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光的反射（二）
2025-03-31
透光镜
说到反射，不能不介绍一下中国古代一件奇妙的镜子，那就是"透光镜"。"透光镜"的外形跟古代的普通铜镜一模一样，也是金属铸成的，背后有图案文字，反射面磨得很光亮，可以照人。按理说，当以一末光线照到镜面，反射后投到墙壁上，应当是一个平淡无奇的圆形光亮区。奇妙的是，在这个光亮区竟出现了镜背面上的图案文字，好像是"透"过来似的，故称"透光镜"。上海博物馆珍藏的一面西汉透光镜，背面有"见日之光，天下大明"八个字，甚至连同花纹都"透"在那个光亮区之中，清晰可见。这实在是令人难以设想的事。不但中国历代科学家都研究它，近代国外计多科学家也感到惊奇，把它叫做"魔镜"，纷纷研究它，企图揭开这个谜。在十九世纪一段时间曾引起热烈的讨论，但是都没有得到满意的回答。近几年，中国科学工作者运用现代科学技术手段对透光镜进行研究，获得了可喜的成就。
古镜记
中国出土的铜镜数量很大，其中秦以前的较多。但并没有逐枚进行"透光"试验，所以不能肯定这里面一定没有透光镜。在宋代，《浮生六忆》的作者沈括家里藏一面透光镜，背后的文字"极古"，以致连博学精深的他自己也不认识。可见，这不是一般的文字，可能是秦以前的东西。上海博物馆珍藏的一面已确定为西汉的遗物，西汉以后，民间能制造的逐渐多起来。到了清代，江浙一带的镜工也能制造出来，并传到日本。至于文字记载，清代的小说《古镜记》里，叙述到一面"古镜"，当"承日照之，则背上文画，墨入影内，纤毫无失。"这里说的显然就是透光镜了。宋代沈括对所藏的透光镜记载得十分详细，此后历代文人记载，题咏就更多了。
理论
铜镜是如何"透光"的？最早作这方面研究和记录的是沈括。他在《梦溪笔谈》里记载说："世上有一种透光镜……把镜子放在日光下，背面的花纹和二十个字都透射在屋壁上，很清楚。有人解释说，由于铸铸时薄的地方先冷，背面有花纹的地方比较厚，冷得较慢，铜收缩得多一些，因此，文字虽在背面，镜的正面也隐约有点痕迹，所以在光线下就会颗现出来。我考察了一下，认为这个道理是对的。我家有三个这样的镜子，又看见别家收藏的，都是一样，花纹铭字丝毫没有差异，样式很古，唯有这种镜子能够透光，其他一些镜子，即使是薄的，也不能透光，想必古人另有制造的方法。"这里面，沈括解释"透光"的原理，主要一点就是"文虽在背，而鉴面隐然有迹。"这是十分正确的。因为镜背有花纹，致使镜面也呈相似的凹凸不平，但起伏尽小，肉眼不能察见。当它反射光线时，由于长光程放大效应，就能够在屏幕上反映出来。这个道理，清代物理学家郑复光也作了十分贴切的说明。他指出：静止的水面是很平的，但经它反射的光线投到墙壁上，也看到有点动荡，就因为水面实际上存在起伏的波纹。这个说明是多么具体而确切，以致在本世纪二一十年代英国物理学家布拉格，讨论"透光镜"时，对这个问题也作这样类似的说明。
技艺
古人究竟用什么方法使铜镜的正面能有相似于镜背的花纹痕迹呢？据沈括记载，宋代以前的人认为，那是因为镜背上有凸出的花纹，故各处的厚薄不同，铸造时冷却有先后，收缩程度有差异，因此形成镜面"隐然有迹"。这个解释为沈括所同意，本世纪许多外国科学家也都表示首肯。1975年有人还用实验方法证明它是正确的。但是元代的一位考古学家名叫吾丘衍，提出另一种解释。他说是在镜面用另一种铜料嵌入一幅和背面完全相同的花纹图案，然后磨平，镜面就能"隐然有迹"。这样，镜面各部分反射光线的能力大小不一样，所以反射的光亮区中就可以看到花纹图案了。这个解释也是通的，而且吾丘衍曾亲自眼看到有人为了验证其说，不惜打碎一面透光镜来检查，证明属实。后来，明代科学家方以智，支持这个解释，并加以补充。言之凿凿，不容置疑。除了这两种制法以外，还有一种方法，就是铸成铜镜后，用一榻压磨棒在镜面上刮擦压磨，薄处受压磨，向一处稍微鼓起，压力去掉以后，这些薄处仍稍凸出，如以汞膏磨镜，更可使薄处稍稍膨胀而更加鼓起，因而镜面也就"隐然有迹"了。这个方法传到日本，他们至今还在用以制造出透光镜来。欧洲依法试制，也得成功。由上述可知，中国古代制造透光镜的方法是多种多样的。不管用那种方法，要制成功透光镜，工艺要求都是很高的。在古代能够做到这个地步，实在令人惊叹不已。可惜这种绝招"终秘不宣"，使透光镜的制作技艺失传，真是可叹！
不同光反射
8、光在反射时有一部分光会被物体吸收。
各光是有红、绿、蓝三色光按不同比例混合而成的。我们能看见的物体除黑色外都要反色光。白色物体反射所有光，看起来就是白色，灰色物体也反射各色光但只反射一部分。其他物体只要是什么颜色就反射能按一定比例混合而本色的光。
附：红光加绿光是黄光，绿光加蓝光是青光，红光加蓝光是紫光，红绿蓝加起来就是白光。
在白光通过三棱镜时，不同颜色的单色光的偏折程度不同，红光偏的最小，所以一盘在光屏成像时是在最上面，蓝最大。
透明体的颜色是由透过的光色决定的。（ 当光通过透明体时，透明体是什么颜色，就能透过什么颜色的光）
不透明体的颜色是由反射的光色决定的。（当光遇到不透明体时，不透明体是什么颜色，就能反射什么颜色的光）
实验
目的和要求
总结光射到物体表面上发生反射的规律：
1．反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧。
2．反射角等于入射角。
仪器和器材
光的反射演示器，其结构如图2．3－1所示，M是一块平面镜，镶在一块木板上，白色光屏E垂直固定在木板上，白色光屏F可以绕垂直于镜面的ON轴转动，E、F屏上画有以O为圆心的圆弧，上面标有刻度。
平行光源（J2501型光具盘的光源），低压电源（J1201型）。
【实验方法】
1．调整光源的位置，使一束光沿平面E内任一直线AO射到平面镜上的O点。绕ON轴转动平面F，寻求由O点反射的光线，只有当平面F和平面E在同一平面内时，才能在F上见到反射光线，平面F在其他位置时，F上都没有反射光线。得出反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧的结论。
2．平面F和E处在同一平面时，观察到光的反射，从E、F屏上读出入射角、反射角的值，得出反射角等于入射角。
3．在平面E内改变入射光线的角度，重复步骤2。总结得出反射定律。
4．先使平面F和E成任一夹角。转动光源的位置，在E平面内看到反射光线。转动平面E找到入射光线和法线所在的平面，加深对反射定律的理解。
注意事项
1．初中学生缺乏空间想象力，理解反射定律中线和面的空间关系是一个难点。实验过程中应注意帮助学生建立空间概念，直观地建立起光的反射图象。
2．入射光线是具有一定宽度的光带，为了在光屏上显示出光传播的路线，入射光带的轴线与光屏需成一个较小的角度。同样，反射光线也是具有一定宽度的光带，因此，当平面E与F有较小的角度时，光屏F上仍能有短的亮线。实验时要注意尽量减小光带的宽度，并且避开这个较小角度的位置，以免造成混乱。
实验要求
1．平行光源除了选用J2507型光具盘的光源之外，还可以用激光器、手电筒（要有较好的聚光效果）或日光。本实验对于光源还有两点要求：
（1）宽光束光源都需配用狭缝，通过狭缝取一细束平行光作为入射光线；
（2）能够改变投射到镜面上光线的角度。例如，取日光作光源，可以借助于一对平面镜Q1和Q2使一束日光投射到平面镜M上，稍稍移动并且转动平面镜Q2，可以使投射到O点的光线的角度改变（图2．3－2）。
2．光的反射实验也可用米勒仪（图2．3－3）或圆形光盘（包含在J2501型光具盘内）来做。由于这些仪器中的镜面可以绕入射点O转动，验证反射角等于入射角比较方便，但不易说明反射镜面、法线、入射光线和反射光线的空间关系。
提示：本小实验可辅以"光现象"部分的物理实验教学，以此培养和提高学生的实验能力和素养。
让光线逆着反射光线的方向射向镜面，可以看到，反射光线逆着原来入射光线的方向射出。
这表明，在反射时，光路是可逆的。
原理
光，也是一种波，光波的反射原因可以用著名的唯象理论惠更斯原理进行解释。
如右图，一列平行光波射向障碍物（或平面镜），a，b，c是这列光波的三条波线（光线），由于波线与障碍物有交角，所以a，b，c到达障碍物所用的时间不一样，波线a现到达障碍物的A点，过A做波线b和c的垂线，虚线AC。则当波线a传到A点时，波线b刚传到B点，波线c刚传到C点。波线a传到障碍物上的A点，会形成一个新的波源（即子波源A），并以圆周式向四面八方传播新的波线。假设c由C点传到障碍物的C’点所需时间为t，a，b，c三条波线的速度等完全一样，则波源A向四周在t 时间内传播距离（即圆A的半径）与波线b在t 时间内经过B点传到障碍物上的B’点再以子波源的形式向四周传播的距离总和（BB’+圆B’的半径）相等，都为CC’的长度（因为三条波速度相等，时间相等，所以传播距离也就相等）。此时过C’（P点）做圆A和圆B’的切线，切点为M，N，P（因为C’也会形成子波源，即将向四周发射波，只是此刻还未形成波面，所以C’点可以视为圆C’）。根据惠更斯原理，图中的蓝线为三个子波源A，B’，C’形成的三个波前的包络面（反射后形成的新的波前），所形成的新的波线永远垂直于包络面，则连接AM，B’N，C’（P）。AM，B’N，C’（P）的长度等于各自半径。
证明：射线AM，B’N，C’（P）就是三条波线a，b，c的反射波线
解：利用初中全等三角形证明，由于三条波线a，b，c彼此平行，所以∠1=∠BB’A=∠CC’A。因为在直角△ACP与直角△PMA中，AM=CP，AC’=AC’，所以Rt△ACP≌Rt△PMA（HL），所以∠1=∠CC’A=∠2，所以入射角等于反射角，以此证明波线AM确实是波线a的反射波线，同理可证波线BN，C’（P）也是反射波线。
上述过程解释了作为波的光线的反射原理。全反射光由光密（即光在其中传播速度较小的）媒质射到光疏（即光在其中传播速度较大的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。
当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象．当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角．当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射．所以产生全反射的条件是：①光必须由光密介质射向光疏介质．②入射角必须大于临界角．
临界角是折射角为90度时对应的入射角（只有光线从光密介质进入光疏介质且入射角大于临界角时，才会发生全反射）
实质
光波是一种高频的电磁辐射。光波与原子分子发生相互作用导致其传播方向的改变、相位及偏振变化，以及能量和能流的重新分配。
原子限度在Å量级，1mm2表面排列约107×107个原子。在光波交变电场作用下，界面上原子作受迫振荡，每个原子都是一个电偶极振子，形成面天线阵，由于干涉形成确定方向的辐射。正入射时，相当所有振元同幅同相激励，射束垂直于振面且有两条：一条称反射波，一条称折射波。斜入射时，相当于激励相位不同，类似于相控阵天线。
