光的反射:光學物理學現象-中文百科頻道

形成

光在兩種物質分界面上改變傳播方向又返回原來物質中的現象，叫做光的反射。

分類

鏡面反射：射到物面上的平行光反射後仍然平行。

條件：反射面平滑。

應用：迎着太陽看平靜的水面，特别亮。黑闆反光等，都是因為發生了鏡面反射。

漫反射：射到物面上的平行光反射後向着不同的方向，每條光線遵守光的反射定律。

條件：反射面凹凸不平。

應用：能從各個方向看到本身不發光的物體，是由于光射到物體上發生漫反射的緣故。

分布

入射點：入射光線與鏡面的交點；

法線：過入射點且垂直于鏡面的直線叫做法線；

入射角：入射光線與法線的夾角叫做入射角；

反射角：反射光線與法線的夾角叫做反射角。

反射定律

反射角等于入射角，且入射光線與平面的夾角等于反射光線與平面的夾角。

反射光線與入射光線居于法線兩側且都在同一個平面内。

在光的反射現象中，光路是可逆的。

反射的四大特性

反射光線與入射光線、法線在同一平面上；

反射光線和入射光線分居在法線的兩側；

反射角等于入射角。

可逆：光路是可逆的。

可歸納為：“三線共面，兩線分居，兩角相等”。

根據光的反射定律作光路圖

具體作法：先找出入射點，過入射點作垂直于界面的法線，則反射光線與入射光線的夾角的角平分線即為法線。若是确定某一條入射光線所對應的反射光線，則由入射光線、法線确定入射角的大小及反射光線所在的平面，再根據光的反射定律中反射光線位于法線的另一側，反射角等于入射角的特點，确定反射光線。

研究

性質

反射是光線的一個重要性質。中國古代在這方面具有豐富的知識，在許多實際問題上都反映出來。

對人類來說，光的最大規模的反射現象，發生在月球上。我們知道，月球本身是不發光的，它隻是反射太陽的光。相傳為記載夏、商、周三代史實的《書經》中就提起過這件事。可見那個時候，人們就已有了光的反射觀念。戰國時的著作《周髀》裡就明确指出：“日照月，月光乃生，成明月。”西漢時人們幹脆說“月如鏡體”，可見對光的反射現象有了深一層的認識。《墨經》裡專門記載一個光的反射實驗：以鏡子把日光反射到人體上，可使人體的影子處于人體和太陽之間。這不但是演示了光的反射現象，而且很可能是以此解釋月魄的成因。

成像

平面鏡成像，就是光線反射的結果。中國古代在這方面是很有創造性的。最早的時候，人們用靜止的水面作為光的反射面，當作鏡子使用（圖十二），這鏡子叫做“監”。西周金文裡的“監”字寫起來很像一個人彎着腰向盛有水的盤子裡照自己的像。這說明在三四千年前，就盛行着利用水面反射成像的方法。到了明清時代，一些窮苦人家也還使用着“水鏡”。

《儒林外史》裡寫的胡屠戶，不是要他那個官熱太盛的女婿範進，去撒尿照照自己的形容嗎？這話雖不大雅，但還是一種水鏡的遺制，胡屠戶決不是發明者。到了周代中期，随着冶煉工藝的進步，才漸漸以金屬反射面代替水鏡，這才在“監”字的邊旁加以“金”，成了“鑒”或“鑒”，就是現在大量出土的所謂銅鏡了。至于玻璃（反射）鏡，那就更晚了。

墨經

關于平面鏡反射成像規律的研究，在周代後期就在進行了。《墨經》中就指出：平面鏡成的像隻有一個；像的形狀、顔色、遠近、正倒，都全同于物體。它還指出：物體向鏡面移近，像也向鏡面移近，物體遠了，像也遠了，有對稱關系。這個總結是完全正确的。

影響

球面鏡

春秋戰國時代，還出現了球面反射鏡，即所謂球面鏡。根擄反射面呈凹形和凸形的不同，分為凹球面鏡和凸球面鏡。物體置于鏡前，能在鏡中成像。凹球面鏡還能使一束平行光線反射後交于一點，這一點叫做焦點。凸球面鏡是發散鏡，那焦點是個虛焦點。由于太陽光線中帶有熱能，聚于一點投到物體，不但亮度大，而且發熱多，能使物體溫度升高而着火。(注：勿将凹，凸面鏡與凹，凸透鏡混淆。凹透鏡使平行光發散，有虛焦點；而凸透鏡使平行光會聚，有焦點。光路是可逆的）

在歐洲，傳說古希臘時候，羅馬人開了大隊兵船去進攻叙拉古。當時的物理學家阿基米德（西元前二八七至二一二年）曾用一面巨大無比的凹面鏡對着太陽，把光線聚于兵船上，燒掉了它，因而取得戰争的勝利。當然這隻是傳說而已。在中國古代，凹面鏡确實實在在是人們一種主要的取火工具。

用來取火

中國遠在周代就知道利用這種反射現象來取火。那時把這種取火用的凹面鏡叫做“陽燧”。《莊子》裡面就記載說：“陽隧見日，燃而為火。”到了西漢的《淮南子》裡就進一步指出，用凹面鏡對日取火，艾草之類的引火物，放的位置既不能離鏡太遠，也不能太近。這裡實際上就是指出，艾草必須置于焦點之上。在東漢時候，人們對于光的反射知識更加豐富了，了解到除了專用的陽隧外，凡是呈凹球面狀的反射面，隻要摩擦得足夠光亮，都可以對日聚焦取火。當時有人就用金屬杯子的底部，對日聚焦取火，也還有用别的。這都表現了人們認識範圍擴大了。

對于凹面鏡對日聚焦取火的原理，宋代沈括作了分析。他在《夢溪筆談》中說：“陽燧面窪，向日照之，光皆聚于内，離鏡一二寸，大如麻菽，着物則火發，此則腰鼓最細處也。”意思是，陽燧反射面呈凹形，對着太陽，光線經反射都聚于一點（即焦點），這一點距鏡面一二寸，像芝麻豆子那麼大，落到物體上就會發火，這一點好像是腰鼓最細的地方。這裡把球面鏡反射光線的情況正确地描述出來，并且對焦點和焦距都進行了描寫。尤其是能指出焦點之所在，正像是腰鼓最細的地方，生動具體，使人們容易懂。據沈括說，當時這一類學問的研究叫做“格術”，既構成了專門學問，那一定是非常深入的，隻是已經失傳了，很是可惜。

研究

沈括還以他的科學素養，指出使用凸球面鏡中存在的一些問題。當時有人發現有些古鏡呈凸球面狀，不懂此中奧妙，就把它磨平。沈括認為這是錯誤的。他指出，古人鑄造反射鏡，大鏡子就呈平面，小鏡子就呈凸面。凹鏡照出人臉的像要大些，凸鏡照出人臉的像要小些。用小鏡看不到人臉的全像，所以把它做得稍凸一些，以便使人臉的像變小。

這樣，鏡子雖小，仍然可以照見完整的人臉。造鏡子時要考慮鏡子的大小，以決定增減鏡子的凸起程度，使人臉的像和鏡子的大小相稱。這個說明是完全正确的，反映出沈括能夠利用自己的科學知識，解決生活中的實際問題，表現了一個科學家結合實際的正确态度。

透光鏡

說到反射，不能不介紹一下中國古代一件奇妙的鏡子，那就是“透光鏡”。“透光鏡”的外形跟古代的普通銅鏡一模一樣，也是金屬鑄成的，背後有圖案文字，反射面磨得很光亮，可以照人。按理說，當以一末光線照到鏡面，反射後投到牆壁上，應當是一個平淡無奇的圓形光亮區。奇妙的是，在這個光亮區竟出現了鏡背面上的圖案文字，好像是“透”過來似的，故稱“透光鏡”。

上海博物館珍藏的一面西漢透光鏡，背面有“見日之光，天下大明”八個字，甚至連同花紋都“透”在那個光亮區之中，清晰可見。這實在是令人難以設想的事。不但中國曆代科學家都研究它，近代國外計多科學家也感到驚奇，把它叫做“魔鏡”，紛紛研究它，企圖揭開這個謎。在十九世紀一段時間曾引起熱烈的讨論，但是都沒有得到滿意的回答。近幾年，中國科學工作者運用現代科學技術手段對透光鏡進行研究，獲得了可喜的成就。

古鏡記

中國出土的銅鏡數量很大，其中秦以前的較多。但并沒有逐枚進行“透光”試驗，所以不能肯定這裡面一定沒有透光鏡。在宋代，沈括家藏一面透光鏡，背後的文字“極古”，以緻連博學精深的他自己也不認識。可見，這不是一般的文字，可能是秦以前的東西。上海博物館珍藏的一面已确定為西漢的遺物，西漢以後，民間能制造的逐漸多起來。到了清代，江浙一帶的鏡工也能制造出來，并傳到日本。至于文字記載，清代的小說《古鏡記》裡，叙述到一面“古鏡”，當“承日照之，則背上文畫，墨入影内，纖毫無失。”這裡說的顯然就是透光鏡了。宋代沈括對所藏的透光鏡記載得十分詳細，此後曆代文人記載，題詠就更多了。

不同光反射

光在反射時有一部分光會被物體吸收。各光是有紅、綠、藍三色光按不同比例混合而成的。我們能看見的物體除黑色外都要反色光。白色物體反射所有光，看起來就是白色，灰色物體也反射各色光但隻反射一部分。其他物體隻要是什麼顔色就反射能按一定比例混合而本色的光。

附：紅光加綠光是黃光，綠光加藍光是青光，紅光加藍光是紫光，紅黃藍加起來就是白光。在白光通過三棱鏡時，不同顔色的單色光的偏折程度不同，紅光偏的最小，所以一盤在光屏成像時是在最上面，藍最大。透明體的顔色是由透過的光色決定的。（當光通過透明體時，透明體是什麼顔色，就能透過什麼顔色的光）不透明體的顔色是由反射的光色決定的。（當光遇到不透明體時，不透明體是什麼顔色，就能反射什麼顔色的光）

實驗

目的和要求

總結光射到物體表面上發生反射的規律：

反射光線跟入射光線和法線在同一平面内，反射光線和入射光線分居法線兩側

反射角等于入射角。

儀器和器材

光的反射演示器，其結構如圖2.3-1所示，M是一塊平面鏡，鑲在一塊木闆上，白色光屏E垂直固定在木闆上，白色光屏F可以繞垂直于鏡面的ON軸轉動，E、F屏上畫有以O為圓心的圓弧，上面标有刻度。

平行光源（J2501型光具盤的光源），低壓電源（J1201型）。

【實驗方法】

調整光源的位置，使一束光沿平面E内任一直線AO射到平面鏡上的O點。繞ON軸轉動平面F，尋求由O點反射的光線，隻有當平面F和平面E在同一平面内時，才能在F上見到反射光線，平面F在其他位置時，F上都沒有反射光線。得出反射光線跟入射光線和法線在同一平面内，反射光線和入射光線分居法線兩側的結論。

平面F和E處在同一平面時，觀察到光的反射，從E、F屏上讀出入射角、反射角的值，得出反射角等于入射角。

在平面E内改變入射光線的角度，重複步驟2。總結得出反射定律。

先使平面F和E成任一夾角。轉動光源的位置，在E平面内看到反射光線。轉動平面E找到入射光線和法線所在的平面，加深對反射定律的理解。

注意事項

初中學生缺乏空間想象力，理解反射定律中線和面的空間關系是一個難點。實驗過程中應注意幫助學生建立空間概念，直觀地建立起光的反射圖象。

入射光線是具有一定寬度的光帶，為了在光屏上顯示出光傳播的路線，入射光帶的軸線與光屏需成一個較小的角度。同樣，反射光線也是具有一定寬度的光帶，因此，當平面E與F有較小的角度時，光屏F上仍能有短的亮線。實驗時要注意盡量減小光帶的寬度，并且避開這個較小角度的位置，以免造成混亂。

參考資料

平行光源除了選用J2507型光具盤的光源之外，還可以用激光器、手電筒（要有較好的聚光效果）或日光。本實驗對于光源還有兩點要求：（1）寬光束光源都需配用狹縫，通過狹縫取一細束平行光作為入射光線；（2）能夠改變投射到鏡面上光線的角度。例如，取日光作光源，可以借助于一對平面鏡Q1和Q2使一束日光投射到平面鏡M上，稍稍移動并且轉動平面鏡Q2，可以使投射到O點的光線的角度改變（圖2.3-2）。

光的反射實驗也可用米勒儀（圖2.3-3）或圓形光盤（包含在J2501型光具盤内）來做。由于這些儀器中的鏡面可以繞入射點O轉動，驗證反射角等于入射角比較方便，但不易說明反射鏡面、法線、入射光線和反射光線的空間關系。

提示：本小實驗可輔以“光現象”部分的物理實驗教學，以此培養和提高學生的實驗能力和素養。讓光線逆着反射光線的方向射向鏡面，可以看到，反射光線逆着原來入射光線的方向射出。這表明，在反射時，光路是可逆的。

實質

光波是一種高頻的電磁輻射。光波介質與原子分子發生相互作用導緻其傳播方向的改變、相位及偏振變化，以及能量和能流的重新分配。

原子限度在Å量級，1mm2表面排列約107×107個原子。在光波交變電場作用下，界面上原子作受迫振蕩，每個原子都是一個電偶極振子，形成面天線陣，由于幹涉形成确定方向的輻射。正入射時，相當所有振元同幅同相激勵，射束垂直于振面且有兩條：一條稱反射波，一條稱折射波。斜入射時，相當于激勵相位不同，類似于相控陣天線。

典型例題

例1

打槍瞄準時要閉上一隻眼，這是為什麼？

解析：我們知道槍管前端有一個瞄準用的準星，我們閉上一隻眼觀察到準星擋住了目标時，就說明準星、目标和眼睛處于同一直線上，也就是說瞄準了目标，實際上，這就是應用光在同一種均勻介質中沿直線傳播的道理。

例2

光線垂直入射到平面鏡上時，反射光線和入射光線的夾角為____。若入射光線的方向不變，平面鏡轉動a角時，則反射光線與入射光線的夾角是______。

解析：當光線垂直入射時，則反射光線将逆着入射光線反射，此時入射光線、法線、反射光線三線重合，反射角為0，入射角為0，所以反射光線和入射光線的夾角也為0。當平面鏡轉動後，法線與入射光線産生了夾角，這個夾角就是平面鏡轉過的角度，那麼此時入射角為a，反射角也為a，所以反射光線與入射光線的夾角為2a。

例3

要使反射光線與入射光線的夾角為直角，則入射光線與平面鏡的夾角應為_____。

解析：根據反射定律可知：反射角等于入射角，如果反射光線與入射光線的夾角為直角，那麼反射角等于45° ，入射角也等于45° ，而入射光線與鏡面的夾角則應為45度。

例4

入射光線與平面鏡的夾角是，則反射角應該是______。

解析：該題首先要弄清楚入射角。入射光線與平面鏡的夾角是，那麼入射角就是，因為入射角是入射光線和法線的夾角，法線與鏡面垂直，又反射角等于入射角，所以反射角也等于。

例5

不能用光的直線傳播來解釋的現象是（　）。

A、日食和月食　B、影子的形成

C、小孔成像　D、發生雷電時，先看到閃電而後才聽到雷鳴聲

解析：當月球運行到太陽和地球之間，并且位于同一直線上時，由于光是沿直線傳播的，月球擋住了太陽射向地球的光，便産生了日食現象。當地球運行到太陽與月球之間，并且位于同一直線上時，地球擋住了太陽射向月球的光，便産生了月食現象。影子的形成是由于光沿直線傳播時遇到不透明的物體而留下的陰影區域。小孔成像也是由于光沿直線傳播，蠟燭的光通過小孔後在屏上形成倒立的燭焰像。由此可知，選項A、B、C均能用光的直線傳播來解釋。而發生雷電時，先看到閃電，後聽到雷鳴聲是由于空氣中的光傳播速度比聲音傳播速度快得多的緣故，所以選項D不能用光的直線傳播來解釋。