Lab 121 — การสะท้อนบนผิวเรียบและผิวขรุขระ (3D)

วัตถุประสงค์

• แสดงว่าแสงที่ตกกระทบผิวขรุขระก็สะท้อนตามกฎการสะท้อน (มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน) ที่ทุกจุด
• อธิบายว่าทำไมผิวเรียบให้แสงสะท้อนไปทางเดียว แต่ผิวขรุขระทำให้แสงสะท้อนกระจายหลายทิศ
• เชื่อมโยงกับการมองเห็น: ผิวเรียบมองเห็นแสงสะท้อนได้เฉพาะบางตำแหน่ง ผิวขรุขระมองเห็นได้จากหลายตำแหน่ง

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

• ผิววัตถุ ยาว 28 cm กว้าง 8 cm ปรับความขรุขระได้ 0–100% (0% = ผิวเรียบเหมือนกระจกเงา · 100% = ผิวเอียงได้มากสุด ±40°) · ลายผิวคงที่ เปลี่ยนเฉพาะความลึกของลาย · 🎲 สุ่มลายใหม่ได้
• กล่องแสงเลเซอร์ ให้ลำแสงขนาน 5 / 9 / 15 / 25 เส้น กว้างรวม 4 cm ปรับมุมที่ยิง θ ได้ 0–75° (วัดจากแนวดิ่ง ซึ่งตั้งฉากกับผิวโดยรวม)
• แผ่นวัดมุม ครึ่งวงกลมตั้งอยู่ด้านหลังผิววัตถุ ศูนย์กลางอยู่ที่กลางผิว (0° = แนวดิ่ง)
• ตาผู้สังเกต เลื่อนได้ตามแนวโค้งรัศมี 17 cm ตั้งแต่ −85° ถึง 85° · วงสีเขียวหน้าตา = ช่องรับแสงของตา (รัศมี 0.8 cm ใหญ่กว่ารูม่านตาจริงเพื่อให้เห็นชัด)

ใช้ฉายหน้าห้อง 3–5 นาที

1. เริ่มที่ 🪞 ผิวเรียบ (ค่าเริ่มต้น) — แสงสะท้อนออกไปเป็นลำขนานทางเดียว ดูที่ตา: เห็นแสงเข้าตา · กด แสดงเส้นแนวฉาก เส้นแนวฉากทุกจุดขนานกัน
2. ลากตาออกจากแนวแสงสะท้อน (หรือกด ◀ −5°) — ไม่มีแสงเข้าตาเลย · แถบสีเขียวบนแนวโค้งแคบมาก
3. กด 🪨 ขรุขระ — แสงสะท้อนกระจายหลายทิศ แถบสีเขียวยาวขึ้น ลากตาไปหลายตำแหน่งก็ยังเห็นแสง
4. คลิกจุดตกกระทบสัก 2–3 จุด (หรือ ◀ ▶) — ทุกจุดมีมุมตกกระทบ = มุมสะท้อน แต่เส้นแนวฉากเอียงต่างกัน · กด 🔍 ซูมจุดที่เลือก ให้เห็นมุมชัด
5. กด 📐 ภาพตัดด้านข้าง เทียบกับรูปในหนังสือ · ลอง ⛰ ขรุขระมาก จะเห็นบางลำแสงสะท้อนซ้ำสองครั้งในร่องผิว

คำถามชวนคิด

1. ผิวขรุขระ "ไม่เป็นไปตามกฎการสะท้อน" จริงหรือไม่? ใช้ค่ามุมของจุดที่เลือกตอบ
2. ถ้าลำแสงตกกระทบขนานกัน ทำไมแสงสะท้อนจากผิวขรุขระจึงไม่ขนานกัน?
3. ทำไมเรามองเห็นกระดาษขาวได้จากทุกทิศ แต่มองกระจกเงาบางมุมแล้วแสบตา บางมุมไม่เห็นแสงไฟเลย?
4. ถนนเปียกน้ำตอนกลางคืนทำไมสะท้อนไฟหน้ารถแสบตากว่าถนนแห้ง?

1. กฎการสะท้อนของแสง

• รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉาก อยู่ในระนาบเดียวกัน
• มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน โดยวัดมุมจากเส้นแนวฉาก (เส้นที่ตั้งฉากกับผิว ณ จุดตกกระทบ)

2. ผิวเรียบ — แสงสะท้อนไปทางเดียว

ผิวเรียบ (เช่น กระจกเงา ผิวโลหะขัดมัน ผิวน้ำนิ่ง) มีเส้นแนวฉากทุกจุดขนานกัน ลำแสงขนานที่ตกกระทบจึงมีมุมตกกระทบเท่ากันทุกเส้น และสะท้อนออกไปเป็นลำแสงขนานในทิศเดียวกัน · ผู้สังเกตจะเห็นแสงสะท้อนก็ต่อเมื่อตาอยู่ในแนวลำแสงสะท้อนนั้นเท่านั้น

3. ผิวขรุขระ — แสงสะท้อนกระจาย

ผิวขรุขระ (เช่น กระดาษ ผนังทาสี ผ้า) มีส่วนเล็ก ๆ เอียงต่างกัน ที่แต่ละจุดแสงยังสะท้อนตามกฎการสะท้อน แต่เส้นแนวฉากของแต่ละจุดไม่ขนานกัน ลำแสงขนานที่ตกกระทบจึงมีมุมตกกระทบต่างกัน และสะท้อนออกไปหลายทิศ ผู้สังเกตจึงมองเห็นแสงสะท้อนได้จากหลายตำแหน่ง — เป็นเหตุผลที่เรามองเห็นวัตถุส่วนใหญ่รอบตัวได้จากทุกทิศ

ดังนั้นถ้าผิวเอียงไป α รังสีสะท้อนจะเบนไป 2α — ผิวที่เอียงได้ ±α_max ทำให้แสงสะท้อนกระจายได้กว้างราว 4α_max (ร่องลึกมากอาจทำให้แสงสะท้อนซ้ำสองครั้ง)