光的反射:光学物理学现象-中文百科频道

形成

光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。

分类

镜面反射：射到物面上的平行光反射后仍然平行。

条件：反射面平滑。

应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。黑板反光等，都是因为发生了镜面反射。

漫反射：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。

条件：反射面凹凸不平。

应用：能从各个方向看到本身不发光的物体，是由于光射到物体上发生漫反射的缘故。

分布

入射点：入射光线与镜面的交点；

法线：过入射点且垂直于镜面的直线叫做法线；

入射角：入射光线与法线的夹角叫做入射角；

反射角：反射光线与法线的夹角叫做反射角。

反射定律

反射角等于入射角，且入射光线与平面的夹角等于反射光线与平面的夹角。

反射光线与入射光线居于法线两侧且都在同一个平面内。

在光的反射现象中，光路是可逆的。

反射的四大特性

反射光线与入射光线、法线在同一平面上；

反射光线和入射光线分居在法线的两侧；

反射角等于入射角。

可逆：光路是可逆的。

可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”。

根据光的反射定律作光路图

具体作法：先找出入射点，过入射点作垂直于界面的法线，则反射光线与入射光线的夹角的角平分线即为法线。若是确定某一条入射光线所对应的反射光线，则由入射光线、法线确定入射角的大小及反射光线所在的平面，再根据光的反射定律中反射光线位于法线的另一侧，反射角等于入射角的特点，确定反射光线。

研究

性质

反射是光线的一个重要性质。中国古代在这方面具有丰富的知识，在许多实际问题上都反映出来。

对人类来说，光的最大规模的反射现象，发生在月球上。我们知道，月球本身是不发光的，它只是反射太阳的光。相传为记载夏、商、周三代史实的《书经》中就提起过这件事。可见那个时候，人们就已有了光的反射观念。战国时的著作《周髀》里就明确指出：“日照月，月光乃生，成明月。”西汉时人们干脆说“月如镜体”，可见对光的反射现象有了深一层的认识。《墨经》里专门记载一个光的反射实验：以镜子把日光反射到人体上，可使人体的影子处于人体和太阳之间。这不但是演示了光的反射现象，而且很可能是以此解释月魄的成因。

成像

平面镜成像，就是光线反射的结果。中国古代在这方面是很有创造性的。最早的时候，人们用静止的水面作为光的反射面，当作镜子使用（图十二），这镜子叫做“监”。西周金文里的“监”字写起来很像一个人弯着腰向盛有水的盘子里照自己的像。这说明在三四千年前，就盛行着利用水面反射成像的方法。到了明清时代，一些穷苦人家也还使用着“水镜”。

《儒林外史》里写的胡屠户，不是要他那个官热太盛的女婿范进，去撒尿照照自己的形容吗？这话虽不大雅，但还是一种水镜的遗制，胡屠户决不是发明者。到了周代中期，随着冶炼工艺的进步，才渐渐以金属反射面代替水镜，这才在“监”字的边旁加以“金”，成了“鉴”或“鉴”，就是现在大量出土的所谓铜镜了。至于玻璃（反射）镜，那就更晚了。

墨经

关于平面镜反射成像规律的研究，在周代后期就在进行了。《墨经》中就指出：平面镜成的像只有一个；像的形状、颜色、远近、正倒，都全同于物体。它还指出：物体向镜面移近，像也向镜面移近，物体远了，像也远了，有对称关系。这个总结是完全正确的。

影响

球面镜

春秋战国时代，还出现了球面反射镜，即所谓球面镜。根掳反射面呈凹形和凸形的不同，分为凹球面镜和凸球面镜。物体置于镜前，能在镜中成像。凹球面镜还能使一束平行光线反射后交于一点，这一点叫做焦点。凸球面镜是发散镜，那焦点是个虚焦点。由于太阳光线中带有热能，聚于一点投到物体，不但亮度大，而且发热多，能使物体温度升高而着火。(注：勿将凹，凸面镜与凹，凸透镜混淆。凹透镜使平行光发散，有虚焦点；而凸透镜使平行光会聚，有焦点。光路是可逆的）

在欧洲，传说古希腊时候，罗马人开了大队兵船去进攻叙拉古。当时的物理学家阿基米德（西元前二八七至二一二年）曾用一面巨大无比的凹面镜对着太阳，把光线聚于兵船上，烧掉了它，因而取得战争的胜利。当然这只是传说而已。在中国古代，凹面镜确实实在在是人们一种主要的取火工具。

用来取火

中国远在周代就知道利用这种反射现象来取火。那时把这种取火用的凹面镜叫做“阳燧”。《庄子》里面就记载说：“阳隧见日，燃而为火。”到了西汉的《淮南子》里就进一步指出，用凹面镜对日取火，艾草之类的引火物，放的位置既不能离镜太远，也不能太近。这里实际上就是指出，艾草必须置于焦点之上。在东汉时候，人们对于光的反射知识更加丰富了，了解到除了专用的阳隧外，凡是呈凹球面状的反射面，只要摩擦得足够光亮，都可以对日聚焦取火。当时有人就用金属杯子的底部，对日聚焦取火，也还有用别的。这都表现了人们认识范围扩大了。

对于凹面镜对日聚焦取火的原理，宋代沈括作了分析。他在《梦溪笔谈》中说：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚于内，离镜一二寸，大如麻菽，着物则火发，此则腰鼓最细处也。”意思是，阳燧反射面呈凹形，对着太阳，光线经反射都聚于一点（即焦点），这一点距镜面一二寸，像芝麻豆子那么大，落到物体上就会发火，这一点好像是腰鼓最细的地方。这里把球面镜反射光线的情况正确地描述出来，并且对焦点和焦距都进行了描写。尤其是能指出焦点之所在，正像是腰鼓最细的地方，生动具体，使人们容易懂。据沈括说，当时这一类学问的研究叫做“格术”，既构成了专门学问，那一定是非常深入的，只是已经失传了，很是可惜。

研究

沈括还以他的科学素养，指出使用凸球面镜中存在的一些问题。当时有人发现有些古镜呈凸球面状，不懂此中奥妙，就把它磨平。沈括认为这是错误的。他指出，古人铸造反射镜，大镜子就呈平面，小镜子就呈凸面。凹镜照出人脸的像要大些，凸镜照出人脸的像要小些。用小镜看不到人脸的全像，所以把它做得稍凸一些，以便使人脸的像变小。

这样，镜子虽小，仍然可以照见完整的人脸。造镜子时要考虑镜子的大小，以决定增减镜子的凸起程度，使人脸的像和镜子的大小相称。这个说明是完全正确的，反映出沈括能够利用自己的科学知识，解决生活中的实际问题，表现了一个科学家结合实际的正确态度。

透光镜

说到反射，不能不介绍一下中国古代一件奇妙的镜子，那就是“透光镜”。“透光镜”的外形跟古代的普通铜镜一模一样，也是金属铸成的，背后有图案文字，反射面磨得很光亮，可以照人。按理说，当以一末光线照到镜面，反射后投到墙壁上，应当是一个平淡无奇的圆形光亮区。奇妙的是，在这个光亮区竟出现了镜背面上的图案文字，好像是“透”过来似的，故称“透光镜”。

上海博物馆珍藏的一面西汉透光镜，背面有“见日之光，天下大明”八个字，甚至连同花纹都“透”在那个光亮区之中，清晰可见。这实在是令人难以设想的事。不但中国历代科学家都研究它，近代国外计多科学家也感到惊奇，把它叫做“魔镜”，纷纷研究它，企图揭开这个谜。在十九世纪一段时间曾引起热烈的讨论，但是都没有得到满意的回答。近几年，中国科学工作者运用现代科学技术手段对透光镜进行研究，获得了可喜的成就。

古镜记

中国出土的铜镜数量很大，其中秦以前的较多。但并没有逐枚进行“透光”试验，所以不能肯定这里面一定没有透光镜。在宋代，沈括家藏一面透光镜，背后的文字“极古”，以致连博学精深的他自己也不认识。可见，这不是一般的文字，可能是秦以前的东西。上海博物馆珍藏的一面已确定为西汉的遗物，西汉以后，民间能制造的逐渐多起来。到了清代，江浙一带的镜工也能制造出来，并传到日本。至于文字记载，清代的小说《古镜记》里，叙述到一面“古镜”，当“承日照之，则背上文画，墨入影内，纤毫无失。”这里说的显然就是透光镜了。宋代沈括对所藏的透光镜记载得十分详细，此后历代文人记载，题咏就更多了。

不同光反射

光在反射时有一部分光会被物体吸收。各光是有红、绿、蓝三色光按不同比例混合而成的。我们能看见的物体除黑色外都要反色光。白色物体反射所有光，看起来就是白色，灰色物体也反射各色光但只反射一部分。其他物体只要是什么颜色就反射能按一定比例混合而本色的光。

附：红光加绿光是黄光，绿光加蓝光是青光，红光加蓝光是紫光，红黄蓝加起来就是白光。在白光通过三棱镜时，不同颜色的单色光的偏折程度不同，红光偏的最小，所以一盘在光屏成像时是在最上面，蓝最大。透明体的颜色是由透过的光色决定的。（当光通过透明体时，透明体是什么颜色，就能透过什么颜色的光）不透明体的颜色是由反射的光色决定的。（当光遇到不透明体时，不透明体是什么颜色，就能反射什么颜色的光）

实验

目的和要求

总结光射到物体表面上发生反射的规律：

反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧

反射角等于入射角。

仪器和器材

光的反射演示器，其结构如图2.3-1所示，M是一块平面镜，镶在一块木板上，白色光屏E垂直固定在木板上，白色光屏F可以绕垂直于镜面的ON轴转动，E、F屏上画有以O为圆心的圆弧，上面标有刻度。

平行光源（J2501型光具盘的光源），低压电源（J1201型）。

【实验方法】

调整光源的位置，使一束光沿平面E内任一直线AO射到平面镜上的O点。绕ON轴转动平面F，寻求由O点反射的光线，只有当平面F和平面E在同一平面内时，才能在F上见到反射光线，平面F在其他位置时，F上都没有反射光线。得出反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧的结论。

平面F和E处在同一平面时，观察到光的反射，从E、F屏上读出入射角、反射角的值，得出反射角等于入射角。

在平面E内改变入射光线的角度，重复步骤2。总结得出反射定律。

先使平面F和E成任一夹角。转动光源的位置，在E平面内看到反射光线。转动平面E找到入射光线和法线所在的平面，加深对反射定律的理解。

注意事项

初中学生缺乏空间想象力，理解反射定律中线和面的空间关系是一个难点。实验过程中应注意帮助学生建立空间概念，直观地建立起光的反射图象。

入射光线是具有一定宽度的光带，为了在光屏上显示出光传播的路线，入射光带的轴线与光屏需成一个较小的角度。同样，反射光线也是具有一定宽度的光带，因此，当平面E与F有较小的角度时，光屏F上仍能有短的亮线。实验时要注意尽量减小光带的宽度，并且避开这个较小角度的位置，以免造成混乱。

参考资料

平行光源除了选用J2507型光具盘的光源之外，还可以用激光器、手电筒（要有较好的聚光效果）或日光。本实验对于光源还有两点要求：（1）宽光束光源都需配用狭缝，通过狭缝取一细束平行光作为入射光线；（2）能够改变投射到镜面上光线的角度。例如，取日光作光源，可以借助于一对平面镜Q1和Q2使一束日光投射到平面镜M上，稍稍移动并且转动平面镜Q2，可以使投射到O点的光线的角度改变（图2.3-2）。

光的反射实验也可用米勒仪（图2.3-3）或圆形光盘（包含在J2501型光具盘内）来做。由于这些仪器中的镜面可以绕入射点O转动，验证反射角等于入射角比较方便，但不易说明反射镜面、法线、入射光线和反射光线的空间关系。

提示：本小实验可辅以“光现象”部分的物理实验教学，以此培养和提高学生的实验能力和素养。让光线逆着反射光线的方向射向镜面，可以看到，反射光线逆着原来入射光线的方向射出。这表明，在反射时，光路是可逆的。

实质

光波是一种高频的电磁辐射。光波介质与原子分子发生相互作用导致其传播方向的改变、相位及偏振变化，以及能量和能流的重新分配。

原子限度在Å量级，1mm2表面排列约107×107个原子。在光波交变电场作用下，界面上原子作受迫振荡，每个原子都是一个电偶极振子，形成面天线阵，由于干涉形成确定方向的辐射。正入射时，相当所有振元同幅同相激励，射束垂直于振面且有两条：一条称反射波，一条称折射波。斜入射时，相当于激励相位不同，类似于相控阵天线。

典型例题

例1

打枪瞄准时要闭上一只眼，这是为什么？

解析：我们知道枪管前端有一个瞄准用的准星，我们闭上一只眼观察到准星挡住了目标时，就说明准星、目标和眼睛处于同一直线上，也就是说瞄准了目标，实际上，这就是应用光在同一种均匀介质中沿直线传播的道理。

例2

光线垂直入射到平面镜上时，反射光线和入射光线的夹角为____。若入射光线的方向不变，平面镜转动a角时，则反射光线与入射光线的夹角是______。

解析：当光线垂直入射时，则反射光线将逆着入射光线反射，此时入射光线、法线、反射光线三线重合，反射角为0，入射角为0，所以反射光线和入射光线的夹角也为0。当平面镜转动后，法线与入射光线产生了夹角，这个夹角就是平面镜转过的角度，那么此时入射角为a，反射角也为a，所以反射光线与入射光线的夹角为2a。

例3

要使反射光线与入射光线的夹角为直角，则入射光线与平面镜的夹角应为_____。

解析：根据反射定律可知：反射角等于入射角，如果反射光线与入射光线的夹角为直角，那么反射角等于45° ，入射角也等于45° ，而入射光线与镜面的夹角则应为45度。

例4

入射光线与平面镜的夹角是，则反射角应该是______。

解析：该题首先要弄清楚入射角。入射光线与平面镜的夹角是，那么入射角就是，因为入射角是入射光线和法线的夹角，法线与镜面垂直，又反射角等于入射角，所以反射角也等于。

例5

不能用光的直线传播来解释的现象是（　）。

A、日食和月食　B、影子的形成

C、小孔成像　D、发生雷电时，先看到闪电而后才听到雷鸣声

解析：当月球运行到太阳和地球之间，并且位于同一直线上时，由于光是沿直线传播的，月球挡住了太阳射向地球的光，便产生了日食现象。当地球运行到太阳与月球之间，并且位于同一直线上时，地球挡住了太阳射向月球的光，便产生了月食现象。影子的形成是由于光沿直线传播时遇到不透明的物体而留下的阴影区域。小孔成像也是由于光沿直线传播，蜡烛的光通过小孔后在屏上形成倒立的烛焰像。由此可知，选项A、B、C均能用光的直线传播来解释。而发生雷电时，先看到闪电，后听到雷鸣声是由于空气中的光传播速度比声音传播速度快得多的缘故，所以选项D不能用光的直线传播来解释。