光的反射定律-通识物理技巧

如果光在沿直线传播的过程中遇到两种媒介的界面，部分光线可能会折返回原媒介，也就是“光的反射”现象。光的反射严格遵循光的“反射定律”，其内容是：“入射光线与出射光线在同一平面内，入射光和反射光分居法线两侧，且光路的入射角总是等于出射角。”在实际生活中，光的反射通常分为两种类型：漫反射和镜面反射。其中照射到布、墙等表面粗糙的物体上的光线会反射到各个方向上，这是“漫反射”，比如粗糙的电影幕布就是应用了对光的漫反射原理，从而让坐在剧场每个位置的观众都能看到电影画面。如果光线照射到平面镜等光滑表面上，就会向某一特定方向反射，这称为“镜面反射”，我们平常所说的“照镜子”指的就是镜面反射。显而易见，表面是粗糙还是光滑就成为衡量漫反射和镜面反射的关键条件。但是，我们怎样来界定表面的“粗糙”和“光滑”呢？是不是所有光滑的表面都能发生镜面反射呢？答案是否定的！比如：纸张摸起来很“光滑”，但我们并不能通过纸张来映出物体的影像。用显微镜观察，会发现纸的表面是凹凸不平的，虽然我们的触觉告诉我们纸张很光滑，但对一束光而言，犹如身处坑坑洼洼的山地之中，这就是纸张不能成为镜子的原因。但有趣的是，如果我们用高倍显微镜来观察镜子的表面，其实也能看到很多凹凸，那么这些凹凸为什么又不会对光的镜面反射产生影响呢？原来，光线对反射面光滑与否的判断依据与光波的波长和凹凸的大小有关：如果凹凸的尺度小于入射光的波长，光线便认为反射面很“光滑”，入射光就会遵循反射定律；但如果凹凸的尺度大于入射光的波长，即不光滑，入射光就会向四面八方散射开来。生活中注重细节的人会把皮鞋擦亮了再出门，不过刚擦过的皮鞋为什么会有光泽呢？其实，在没有抹鞋油的鞋面上会有很多凹凸，这些凹凸的尺度大于可见光的波长，这导致光在鞋面主要发生漫反射，因此鞋面就缺乏光泽；但是抹上鞋油后，皮革表面的凹凸尺度会小于可见光的波长，从而使皮鞋表面因镜面反射而带给人一种“光滑、铮亮”的感觉。所以说：表面的“粗糙”与“光滑”其实是相对而言的，光究竟是被漫反射还是被镜面反射，只取决于光的波长与表面凹凸尺度的关系。

光的镜面反射在我们的日常生活中有丰富的应用，比如：利用平面镜对光的反射，我们能够看到自己的模样；将多块平面镜按照反射光路组合起来，可以制成简易的监视器或者潜望镜，从而看到所在位置本来看不到的景象。平面镜会反映正常的图像，而球面镜则会扭曲图像，例如哈哈镜就是利用球面反射来制造一些滑稽可笑的视觉效果；汽车的后视镜和道路拐角处的广角镜，也是利用球面反射来增加驾驶员的视野。表面呈凹形的球面镜（凹面镜）还有更重要的实用价值，因为凹面镜的形状如果是抛物面，镜面反射的光就会聚集在一点上，也就是“焦点”，这是许多望远镜（包括大名鼎鼎的哈勃天文望远镜）的聚光方式。我国古代著作《淮南子·天文训》中记载到：“阳燧见日则燃而为火”，这说明中国古代已有人认识到凹面镜对光线的会聚作用。传说古希腊的阿基米德也曾利用铜制的凹面镜，通过其聚光作用把阳光聚焦到入侵叙拉古的罗马战舰上，并引燃涂满防湿火油的船体，最终打败了罗马舰队（图11.6）。而罗马人居然一直找不到战舰失火的原因，还以为是天神的谴责。

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图11.6　阿基米德利用凹面镜的反射烧毁了罗马舰队

除了以上一些应用了反射原理的光学设备，其实我们的眼睛能看到物体呈现出不同的颜色，也与物体对特定波长的光的反射有关。光有无数的颜色，但物体本来是没有颜色的，自然界所呈现出的绚丽多彩，其实源自对特定波长的光波的反射。“生活是人们最好的老师”，在菜市场或者超市里，肉贩们常常在肉摊上方挂一盏红灯，这可不是为了灯好看，而是为了让肉“好看”。原来，在红灯照耀下，摊子上的肉只能反射红光，所以肉会看起来更加“鲜红”，从而让人们觉得肉比较“新鲜”，这样一来肉产品也就更好售卖了。现在我们已经知道，太阳光是由无数具有不同波长的复色光所构成的，阳光照耀地球，而地球上的物体，比如花儿，要么反射红光、要么反射黄光，并吸收掉其他色光，或者干脆能把大多数的色光都反射回来。正是因为花儿对特定波长光波的反射效应，我们才能欣赏到一幕幕浪漫的红色、热情的黄色、纯洁的白色……自然界也因此而万紫千红、流光溢彩、生意盎然。值得一提的是：如果物体把所有光都反射到人的眼里，我们会看到白色；但如果物体把所有光都吸收了，我们就只能看到黑色，一个典型的例子就是“黑洞”，正因为连光都无法挣脱黑洞的引力，所以黑洞看起来就是“黑色”的。所以说：白色和黑色这两种“颜色”其实并不真正存在，只是人眼的一种视觉效果而已。