光的反射

李贊

光學(xué)是物理學(xué)中的重要內(nèi)容，也是生活中常見的科學(xué)現(xiàn)象?！读x務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中要求的學(xué)習(xí)內(nèi)容有“光在空氣中沿直線傳播；行進(jìn)中的光遇到物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，會(huì)改變光的傳播方向，會(huì)形成陰影”。對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用便利了我們的生活，光影的無窮變化更是形成了生活中的五彩斑斕，為我們?cè)鎏砹撕芏嗲槿ぁＲ虼斯鈱W(xué)類展品也是科技館中不可缺少的項(xiàng)目。

光在均勻的同種介質(zhì)中會(huì)沿著直線傳播，但當(dāng)它傳播到不同物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)分界面上會(huì)改變傳播方向又返回原來物質(zhì)中，這種現(xiàn)象被稱為反射。光遇到許多物體的表面都會(huì)發(fā)生反射，平行光線射到凹凸不平的表面上，反射光線射向各個(gè)方向，這種反射叫做漫反射，我們平時(shí)可以看到眼前的物體就是由于光的漫反射；平行光線射到水面、玻璃等光滑表面上時(shí)，反射光線也是平行的，這種反射叫做鏡面反射。

潛望鏡

平面鏡是生活中最常用的鏡面反射工具。光線經(jīng)過平面鏡反射后，光線的延長(zhǎng)線交點(diǎn)形成一個(gè)被稱為鏡像的虛像，這個(gè)鏡像的大小與物體的大小相等，鏡像和物體到平面鏡的距離相等，所以鏡像和物體相對(duì)鏡面來說是對(duì)稱的。

平面鏡的這種成像特點(diǎn)，使它經(jīng)常被用來當(dāng)作觀察工具，使我們看到不方便直接觀察的景象，比如牙科醫(yī)生用來檢查口腔的小鏡子。通過兩組鏡面的組合，還設(shè)計(jì)出了潛望鏡。潛望鏡是戰(zhàn)場(chǎng)上常用的軍事裝備，可以從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面，用來窺探海面或地面上敵方的活動(dòng)，常用于潛水艇、坑道和坦克內(nèi)用以觀察敵情。

中國(guó)科技館2層“光影之炫”展區(qū)中有一件“潛望鏡”展品（圖3左），它由兩部分組成：一是高高豎起的潛望鏡，上面的平面鏡角度可由觀眾通過操作按鈕實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，潛望鏡主體能水平轉(zhuǎn)動(dòng)，觀眾可以利用它觀察到迷宮以外的景象；二是搭建潛望鏡，外觀類似一個(gè)裝置著大型棋盤的墻面，觀眾可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)10個(gè)可旋轉(zhuǎn)反射角度的反射鏡，將激光光源發(fā)出的光線沿著自己設(shè)計(jì)的路線反射到目標(biāo)模型上，觸發(fā)音響播放音效。

早在公元前2世紀(jì)，中國(guó)古代人民就發(fā)明了潛望鏡。漢代初年成書的《淮南萬畢術(shù)》記載道：“取大鏡高懸，置水盆于其下，則見四鄰矣。”就是說，墻頂高處懸掛一面鏡子，正下方放一盆水，這種簡(jiǎn)易的潛望鏡可以用來潛望四周的景象。中國(guó)科技館“華夏之光”展廳中根據(jù)這段話的描述復(fù)原了古代潛望鏡模型（圖3右）。這個(gè)裝置是世界上最早的潛望鏡，它雖然很簡(jiǎn)單，但意義卻非常深遠(yuǎn)，近代所使用的潛望鏡都是根據(jù)這個(gè)原理制造的，只是利用現(xiàn)代科技結(jié)合了望遠(yuǎn)鏡、夜視儀等功能，進(jìn)一步提升了觀察效果。

窺視無窮

中國(guó)流動(dòng)科技館中有件經(jīng)典展品“窺視無窮”，也生動(dòng)展示了光的反射特性。展臺(tái)上一個(gè)窗口中可以看到一個(gè)花朵模型，觀眾按下按鈕點(diǎn)亮燈光后，立刻出現(xiàn)了一系列燈光帶組成的深邃通道，一眼望不到盡頭，花朵模型亮起后也變成了長(zhǎng)長(zhǎng)的一列花朵；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤時(shí)，深邃的通道還會(huì)擺動(dòng)起來。

這個(gè)神奇的通道是怎樣出現(xiàn)的呢？原來這個(gè)燈箱的底部是一片普通平面鏡。窗口使用的玻璃叫做“半透半反玻璃”，它是在透明玻璃板上鍍上很薄的一層鉻制成的，這層金屬涂層可以使一部分光線透過而另一部分反射回去。2片玻璃之間的燈帶和花朵模型亮起來的時(shí)候，觀眾可以通過半透半反玻璃看到燈帶和花朵的實(shí)物，以及燈帶和花朵在背面平面鏡反射形成的第1個(gè)鏡像；當(dāng)這些光線經(jīng)過半透半反鏡時(shí)，一部分光線又會(huì)被反射回去，在背面的平面鏡后更遠(yuǎn)的位置形成第2個(gè)像，如此循環(huán)往復(fù)，形成無數(shù)個(gè)系列鏡像，無窮無盡，直到光線衰減，眼睛無法辨別。因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣确浅？?，我們不可能感受到這個(gè)反射的過程，而只能看到最終形成的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤時(shí)，底部的平面鏡會(huì)發(fā)生傾斜，這種輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)通過逐次反射而放大，造成每次反射形成的鏡像位置移動(dòng)，形成通道擺動(dòng)的錯(cuò)覺。

這種連續(xù)反射的現(xiàn)象古人早有記載，如唐代路德明在《經(jīng)典釋文》里注解《莊子·天下篇》時(shí)說：“鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒，則重影無窮?！币馑际牵阂幻骁R子的反射光線遇到另一面鏡子，就會(huì)再一次反射；兩鏡之間經(jīng)過幾次反復(fù)，鏡中不僅有實(shí)物的像，還有像的像，因而能看到許多的像。這段話證明了古人對(duì)反射規(guī)律的探索和認(rèn)識(shí)。

如果在半反半透鏡背后隱藏一個(gè)屏幕，就能幫我們實(shí)現(xiàn)童話中“魔鏡”的效果（圖5），現(xiàn)在已經(jīng)有這種產(chǎn)品面世。當(dāng)“魔鏡”背后的顯示器熄滅時(shí)，沒有光線透出，看起來就像傳統(tǒng)鏡子。當(dāng)顯示器亮起時(shí)，顯示的畫面就會(huì)通過鏡子表面透出來，仿佛鏡子變得智能。如果將這種鏡子放在衛(wèi)生間，每天早上洗漱的時(shí)候，就能一邊做好衛(wèi)生清潔，一邊了解智能助理報(bào)告的天氣資訊、路況報(bào)告、日程提醒等，是不是未來感十足呢？