)

Se la luce viene proiettata su una superficie non levigata, assistiamo al fenomeno della diffusione. La superficie

scabra su cui si proietta il fascio luminoso può essere schematizzata microscopicamente con una spezzata composta da tanti segmentini ognuno piano.
I raggi, colpendo i segmentini, vengono riflessi secondo le leggi della riflessione, ma globalmente il fascio non viene deviato uniformemente ma diffuso in tante direzioni.

(immagine di esempio per esemplificare il fenomeno della diffusione)



Specchi piani e specchi sferici

Tutti noi siamo abituati a guardarci allo specchio. In questo paragrafo cercheremo di studiare le leggi di ottica geometrica che ne spiegano il comportamento.
Se poniamo un oggetto di fronte ad uno specchio, osserviamo facilmente che la sua immagine viene riprodotta in una regione di spazio che sembra trovarsi all'interno dello specchio.
Normalmente abbiamo la visione di un oggetto grazie ai raggi che partendo da esso giungono in linea retta fino ai nostri occhi. Nel caso dello specchio i raggi giungono a noi dopo aver subito una riflessione, però noi percepiamo l'immagine ugualmente come se i raggi avessero viaggiato in linea retta, cioè come se l'oggetto si trovasse dall'altra parte della superficie. Tale immagine viene detta Immagine virtuale dell'oggetto.

- Specchi sferici:
Una superficie riflettente a forma di calotta sferica sarà da noi chiamato specchio sferico.
Se la superficie riflettente è interna alla calotta, parleremo di specchio concavo; se è esterna, di specchio convesso. Analizzeremo dapprima il comportamento dei raggi luminosi nei confronti degli specchi concavi.

Le leggi che regolano la riflessione valgono ovviamente anche nel caso degli specchi sferici.
Però le normali ai diversi punti degli specchi sono disposte radialmente e non parallelamente come negli specchi piani.
Questo significa che raggi paralleli che colpiscono lo specchio in due punti diversi avranno un angolo di riflessione diverso. Ciò ha come conseguenza una deformazione delle immagini riflesse dallo specchio. Tale deformazione dipenderà dalla posizione relativa dell'oggetto rispetto allo specchio.

(in figura è rappresentato lo schema di funzionamento di uno specchio sferico)

Il centro della sfera cui la calotta riflettente appartiene viene chiamato centro di curvatura. L'asse di simmetria della calotta che passa per il centro di curvatura, si chiama asse ottico principale, mentre ogni altra retta per il centro di curvatura che incontra la superficie riflettente si chiama asse secondario.
L'angolo di apertura è invece l'angolo compreso fra due rette che passano per il centro di curvatura e sono tangenti al bordo della calotta.
Fissato un punto della superficie, la normale ad essa nel punto dato sarà la retta per il punto passante per il centro di curvatura; un raggio che parte dalla sorgente S posta ad esempio sull'asse ottico principale, sarà riflesso in modo che, rispetto alla normale relativa al punto, l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione.
Il raggio incidente viene riflesso in modo da intersecare l'asse principale nel punto S'. Si osserva sperimentalmente che se poniamo la sorgente luminosa in S' e consideriamo un raggio che colpisce lo specchio nel medesimo punto A, il raggio riflesso intersecherà in S l'asse principale; in altre parolesi può invertire il raggio incidente con il raggio riflesso lasciando inalterata la costruzione geometrica. Questo fenomeno costituisce il principio di reversibilità del cammino luminoso. I punti S ed S' che si individuano in questo modo costituiscono una coppia di punti coniugati.
In generale la distanza fra la superficie di uno specchio e il fuoco viene chiamata distanza focale.
Uno specchio sferico convesso ha una superficie riflettente curvata verso l’esterno, mentre uno specchio concava ne ha una riflettente cava.
Uno specchio convesso riflette i raggi che sono paralleli all’asse ottico in modo che essi divergano, come se fossero originati da un fuoco f situato dietro lo specchio. La distanza focale di uno specchio convesso si può dimostrare essere pari a:
f=-1/2 *R
Uno specchio concavo, invece, si ha:
f=1/2 *R
Riportiamo qui di seguito, senza dimostrarla, la principale relazione degli specchi sferici:
1/p-1/q=-2/f

- Specchi piani:
L’immagine formata da uno specchio piano ha le seguenti caratteristiche:
- l’immagine è dritta, ma la destra appare scambiata con la sinistra
- l’immagine appare dietro lo specchio , alla stessa distanza che ha l’oggetto davanti allo specchio
- l’immagine è della stessa grandezza dell’oggetto.
Nel caso di uno specchio piano il raggio di curvatura tente all’infinito e quindi di ha che f tende a zero.
La relazione diventa, in questo caso:
1/p-1/q=0