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漫谈平面镜反射 精选

已有 6212 次阅读 2024-2-2 07:08 |个人分类:读书札记|系统分类:科普集锦

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 ]

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300000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)。

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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,所以存在的能量总量一直是不变的。然而,能量的形式是不断变化的。

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,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

[ 反射定律 ]

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反射行为,遵循一个可预测的法则——反射定律。2说明了反射定律。

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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”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)产生虚像位于镜子后面,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。

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3 面镜形成的像的特征

平面镜形成的像的特征有:(1平面镜获得的映像总是虚2大小和对象的大小相等。3与镜子之间的距离和对象与镜子之间的距离相同4

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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?]

举起你的手,镜子中的映像看似举起它的手。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)。

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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”的透明塑料纸对着镜子时,字母串LCR”在镜子里看起来和平时一样6左)但是,如果你把字母串LCR”写在一张白纸上,你必须把它转过来(背对着你)才能在镜子里看到它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

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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。

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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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