Ανάκλαση και διάθλαση των μηχανικών κυμάτων

Έχει παρατηρηθεί πειραματικά ότι όταν ένα μηχανικό κύμα συναντήσει ένα εμπόδιο ή αλλάξει μέσο μετάδοσης τότε το κύμα αλλάζει διεύθυνση διάδοσης. Για να παρατηρήσουμε την ανάκλαση και διάθλαση χρησιμοποιούμε τη συσκευή κυματισμού. Αυτή αποτελείται από μια ακίδα που αγγίζει ένα λεπτό στρώμα νερού και καθώς πάλλεται παράγει κύματα ορισμένης συχνότητας. Μια λάμπα τοποθετείται πάνω από τη συσκευή ώστε να παράγει σκιές στις θέσεις των σκιών των κυμάτων.

Ανάκλαση

Καθώς ένα κύμα συναντήσει ένα εμπόδιο (π.χ. ένα επίπεδο στερεό τοίχωμα) τότε αυτό ανακλάται δηλαδή αλλάζει η κατεύθυνση διάδοσης του. Συνεπώς κατά τη διάδοση ενός κύματος ορίζουμε ακτίνα διάδοσης ως την κατεύθυνση μετάδοσης του κύματος.

Στην ανάκλαση ενός κύματος από ένα επίπεδο εμπόδιο η γωνία που σχηματίζει η ακτίνα πρόσπτωσης με την κάθετο στο επίπεδο ανάκλασης λέγεται γωνία πρόσπτωσης ενώ η γωνία που σχηματίζει η ανακλώμενη ακτίνα με την κάθετη στο επίπεδο ανάκλασης λέγεται γωνία ανάκλασης. Με τη μέτρηση των γωνιών αυτών προκύπτει ο νόμος της ανάκλασης σύμφωνα με τον οποίο η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με την γωνία ανάκλασης.

Όταν ένα κύμα διέρχεται από ένα μέσο σε ένα άλλο τότε έχουμε διάθλαση του κύματος. Κατά τη διάθλαση του κύματος η συχνότητα του δεν αλλάζει, αλλά επειδή αλλάζει η ταχύτητα διάδοσης του   κύματος καθώς αλλάζει μέσο, θα αλλάξει το μήκος κύματος. Αυτό αποδεικνύεται από τον θεμελιώδης νόμο της κυματικής, που όταν αυξάνεται η ταχύτητα διάδοσης του κύματος  αυξάνει το μήκος κύματος, ενώ όταν μειώνεται η ταχύτητα διάδοσης του κύματος μειώνεται το μήκος κύματος.

Διάθλαση

Κατά το φαινόμενο της διάθλασης μεταβάλλεται η διεύθυνση διάδοσης του κύματος στη διαχωριστική επιφάνεια δυο διαφορετικών μέσων διάδοσης. Το φαινόμενο της διάθλασης οφείλεται στη μεταβολή της ταχύτητας διάδοσης του κύματος όταν αυτό αλλάζει μέσο διάδοσης. Η γωνία φ που σχηματίζει η διεύθυνση διάδοσης του προσπίπτοντος κύματος με την κάθετη στη διαχωριστική επιφάνεια των δυο μέσων λέγεται γωνία πρόσπτωσης. Η γωνία θ που σχηματίζει η διεύθυνση διάδοσης του διαθλώμενου κύματος με την κάθετη στη διαχωριστική επιφάνεια των δυο μέσων λέγεται γωνία διάθλασης. Αν κατά τη διάθλαση η ταχύτητα διάδοσης του κύματος μειώνεται τότε φ>θ. Αν κατά τη διάθλαση η ταχύτητα διάδοσης του κύματος αυξάνεται τότε θα ισχύει φ<θ.