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站在平面镜前,你能够看到镜子里的映像——这离不开两个重要的科学原理:能量守恒定律和光反射定律。
[ 能量守恒 ]
你能够看到镜子里的映像,是能量守恒定律对光发挥着作用。
光是以高速(每秒300,000公里)传播的能量。当光线照射到某物时,可能会发生三种情况:它可以穿过物体被传播、被物体吸收(光辐射能通过与物质相互作用转化为另一种能量,通常是热能),或者它可以被物体反射。无论哪种方式,能量守恒都在起作用:穿过、被吸收和被反射的能量总和,与入射的能量一样(图1左)。
图1 反射、透射和吸收(左),平面镜的反射(右)
典型的镜子是一片背面涂有铝或银的玻璃——通过在真空中在一块玻璃的背面溅射一薄层熔融的铝或银制成的(图1右)。对于平面镜而言,当光线到达时,其玻璃后面的银原子吸收入射光能的光子,并被激发反射——银比几乎任何其他东西都更好地反射光,它发出的光子几乎与照射在它上面的光子一样多。平面镜的背面通常还覆盖着某种深色的保护材料,以防止银涂层被划伤,并减少光线从后面穿透的风险。
能量守恒定律,也被称为热力学第一定律,指的是一个封闭系统的能量保持恒定——如果没有外界的干扰,它既不能增加,也不能减少。宇宙本身是一个封闭的系统,所以存在的能量的总量一直是不变的。然而,能量的形式是在不断变化的。
当物理学家首次提出量子理论时,他们意识到原子中的电子可以从一个能级跳到另一个能级,释放或吸收光。一百年前(1924年),尼尔斯·玻尔、汉斯·克莱默斯和约翰·斯莱特认为这些量子跃迁“暂时”违反了能量守恒。根据物理学家的说法,每次量子跳跃都会释放或吸收能量,只有平均起来能量才会守恒。爱因斯坦强烈反对量子力学违反能量守恒的观点。事实证明他是对的。几年后,物理学家完善了量子力学,科学家们明白,尽管每个电子的能量可能会在概率阴霾中波动,但电子及其辐射的总能量在该过程的每个时刻都保持恒定,能量是守恒的。能量守恒是一条绝对的定律。
[ 光反射定律 ]
你能够看到镜子里的映像,是光的反射定律在起作用。
光线被认为以非常可预测的方式行为。一束光线接近并在一个平面镜上的反射行为,遵循一个可预测的法则——反射定律。图2说明了反射定律。
图2 反射定律
当一束光线照射到镜面或任何物体(抛光、光滑、闪亮的物体)上时,会产生被称为“反射”或“光的反射”的现象。
在图2中,到达镜子的光线称为入射光线(图中标为I),离开镜子的光线称为反射光线(在图中标为R)。在光线射到镜子的入射点,可以画一条垂直于镜子表面的线。这条线称为法线(在图中标为N)。法线将入射光线和反射光线之间的夹角,分成两个相等的角度。入射光线与法线之间的角度θI称为入射角。反射光线与法线之间的角度θR称为反射角。
反射定律指出,当一束光线从一个表面反射时:(1)反射角等于入射角。(2)入射光线、法线光线和反射光线都位于同一平面(称为入射面或子午平面)上。
[ 平面镜映像 ]
为什么平面镜会形成映像呢?映像的形成是因为光从物体上以各种方向发射出来,其中一部分光(我们用光线来表示)到达镜子,并按照反射定律反射出来。每一束这样的光线都可以向后延伸到镜子后面,在那里它们会在一个点相交(即图像点)。眼睛位于任何其中一束反射光线上的人,都可以顺着这条光线观察到映像——即物体的投影。
当眼睛检测到平面镜反射的光线时,大脑会假设我们看到的是进入眼睛的光线延伸的交叉点(图3)。在平面镜的情况下,我们看到的图像称为虚像。虚像是在光线实际无法到达的位置形成的图像。镜子(无论是平面镜还是其他镜子)产生的虚像位于镜子后面,但那里不是光线真正的来源——光实际上并没有穿过镜子到达另一侧的那个位置,但对于观察者来说,光似乎是从这个位置发出的。
图3 平面镜形成的映像的特征
平面镜形成的映像的特征有:(1)平面镜获得的映像总是虚像。(2)虚像大小和对象的大小相等。(3)虚像与镜子之间的距离和对象与镜子之间的距离相同(图4)。
图4 虚像到镜面距离与对象到镜面距离相等
[ 平面镜映像左右颠倒了吗?]
举起你的右手,镜子中的映像看似举起它的左手。如果你拿一本书到镜子前面,把封面朝向镜子,封面的书名字也是看似左右颠倒的(图5)。
图5 镜子里的映像看似左右颠倒(左图片来自网络)
对象中每一点到镜面的距离与其映像到镜面的距离是一样的。所以整个物体的镜像就是相当于镜面的对称。也就是说,垂直镜面的方向上两者倒置了,或者说是镜子里的映像是前后倒置的。
但为什么镜子里的映像看似左右颠倒了?作为一个例子,当你拿着一张写有字母串“LCR”的透明塑料纸牌对着镜子时,字母串“LCR”在镜子里看起来会和平时一样(图6左)。但是,如果你把字母串“LCR”写在一张白纸上,你必须把它翻转过来(背对着你)才能在镜子里看到它(图6右)。当你把纸翻转过来时,你把纸的右边翻转到左边,左边翻转到右边。这就是为什么写在纸牌上的字母似乎是倒置的。当你把书的封面朝向镜子,封面映像也是看似左右颠倒的,其原因与此相同。
图6 镜子没有左右颠倒字符串
水面(湖面或江河面),也会形成对象(如,山峰、森林或建筑物)的倒影。例如,在大理三塔倒影公园内,可望见崇圣寺三塔及其在湖面的倒影(图6左);而在反射湖(Reflection Lakes)畔,可望见雷尼尔雪山(Mt. Rainier)及其在湖面的倒影(图6右)。“倒影公园”和“倒影公园”名字起得好,名副其实。崇圣寺三塔位于大理古城西北2公里的苍山应乐峰下,雷尼尔雪山位于西雅图市区东南方向大约108 km处。
图7 水面映像(图片来自网络)
[ 结语 ]
平面镜映像是常见的东西,但其背后隐藏有深刻的科学原理。我们都知道光线在镜面或水面确实会反射。实际上,光在玻璃、水或其它介质中传播的确切细节相当复杂,涉及到光与传播材质相互作用的量子力学描述。关于光的本质,即它是粒子还是电磁波,几代物理学界巨头们曾经有过激烈的争论。几个世纪以来,这种神秘而难以捉摸的现象让科学家们感到困惑。粗略地说,光同时具有粒子和电磁波的特性,但不是两者的所有特性。它由以波状模式传播的光子组成。光作为电磁场的振荡,它与材料中电子的电荷相互作用,导致电子电场的振荡。反射光起源于介质中的振荡电荷——入射光使电荷振荡,振荡子产生反射光。
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GMT+8, 2024-12-23 19:12
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