解讀光的反射定律

一、理解與領(lǐng)悟

光射到兩種介質(zhì)分界面上時(shí)，有一部分改變傳播方向又返回原來(lái)介質(zhì)中的現(xiàn)象叫做光的反射．由于反射面的光滑程度不同，光的反射分為鏡面反射和漫反射．然而，無(wú)論是鏡面反射還是漫反射，都遵守著共同的規(guī)律，即：入射光線(xiàn)、反射光線(xiàn)與法線(xiàn)（即過(guò)入射點(diǎn)且垂直于反射面的直線(xiàn)）在同一平面內(nèi)，反射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)分居在法線(xiàn)的兩側(cè)，反射角等于入射角（其中反射角是指反射光線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角，入射角是指入射光線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角），這就是光的反射定律．對(duì)于光的反射現(xiàn)象中的特殊情況——垂直入射，此時(shí)也有反射角等于入射角（都為0°），反射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)與法線(xiàn)重合，即“三線(xiàn)合一”．

光的反射定律中的三句話(huà)，完整地描述了光反射時(shí)所遵守的規(guī)律，缺一不可．從反射現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程來(lái)看，入射是因，反射是果，所以在語(yǔ)言描述上也要遵從這種因果關(guān)系，不能把“反射角等于入射角”說(shuō)成“入射角等于反射角”．由這兩個(gè)角度的等量關(guān)系可知：①在光的反射現(xiàn)象中，一條入射光線(xiàn)只有一條反射光線(xiàn)與之對(duì)應(yīng)；②在光的反射現(xiàn)象中，如果光沿原來(lái)的反射光線(xiàn)的路徑逆方向入射到界面上，這時(shí)的反射光線(xiàn)一定沿原來(lái)的入射光線(xiàn)的路徑反方向射出，即光路是可逆的．

光的反射定律是各類(lèi)考試考查的重點(diǎn)內(nèi)容，從命題形式來(lái)看，選擇題、作圖題、填空題仍然是主要的三種題型，作圖題將更加重視與社會(huì)、生活的聯(lián)系和應(yīng)用．這就要求同學(xué)們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)中要多觀察，勤思考，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題．

二、應(yīng)用與實(shí)踐

例1關(guān)于光的反射，下列說(shuō)法正確的是（）.

A．當(dāng)入射光線(xiàn)與反射面的夾角為20°時(shí)，反射角也為20°

B．入射光線(xiàn)靠近法線(xiàn)時(shí)，反射光線(xiàn)也靠近法線(xiàn)

C．入射角增大5°時(shí)，反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)的夾角也增大5°

D．鏡面反射遵守光的反射定律，漫反射不遵守光的反射定律

解析由光的反射規(guī)律可知，反射角等于入射角．當(dāng)入射光線(xiàn)與反射面的夾角為20°時(shí)，入射角為70°，所以A選項(xiàng)錯(cuò)；由反射規(guī)律可知反射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)是關(guān)于法線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的，當(dāng)入射光線(xiàn)靠近法線(xiàn)時(shí)，反射光線(xiàn)也靠近法線(xiàn)，所以B選項(xiàng)正確；當(dāng)入射角增大5°時(shí)，反射角也增大5°，也就是說(shuō)反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)的夾角增大10°，所以C選項(xiàng)錯(cuò)；鏡面反射和漫反射都遵守光的反射規(guī)律，所以D選項(xiàng)錯(cuò)．

答 本題應(yīng)選B．

例2 為了研究光的反射規(guī)律，小亮進(jìn)行了下面的實(shí)驗(yàn)：

照?qǐng)D１甲那樣，把一平面鏡M平放在平板上，把一個(gè)畫(huà)有角度的白色硬紙板豎立在鏡面上.硬紙板是由E、F兩塊粘接而成，可繞接縫ON轉(zhuǎn)動(dòng)，ON垂直于鏡面．

(1) 使E、F成為同一平面，讓入射光線(xiàn)沿紙板上某一角度線(xiàn)射向鏡面上的O點(diǎn)，觀察反射光線(xiàn)方向，可知反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)______________________；

(2) 改變?nèi)肷涔饩€(xiàn)的方向，觀察反射光線(xiàn)方向的改變，可知反射角_____________入射角；

(3) 把紙板F前折或后折，可以知道反射光線(xiàn)、入射光線(xiàn)與法線(xiàn)________________；

(4) 讓光線(xiàn)逆著反射光線(xiàn)射向鏡面，經(jīng)M反射后，反射光線(xiàn)逆著原入射光線(xiàn)方向射出，表明反射時(shí)__________．

解析從圖1甲可以看出，光經(jīng)鏡面反射后改變傳播方向，反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)在法線(xiàn)ON的兩側(cè)，反射角等于入射角；將圖乙與圖甲進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)E、F在同一平面時(shí)，可以看到反射光線(xiàn)，而當(dāng)E、F不在同一平面時(shí)，看不到反射光線(xiàn)，則表明反射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)及法線(xiàn)在同一平面內(nèi)．當(dāng)光線(xiàn)逆著反射光線(xiàn)的路徑射向鏡面時(shí)，反射光線(xiàn)沿著原入射光線(xiàn)的路徑反方向射出，這表明反射現(xiàn)象中，光路是可逆的．

本題以實(shí)驗(yàn)的形式不僅考查了光的反射定律，還考查了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、概括的能力，體現(xiàn)了新課改中關(guān)注學(xué)習(xí)的“過(guò)程與方法”的理念．這就要求我們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中，不僅要關(guān)注知識(shí)，更要關(guān)注獲得知識(shí)的途徑與方法，因?yàn)檎莆找环N方法比獲得一個(gè)知識(shí)更為重要．

答 （１）位于法線(xiàn)的兩側(cè)；（２）等于；（３）在同一平面內(nèi)；（４）光路是可逆的．

例3 小宇同學(xué)家的閣樓上有一個(gè)小型物理實(shí)驗(yàn)室，如圖2所示，但他每次做光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)就感到很麻煩，因?yàn)樾枰艿接刑齑暗囊婚g.請(qǐng)你用平面鏡幫他將陽(yáng)光引到實(shí)驗(yàn)室并使陽(yáng)光垂直射到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)面上，要求在圖中畫(huà)出平面鏡及其中一條光線(xiàn)，用箭頭標(biāo)出光線(xiàn)的方向．

解析 本題是依據(jù)光的反射定律進(jìn)行作圖的實(shí)際應(yīng)用題．對(duì)光的反射定律應(yīng)理解這幾點(diǎn)：①法線(xiàn)始終與鏡面垂直；②反射角等于入射角，法線(xiàn)是入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn)間夾角的角平分線(xiàn)．作圖步驟：（1）首先確定光線(xiàn)的傳播路徑，為平行于實(shí)驗(yàn)臺(tái)面和垂直于實(shí)驗(yàn)臺(tái)面；（2）分別作出入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn)夾角的角平分線(xiàn)即為兩條法線(xiàn)；（3）過(guò)兩個(gè)入射點(diǎn)分別作法線(xiàn)的垂線(xiàn)即為平面鏡的位置．

答 本題答案如圖３所示．

例4 有一光電控制液面的儀器，是通過(guò)光束在液面上的反射光線(xiàn)打到光電屏（能將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行處理）上來(lái)顯示液面高度．如圖4所示的光電路中，當(dāng)光電屏上的光點(diǎn)由S1移到S2時(shí)，表示液面高度（）.

A．上升B． 下降

C．不變D．都有可能

解析先假設(shè)液面上升了，因入射光線(xiàn)方向未變，則反射光線(xiàn)方向也不應(yīng)該變化，上升后的反射光線(xiàn)應(yīng)該與原來(lái)的反射光線(xiàn)平行，但由于液面上升會(huì)導(dǎo)致入射點(diǎn)向左偏移，則反射光線(xiàn)在光電屏上的光點(diǎn)也會(huì)向左偏移，這顯然符合題目要求，說(shuō)明開(kāi)始的假設(shè)是正確的，即液面應(yīng)是上升的．這是光的反射規(guī)律在生活中的應(yīng)用問(wèn)題．解題時(shí)使用了“假設(shè)法”，“假設(shè)法”是學(xué)習(xí)物理時(shí)一個(gè)重要的解題方法．

答本題應(yīng)選A．

例5 1969年7月阿波羅11號(hào)宇宙飛船首次登月時(shí)，在月球上放置了一個(gè)角反射器，地面上發(fā)出的激光，只要射中它，反射光總能返回原處．用它測(cè)出月地之間的距離為353，911，215m，精度差小于10m．如圖5所示，“角反射器”是由兩塊連在一起的互相垂直的平面鏡L1、L2組成．從地面發(fā)出的激光沿AB方向入射到L1上，試在圖中作出激光經(jīng)L1、L2反射后的光線(xiàn)．

解析本題主要考查利用光的反射規(guī)律來(lái)作圖的能力以及應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力．作圖時(shí)應(yīng)注意光線(xiàn)發(fā)生了兩次反射，具體方法是：（1）過(guò)入射點(diǎn)B作垂直于鏡面的法線(xiàn)；（2）根據(jù)光的反射規(guī)律確定光線(xiàn)經(jīng)平面鏡L1反射的光路；（3）用同樣的方法作出入射到平面鏡L2上的光線(xiàn)經(jīng)平面鏡L2反射后的光路；（4）用數(shù)學(xué)知識(shí)證明，經(jīng)過(guò)兩次反射時(shí)入射角和反射角的總和為180°，因此反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)平行．

“角反射器”在生活實(shí)際中的應(yīng)用很普遍．自行車(chē)的尾燈就是由互成直角的一些小平面鏡組成的，無(wú)論外界光線(xiàn)從什么方向射向車(chē)后的尾燈，尾燈都可以將光線(xiàn)沿原來(lái)方向射回，表明自行車(chē)的存在，提醒后面的開(kāi)車(chē)人注意交通安全，減少交通事故．把角反射器組成的陣列裝在衛(wèi)星、導(dǎo)彈等上面，能使反射的激光原路返回，可以用來(lái)跟蹤衛(wèi)星、導(dǎo)彈的軌跡．

答 本題答案如圖6所示．

例6 錢(qián)包掉到沙發(fā)下，沒(méi)有手電筒，小明借助平面鏡反射燈光找到了錢(qián)包．圖7中已標(biāo)示了反射與入射光線(xiàn)，請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出平面鏡，并畫(huà)出法線(xiàn)．

解析根據(jù)光的反射定律知，反射角等于入射角，因此法線(xiàn)是反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)組成的夾角的角平分線(xiàn)，又因?yàn)榉ň€(xiàn)與鏡面垂直，所以本題的作圖分兩步走：（1）作出反射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)的夾角的角平分線(xiàn)，確定法線(xiàn)；（2）過(guò)入射點(diǎn)作法線(xiàn)的垂線(xiàn)確定鏡面的位置．

答 本題答案見(jiàn)圖8．

例7 把微小變化放大以利于觀察，這是物理學(xué)中一種重要的研究方法．圖9所示的是一種顯示微小形變的裝置．在桌子上放兩個(gè)平面鏡M和N，讓一束光線(xiàn)依次被這兩個(gè)平面鏡反射，最后射到刻度尺L上形成一個(gè)光點(diǎn).試在圖中畫(huà)出光束K行進(jìn)的光路圖并確定刻度尺上光點(diǎn)的位置P．若在兩鏡之間的桌面用力F下壓，M、N將向中間傾斜．由于MN之間的距離較大，光點(diǎn)會(huì)在刻度尺上從P點(diǎn)移動(dòng)到P′點(diǎn)，把桌面的形變顯示出來(lái)．則P′的位置比P．（填“高”或“低”）

解析在桌面發(fā)生形變后，要能根據(jù)鏡面的傾斜方向判斷入射角的變化情況，進(jìn)而確定反射角發(fā)生的相應(yīng)變化，試題難度較大．（1）根據(jù)光的反射定律作圖即可，注意要先作出法線(xiàn)；（2）當(dāng)桌面受到向下的壓力時(shí)，兩鏡M和N向中間傾斜，與兩鏡面垂直的法線(xiàn)隨著平面鏡一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致兩鏡的入射角都減小，反射角隨之減小，因此最后落在刻度尺上的光點(diǎn)P′應(yīng)在P點(diǎn)的下方．

答（1）如圖10所示；（2）低．