Reflexión
La reflexión es el rebote de una onda, como la luz o el sonido, en una superficie; el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Definition
La reflexión es cuando la luz o el sonido rebotan en una superficie: un espejo refleja la luz para que una persona pueda ver su reflejo, y la pared de un cañón refleja el sonido como un eco, y de hecho casi todo se ve por reflexión, ya que la Luna, un libro y el rostro de un amigo no producen luz sino que la rebotan del Sol o una lámpara hacia el ojo. La ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, ambos medidos desde la normal; las superficies lisas producen reflexión especular, tipo espejo, mientras que las superficies rugosas dispersan la luz difusamente, y el sonido se refleja de la misma manera para producir ecos. Esta ley, $\theta_i = \theta_r$ con el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal coplanares, se deriva del principio de tiempo mínimo de Fermat y las condiciones de frontera de las ecuaciones de Maxwell; la fracción de luz reflejada en incidencia normal entre medios de índices $n_1$ y $n_2$ es $R = ((n_1 - n_2)/(n_1 + n_2))^2$, cerca del $4\%$ para aire-vidrio, la reflexión interna total ocurre más allá de un ángulo crítico $\theta_c = \sin^{-1}(n_2/n_1)$, y los espejos curvos obedecen $1/f = 1/d_o + 1/d_i$ con $f = R/2$.
Example
Apunta una linterna a un espejo y el haz rebota con la misma inclinación con la que llegó, así que inclinar el espejo lo apunta hacia un punto elegido; un rayo de luz que golpea un espejo a $35^\circ$ de la normal se refleja a $35^\circ$ del otro lado, para un ángulo total de $70^\circ$ entre los rayos entrante y saliente, y un grito que hace eco de vuelta en $1.2\ \text{s}$ vino de un acantilado a $343 \times 1.2 / 2 \approx 206\ \text{m}$ de distancia. Para vidrio ($n = 1.50$) a aire, $\theta_c = \sin^{-1}(1/1.50) \approx 41.8^\circ$, así que la luz que golpea la pared del núcleo de una fibra óptica a $80^\circ$ se refleja por completo, permitiendo que las fibras transporten señales por kilómetros con poca pérdida, y un espejo cóncavo con $R = 40\ \text{cm}$ ($f = 20\ \text{cm}$) y un objeto a $30\ \text{cm}$ forma una imagen real e invertida a $d_i = 60\ \text{cm}$ a partir de $1/d_i = 1/20 - 1/30$.
Key Insight
Una página se ve blanca y un espejo se ve como lo que sea que tenga en frente, y sin embargo ambos reflejan la mayor parte de la luz que les llega: la página la dispersa en todas direcciones mientras que el espejo envía cada rayo en una dirección. La reflexión en un medio más denso invierte la fase de una onda $180^\circ$ mientras que la reflexión desde un medio menos denso no lo hace, y esa inversión de fase es la razón por la que una película de jabón muestra franjas de colores y por la que los recubrimientos antirreflejantes tienen exactamente un cuarto de longitud de onda de grosor.