光的反射

李贊

光學是物理學中的重要內(nèi)容，也是生活中常見的科學現(xiàn)象?！读x務教育小學科學課程標準》中要求的學習內(nèi)容有“光在空氣中沿直線傳播；行進中的光遇到物體時會發(fā)生反射，會改變光的傳播方向，會形成陰影”。對光的認識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，為我們增添了很多情趣。因此光學類展品也是科技館中不可缺少的項目。

光在均勻的同種介質(zhì)中會沿著直線傳播，但當它傳播到不同物質(zhì)時，在兩種物質(zhì)分界面上會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，反射光線射向各個方向，這種反射叫做漫反射，我們平時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，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，光線的延長線交點形成一個被稱為鏡像的虛像，這個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鏡面來說是對稱的。

平面鏡的這種成像特點，使它經(jīng)常被用來當作觀察工具，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)計出了潛望鏡。潛望鏡是戰(zhàn)場上常用的軍事裝備，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，常用于潛水艇、坑道和坦克內(nèi)用以觀察敵情。

中國科技館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現(xiàn)調(diào)節(jié)，潛望鏡主體能水平轉(zhuǎn)動，觀眾可以利用它觀察到迷宮以外的景象；二是搭建潛望鏡，外觀類似一個裝置著大型棋盤的墻面，觀眾可以轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)10個可旋轉(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)計的路線反射到目標模型上，觸發(fā)音響播放音效。

早在公元前2世紀，中國古代人民就發(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?！本褪钦f，墻頂高處懸掛一面鏡子，正下方放一盆水，這種簡易的潛望鏡可以用來潛望四周的景象。中國科技館“華夏之光”展廳中根據(jù)這段話的描述復原了古代潛望鏡模型（圖3右）。這個裝置是世界上最早的潛望鏡，它雖然很簡單，但意義卻非常深遠，近代所使用的潛望鏡都是根據(jù)這個原理制造的，只是利用現(xiàn)代科技結(jié)合了望遠鏡、夜視儀等功能，進一步提升了觀察效果。

窺視無窮

中國流動科技館中有件經(jīng)典展品“窺視無窮”，也生動展示了光的反射特性。展臺上一個窗口中可以看到一個花朵模型，觀眾按下按鈕點亮燈光后，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長的一列花朵；當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時，深邃的通道還會擺動起來。

這個神奇的通道是怎樣出現(xiàn)的呢？原來這個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候，觀眾可以通過半透半反玻璃看到燈帶和花朵的實物，以及燈帶和花朵在背面平面鏡反射形成的第1個鏡像；當這些光線經(jīng)過半透半反鏡時，一部分光線又會被反射回去，在背面的平面鏡后更遠的位置形成第2個像，如此循環(huán)往復，形成無數(shù)個系列鏡像，無窮無盡，直到光線衰減，眼睛無法辨別。因為光的傳播速度非?？?，我們不可能感受到這個反射的過程，而只能看到最終形成的效果。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時，底部的平面鏡會發(fā)生傾斜，這種輕微的轉(zhuǎn)動通過逐次反射而放大，造成每次反射形成的鏡像位置移動，形成通道擺動的錯覺。

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，就會再一次反射；兩鏡之間經(jīng)過幾次反復，鏡中不僅有實物的像，還有像的像，因而能看到許多的像。這段話證明了古人對反射規(guī)律的探索和認識。

如果在半反半透鏡背后隱藏一個屏幕，就能幫我們實現(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“魔鏡”背后的顯示器熄滅時，沒有光線透出，看起來就像傳統(tǒng)鏡子。當顯示器亮起時，顯示的畫面就會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，每天早上洗漱的時候，就能一邊做好衛(wèi)生清潔，一邊了解智能助理報告的天氣資訊、路況報告、日程提醒等，是不是未來感十足呢？