光的反射

李赞

光学是物理学中的重要内容，也是生活中常见的科学现象。《义务教育小学科学课程标准》中要求的学习内容有“光在空气中沿直线传播；行进中的光遇到物体时会发生反射，会改变光的传播方向，会形成阴影”。对光的认识和利用便利了我们的生活，光影的无穷变化更是形成了生活中的五彩斑斓，为我们增添了很多情趣。因此光学类展品也是科技馆中不可缺少的项目。

光在均匀的同种介质中会沿着直线传播，但当它传播到不同物质时，在两种物质分界面上会改变传播方向又返回原来物质中，这种现象被称为反射。光遇到许多物体的表面都会发生反射，平行光线射到凹凸不平的表面上，反射光线射向各个方向，这种反射叫做漫反射，我们平时可以看到眼前的物体就是由于光的漫反射；平行光线射到水面、玻璃等光滑表面上时，反射光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射。

潜望镜

平面镜是生活中最常用的镜面反射工具。光线经过平面镜反射后，光线的延长线交点形成一个被称为镜像的虚像，这个镜像的大小与物体的大小相等，镜像和物体到平面镜的距离相等，所以镜像和物体相对镜面来说是对称的。

平面镜的这种成像特点，使它经常被用来当作观察工具，使我们看到不方便直接观察的景象，比如牙科医生用来检查口腔的小鏡子。通过两组镜面的组合，还设计出了潜望镜。潜望镜是战场上常用的军事装备，可以从海面下伸出海面或从低洼坑道伸出地面，用来窥探海面或地面上敌方的活动，常用于潜水艇、坑道和坦克内用以观察敌情。

中国科技馆2层“光影之炫”展区中有一件“潜望镜”展品（图3左），它由两部分组成：一是高高竖起的潜望镜，上面的平面镜角度可由观众通过操作按钮实现调节，潜望镜主体能水平转动，观众可以利用它观察到迷宫以外的景象；二是搭建潜望镜，外观类似一个装置着大型棋盘的墙面，观众可以转动调节10个可旋转反射角度的反射镜，将激光光源发出的光线沿着自己设计的路线反射到目标模型上，触发音响播放音效。

早在公元前2世纪，中国古代人民就发明了潜望镜。汉代初年成书的《淮南万毕术》记载道：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”就是说，墙顶高处悬挂一面镜子，正下方放一盆水，这种简易的潜望镜可以用来潜望四周的景象。中国科技馆“华夏之光”展厅中根据这段话的描述复原了古代潜望镜模型（图3右）。这个装置是世界上最早的潜望镜，它虽然很简单，但意义却非常深远，近代所使用的潜望镜都是根据这个原理制造的，只是利用现代科技结合了望远镜、夜视仪等功能，进一步提升了观察效果。

窥视无穷

中国流动科技馆中有件经典展品“窥视无穷”，也生动展示了光的反射特性。展台上一个窗口中可以看到一个花朵模型，观众按下按钮点亮灯光后，立刻出现了一系列灯光带组成的深邃通道，一眼望不到尽头，花朵模型亮起后也变成了长长的一列花朵；当转动转盘时，深邃的通道还会摆动起来。

这个神奇的通道是怎样出现的呢？原来这个灯箱的底部是一片普通平面镜。窗口使用的玻璃叫做“半透半反玻璃”，它是在透明玻璃板上镀上很薄的一层铬制成的，这层金属涂层可以使一部分光线透过而另一部分反射回去。2片玻璃之间的灯带和花朵模型亮起来的时候，观众可以通过半透半反玻璃看到灯带和花朵的实物，以及灯带和花朵在背面平面镜反射形成的第1个镜像；当这些光线经过半透半反镜时，一部分光线又会被反射回去，在背面的平面镜后更远的位置形成第2个像，如此循环往复，形成无数个系列镜像，无穷无尽，直到光线衰减，眼睛无法辨别。因为光的传播速度非常快，我们不可能感受到这个反射的过程，而只能看到最终形成的效果。当转动转盘时，底部的平面镜会发生倾斜，这种轻微的转动通过逐次反射而放大，造成每次反射形成的镜像位置移动，形成通道摆动的错觉。

这种连续反射的现象古人早有记载，如唐代路德明在《经典释文》里注解《庄子·天下篇》时说：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴，则重影无穷。”意思是：一面镜子的反射光线遇到另一面镜子，就会再一次反射；两镜之间经过几次反复，镜中不仅有实物的像，还有像的像，因而能看到许多的像。这段话证明了古人对反射规律的探索和认识。

如果在半反半透镜背后隐藏一个屏幕，就能帮我们实现童话中“魔镜”的效果（图5），现在已经有这种产品面世。当“魔镜”背后的显示器熄灭时，没有光线透出，看起来就像传统镜子。当显示器亮起时，显示的画面就会通过镜子表面透出来，仿佛镜子变得智能。如果将这种镜子放在卫生间，每天早上洗漱的时候，就能一边做好卫生清洁，一边了解智能助理报告的天气资讯、路况报告、日程提醒等，是不是未来感十足呢？