| 光 的 反 射 在解決涉及光的反射定律的問題時(shí)，自然，畫光路圖是首選的方法。但如果鏡面以較大的速度運(yùn)動時(shí)，反射定律則需要修正： ——Birdy
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一、光源、光線和光束
宇宙間的物體不論其大小與種類，其中發(fā)光的物體我們稱之為光源。在研究光現(xiàn)象時(shí)，我們常常根據(jù)光源的大小將光源分為點(diǎn)光源和面光源。當(dāng)發(fā)光物體的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它到觀察者的距離時(shí)，可以把它看成一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，稱為點(diǎn)光源。那些不能作為一個(gè)發(fā)光點(diǎn)來看待的光源，則稱為面光源。
由于通常光是沿直線傳播的，因此在描述與研究光的傳播時(shí)，可以用一條帶箭頭的直線表示光的行進(jìn)方向，這樣的直線稱為光線，它可以表示沿箭頭方向傳播的極細(xì)的一束光。
實(shí)際生活和科學(xué)研究中的一束光是有一定寬度的，我們可以把一束光看成由圍繞一條軸線分布的無數(shù)光線組成的，稱為光束。在幾何光學(xué)中我們常用到的光束有平行光束，會聚光束和發(fā)散光束。普通光源產(chǎn)生的是發(fā)散光束，在普通光源和其它光學(xué)器件組合使用時(shí)，可以得到平行光束或會聚光束，激光器可以產(chǎn)生很好的高亮度的平行光束。
對于光線的概念，我們應(yīng)該認(rèn)識到(1)光線的概念是人為引入的，是對實(shí)際存在的一束極細(xì)的光的抽象，實(shí)際并不存在光線。(2)光線是為研究光的傳播而建立的一種物理模型，從而才能用幾何的方法來描述和研究光的傳播規(guī)律。
二、光的直線傳播
1.小孔成像說明光的直線傳播
在燭焰與光屏之間放一個(gè)帶有小孔的遮光板，就可以在光屏上得到一個(gè)倒立的燭焰的像，這一現(xiàn)象稱為小孔成像。在初中物理中，這一現(xiàn)象作為說明光沿直線傳播的典型例證。
2.影、本影、半影
光在傳播過程中被不透光的物體遮擋，在物體背光面的后方將出現(xiàn)光線照射不到的黑暗區(qū)域，這一黑暗區(qū)域稱為物體的影。同一物體在點(diǎn)光源和面光源照射下，它的影的情況是不同的。圖1所示，是點(diǎn)光源S照射下B的影。但是在面光源Q照射下，球體B背面形成的影區(qū)中，有一部分是Q上任何一點(diǎn)發(fā)出的光線都無法照射到的，這是B背后最暗的區(qū)域，稱為本影；另一部分是Q上一部分發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線能照射到，而其余發(fā)光點(diǎn)的光線照射不到的區(qū)域，這是B背后較暗的區(qū)域，稱為半影。應(yīng)用本影和半影的知識，我們可以解釋日食和月食現(xiàn)象。 應(yīng)該指出，物體在面光源照射下， 才可能產(chǎn)生本影和半影；隨著光源的發(fā)光面增大，物體的本影會減小，醫(yī)院手術(shù)室中的無影燈，就是利用多個(gè)大面積光源從不同角度照射來消除本影的。
三、光沿直線傳播的條件，光只有在同一種均勻媒質(zhì)(介質(zhì))中，才是沿直線傳播的。
| 光由一種媒質(zhì)射向另一種媒質(zhì)時(shí)，在這兩種媒質(zhì)的分界面上光的傳播方向?qū)l(fā)生變化。光在同一種不均勻的媒質(zhì)中傳播時(shí)，也不再沿直線傳播。我們有這樣的經(jīng)驗(yàn)，盛夏的中午，有時(shí)能看到遠(yuǎn)處瀝清路面很明亮，好象上面有一層水似的。這是由于越接近路面空氣越熱，密度越小，造成路面附近空氣密度不均勻，因而光不再沿直線傳播所形成的。目前也有的教科書表述為“光在均勻介質(zhì)中，沿直線傳播”，其含義是如果不在同種介質(zhì)中，已經(jīng)談不到均勻，必然不滿足均勻這一條。 |  |
四、光的傳播速度
目前世界公認(rèn)的真空中的光速c=299，792，485千米/秒。在通常的計(jì)算中我們?nèi)≌婵罩泄馑贋?/font>c=3.0×105 千米/秒
光在水中的傳播速度為，在一般玻璃中光的傳播速度為左右，光在空氣中傳播速度略小于c，通常也認(rèn)為光在空氣中的傳播速度也是c 。
光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)中，光的傳播速度會發(fā)生變化，兩相比較，其中光速大的媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)，光速小的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，應(yīng)該明確的是，光疏媒質(zhì)與光密媒質(zhì)是相對的，只有兩種確定的媒質(zhì)相比較才有意義。例如和空氣相比較，水是光密媒質(zhì)；而和玻璃比較，水是光疏媒質(zhì)。
五、光的反射
| 光從一種媒質(zhì)射向另一種媒質(zhì)時(shí)， 一般情況下光在這兩種媒質(zhì)的分界面上將分為兩部分，如圖2中，一部分返回原媒質(zhì)中傳播，如光線OB，成為反射光；另一部分進(jìn)入另一種媒質(zhì)中傳播如光線OC，成為折射光。 光發(fā)生反射現(xiàn)象時(shí)，遵循反射定律，即(1)反射光線和入射光線與法線在同一平面內(nèi)，反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)。(2)反射角等于入射角。 平面鏡和球面鏡都是利用光的反射現(xiàn)象制成的反射鏡。 |
例題1.一束與水平地面成45°斜向下射的光線被一對垂直地面放置的平面鏡中的一面檔住，光線在兩平面鏡中多次反射到地面上，已知入射光和反射光所在平面與鏡面垂直，若光線的入射點(diǎn)離地面高度為h，兩鏡面間距為d，求在兩鏡面間多次反射的光線通過路徑的總長度及光線在兩鏡面間反射的次數(shù)。
解：如圖3所示，經(jīng)平面鏡M反射的光線DE與入射光的延長線DE′關(guān)于平面鏡對稱，而CE＇與CE″關(guān)于平面鏡N對稱，……，因此，經(jīng)兩鏡面多次反射的光的總路徑長度與入射光的延長線AF相同。由于入射光與水平地面成45°角，可以推知，  但光線在兩平面鏡之間反射次數(shù)與平面鏡間距d有關(guān)。當(dāng) | |
| 例2 兩個(gè)平面鏡MN與PQ相對放置，鏡面相交成直角，一光源S在兩平面鏡中共成多少個(gè)像？如果兩平面MN與PQ夾一銳角，點(diǎn)光源S在兩平面鏡中成幾個(gè)像？ (1)兩平面鏡成直角，則S在MN中成像S1，在PQ中成像S2，其光線經(jīng)MN和PQ兩次反射還能成像S3，但由于MN與PQ成直角，所以S發(fā)出的光線先經(jīng)PQ后經(jīng)MN所成的像恰恰也位于S3點(diǎn)，因此，總共成三個(gè)像(見圖4) 設(shè)兩平面鏡夾角為60°，則根據(jù)成像規(guī)律，S在MN中成像S1，在PQ中成像S2，由于光在鏡面上多次反射，還可以再成像S3，相當(dāng)于虛像點(diǎn)S1又在PQ中成像，也可以成像S4，相當(dāng)于S2在MN的延長鏡面中成像。……當(dāng)然，這樣的像也不能無窮地成下去，只有光點(diǎn)S在鏡面前，或像點(diǎn)S1在平面鏡的延長線前才可以成像，例如，圖中的S5位于MN＇和P＇Q的夾角，它在MN與PQ的延長線上的虛擬的鏡面背后，就再不能成像了。 那么S3能成像嗎？因?yàn)?font size="3">S3的像恰好就在S5的位置，所以總共只有5個(gè)像(見圖5) 總結(jié)一下規(guī)律， | |
僅僅用公式求角度，近似于數(shù)學(xué)游戲。但在畫某一像點(diǎn)的光路圖時(shí)，光確定像點(diǎn)就會方便準(zhǔn)確得多了。
總之，由于物體發(fā)出(或反射)的光線在兩平面鏡中多次反射，因而多次成像。一般來說，物體發(fā)出(或反射)的光線在兩鏡面中有一次反射，就存在一次成像問題；在多次成像過程中，前一次反射所形成的像，可視為再一次反射成像時(shí)的物。 本題前面所采取的畫圖找對稱點(diǎn)的作圖方法是一種簡單有效的方法。
| 例3 利用光路圖確定，在圖6中為使在P點(diǎn)不能通過平面鏡M看到障礙物Q后面的情景，應(yīng)將平面鏡M遮擋的最小區(qū)域。 解：設(shè)想在P點(diǎn)放置一點(diǎn)光源， 經(jīng)平面鏡M的反射，光源發(fā)出的光線將把反射光AC和BD之間的區(qū)域照亮。 根據(jù)反射現(xiàn)象中光路可逆，AC和BD之間的物體發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡反射可以射到P點(diǎn)。而這些經(jīng)反射能夠到達(dá)P的光線的入射點(diǎn)，均在平面鏡的AB之間。因此為符合題目要求，應(yīng)將平面鏡遮擋的最小區(qū)域是AB之間部分。 | |
| 例4 在圖7中畫出互相垂直的平面鏡前P點(diǎn)，看到點(diǎn)光源S兩次反射所成的像的光路圖。 分析：根據(jù)平面鏡成像的特點(diǎn)和規(guī)律，我們可以確定，發(fā)光點(diǎn)S在ON鏡中的像為S＇，即從S點(diǎn)向ON鏡作垂線(用虛線表示)，S＇在垂線上與S點(diǎn)對稱的位置。而虛像S＇在平面鏡OM前面，它可以作為二次成像的物。找到S＇點(diǎn)關(guān)于OM的對稱點(diǎn)S″，它就是二次成像的像點(diǎn)。 | |
既然從P點(diǎn)可以看到虛像S″， 也變是說，二次反射的光線是從S″P方向反射過來的。連結(jié)S″P，與鏡面MO相交于A點(diǎn)，A點(diǎn)是二次反射點(diǎn)。同樣道理，第一次反射光是從S＇A方向傳來。連結(jié)S＇A，與鏡ON相交于B，B是第一次反射的反射點(diǎn)。這樣就確定了S點(diǎn)發(fā)出的光的路徑，即SB、 BA、AP。
按照光路圖作圖的規(guī)定，反射光的反向延長線用虛線表示，光的實(shí)際傳播路徑用實(shí)線表示并且畫出箭頭表示實(shí)際光線。在光的反射點(diǎn)處要畫出法線。
