Reflexia și Refracția Luminii: Când Lumina Întâlnește o Frontieră – Materie BAC

Bun, hai să vorbim despre ce se întâmplă când lumina, acel mesager universal, lovește suprafața apei sau a unei oglinzi. Reflexia și refracția luminii. Nu sunt doar fenomene frumoase de văzut, sunt legile de frontieră ale opticii geometrice, care ne spun cum se comportă razele de lumină când trec dintr-un mediu în altul. Sunt reguli atât de precise încât, dacă le înțelegi, poți explica de ce un băț pare îndoit în apă, cum funcționează o lentilă sau de ce cerul este albastru la amiază și roșu la apus.

---

1. Două Destine la o Suprafață: Răspândirea vs. Străpungerea

Când un fascicul de lumină ajunge la suprafața de separație dintre două medii transparente diferite (ex: aer-sticlă, aer-apă), are două opțiuni:

• Reflexia: O parte (sau toată) din lumină se întoarce în mediul din care a venit. Este ca o minge care lovește un perete.
• Refracția: O parte (sau toată) din lumină pătrunde în cel de-al doilea mediu, își schimbând direcția. Este ca o mașină care intră din asfalt în noroi și-ți trage volanul într-o parte.

Proporția de lumină care se reflectă față de cea care se refractă depinde de unghi și de materiale. Să le studiem pe rând.

2. Reflexia Luminii – Legea Oglinzilor

A) Legea Reflexiei (cea mai simplă lege din optică!):

1. Raza incidentă, normala și raza reflectată sunt în același plan.
2. Unghiul de incidență (i) este egal cu unghiul de reflexie (r).

i = r

Ce sunt toți acești oameni?

• Raza incidentă: Fasciculul de lumină care vine spre suprafață.
• Normala: O linie imaginară perpendiculară pe suprafață, în punctul de incidență.
• Raza reflectată: Fasciculul de lumină care pleacă de la suprafață.
• Unghiul de incidență (i): Unghiul dintre raza incidentă și normală.
• Unghiul de reflexie (r): Unghiul dintre raza reflectată și normală.

Exemplu perfect: Oglinda din baie. Îndrepți o lanternă spre oglindă la un unghi de 30° față de normală. Lumina se va reflecta la 30° pe cealaltă parte a normalei. De asta vezi reflexia ta exact opusă.

B) Tipuri de reflexie:

• Reflexie regulată (speculară): Pe o suprafață perfect netedă (oglindă, apă calmă). Toate razele paralele se reflectă paralel. Vezi o imagine clară.
• Reflexie difuză (difuză): Pe o suprafață rugoasă (hârtie, perete). Razele paralele se reflectă în toate direcțiile. Vezi suprafața iluminată, dar nu vezi o imagine a sursei. De asta poți citi această lecție de pe orice parte a paginii!

3. Refracția Luminii – Legea Îndoirii

Când lumina trece într-un alt mediu, își schimbă viteza. Această schimbare de viteză provoacă schimbarea direcției.

A) Legea Refracției (Legea lui Snell-Descartes):

1. Raza incidentă, normala și raza refractată sunt în același plan.
2. Raportul dintre sinusul unghiului de incidență (i) și sinusul unghiului de refracție (r) este constant pentru cele două medii date.

Formula Sacră a Refracției:

n₁ * sin(i) = n₂ * sin(r)

Ce este n? Este indicele de refracție absolut al mediului. El măsoară cât de mult încetinește lumina în acel mediu față de vid.

• n = c / v, unde c este viteza luminii în vid, iar v este viteza ei în mediu.
• n_vid = 1. n_aer ≈ 1. n_apă ≈ 1.33. n_sticlă ≈ 1.5 - 1.8.

Cum interpretezi legea?

• Dacă lumina trece dintr-un mediu mai puțin dens optic (n mic, ex: aer) într-unul mai dens optic (n mare, ex: apă), ea se apropie de normală (r < i). Se frânge către normală.
• Dacă trece din dens în puțin dens (ex: din apă în aer), ea se depărtează de normală (r > i). Se frânge departe de normală.

Exemplu clasic: Bățul îndoit în apă. Razele de lumină de la vârful bățului, trecând din apă (mediu dens) în aer (mediu rar), se depărtează de normală. Creierul tău prelungește aceste raze în linie dreaptă înapoi în apă, unde ele par să vină dintr-un punct mai sus decât cel real. De aceea bățul pare îndoit la suprafață apei.

4. Fenomene Spectaculoase și Limită: Reflexia Totală

A) De ce privirea pătrunzătoare e o iluzie?
Când ești sub apă și privești în sus, vezi tot cerul comprimat într-un cerc luminos de deasupra ta. De ce? Pentru că razele care vin din aer la unghiuri mari (față de verticală) se refractă puternic când intră în apă. Numai razele dintr-un con limitat ajung la ochii tăi. Restul se reflectă. Aceasta se numește fenomenul discului lui Snell.

B) Reflexia Totală Internă – Super-Puterea Fibrelor Optice
Acesta este cel mai important fenomen derivat din refracție. Are loc când lumina încearcă să treacă dintr-un mediu dense optic (n₁ mare) într-unul mai puțin dens (n₂ mic), iar unghiul de incidență (i) depășește o anumită valoare critică (i_L).

• Unghiul limită (i_L): Este unghiul de incidență pentru care unghiul de refracție (r) devine 90°. Se calculează din legea refracției punând sin(r) = sin(90°) = 1:
  sin(i_L) = n₂ / n₁ (cu n₁ > n₂).
• Ce se întâmplă dacă i > i_L? Legea lui Snell nu mai poate fi satisfăcută (pentru că sin(r) ar trebui să fie >1, ceea ce e imposibil). Nu mai există rază refractată. Toată lumina se reflectă în întregime în primul mediu. Nu există pierderi!

Aplicații REVOLUȚIONARE:

1. Fibrele optice: Un fir de sticlă foarte subțire (n_miez mare) înconjurat de un înveliș cu n mai mic. Lumina intră la un capăt și, suferind reflexie totală internă de mii de ori pe pereții interiori, curge prin fir fără să iasă, transportând informații (internet, TV) cu viteza luminii.
2. Prisme cu reflexie totală în binocluri și aparate foto.
3. Mirajul inferior pe asfaltul fierbinte: Stratul de aer de deasupra asfaltului este mai fierbinte și mai puțin dens (n mai mic) decât stratul de deasupra. Razele de la cer care vin oblíc se lovesc de acest strat și suferă reflexie totală, ajungând la ochiul tău. Vezi o „baltă” de apă reflectând cerul, care e de fapt o iluzie.

---

În concluzie:

Reflexia și refracția sunt cele două opțiuni fundamentale ale luminii la orice frontieră dintre medii. Ele guvernează totul, de la cum vezi reflexia ta în ochi, la cum funcționează internetul global prin fibre de sticlă.

Înțelegerea lor se bazează pe două legi simple:

1. Pentru reflexie: i = r (Unghi egal).
2. Pentru refracție: n₁ * sin(i) = n₂ * sin(r) (Legea lui Snell).

Data viitoare când te vei privi în oglindă, când vei turna apă într-un pahar și vei observa că pare mai plin decât e, sau când vei folosi internetul de mare viteză, să știi că toate acestea sunt posibile datorită unor reguli precise pe care le respectă fiecare rază de lumină la întâlnirea cu o graniță.