Question

光的反射和折射

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Answer 3

　　编辑本段光的反射规律
　　光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射（reflection）。 垂直于镜面的直线叫做法线；入射光线与法线的夹角叫做入射角；反射光线与法线的夹角叫做反射角。 在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内；反射光线、入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。这就是光的反射定律（reflection law）。 在反射现象中，光路是可逆的。
　　编辑本段光的反射基本概念
　　光的反射
　　光的反射
　　光的反射：光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象， 叫做光的反射。 理解光的反射定律
　　归纳
　　1在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内 2反射光线，入射光线分居法线两侧 3反射角等于入射角 可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等” 4在反射现象中，光路是可逆的 光的反射

　　编辑本段相对论
　　简单介绍
　　1.共面 法线是反射光线与入射光线的角平分线所在的直线。 2. 异侧 入射光线与反射面的夹角和入射角的和为90° 3. 等角 反射角=入射角。反射角随入射角的增大而增大，减小而减小。 4. 可逆 光路是可逆的 如图1（甲）中光线BO逆着原来的反射光线（图乙）的方向射到界面上，这时的反射光线OA定会逆着原来的入射光线AO的方向射出去。 5. 根据光的反射定律作光路图
　　做法
　　具体作法：先找出入射点，过入射点作垂直于界面的法线，则反射光线与入射光线的夹角的角平分线即为法线。若是确定某一条入射光线所对应的反射光线，则由入射光线、法线确定入射角的大小及反射光线所在的平面，再根据光的反射定律中反射光线位于法线的另一侧，反射角等于入射角的特点，确定反射光线。
　　反射概念
　　6. 镜面反射与漫反射 镜面反射：平行光线射到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。 漫反射：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。 镜面反射和漫反射都是遵循光的反射定律 7. 反射的知识
　　编辑本段平面镜反射的研究
　　性质
　　光线另一个重要的性质是反射。我国古代在这方面具有丰富的知识，在许多实际问题上都反映出来。 对人类来说，光的最大规模的反射现象，发生在月球上。我们知道，月球本身是不发光的，它只是反射太阳的光。相传为记载夏、商、周三代史实的《书经》中就提起过这件事。可见那个时候，人们就已有了光的反射观念。战国时的著作《周髀》里就明确指出：“日照月，月光乃生，成明月。”西汉时人们干脆说“月如镜体”，可见对光的反射现象有了深一层的认识。《墨经》里专门记载一个光的反射实验：以镜子把日光反射到人体上，可使人体的影子处于人体和太阳之间。这不但是演示了光的反射现象，而且很可能是以此解释月魄的成因。
　　成像
　　平面镜成像，就是光线反射的结果。我国古代在这方面是很有创造性的。最早的时候，人们用静止的水面作为光的反射面，当作镜子使用（图十二），这镜子叫做“监”。西周金文里的“监”字写起来很像一个人弯着腰向盛有水的盘子里照自己的像。这说明在三四千年前，就盛行着利用水面反射成像的方法。到了明清时代，一些穷苦人家也还使用着“水镜”。《儒林外史》里写的胡屠户，不是要他那个官热太盛的女婿范进，去撒尿照照自己的形容吗？这话虽不大雅，但还是一种水镜的遗制，胡屠户决不是发明者。到了周代中期，随着冶炼工艺的进步，才渐渐以金属反射面代替水镜，这才在“监”字的边旁加以“金”，成了“鉴”或“鉴”，就是现在大量出土的所谓铜镜了。至于玻璃（反射）镜，那就更晚了。
　　墨经
　　关于平面镜反射成像规律的研究，在周代后期就在进行了。《墨经》中就指出：平面镜成的像只有一个；像的形状、颜色、远近、正倒，都全同于物体。它还指出：物体向镜面移近，像也向镜面移近，物体远了，像也远了，有对称关系。这个总结是完全正确的。
　　编辑本段球面镜反射的研究
　　球面镜
　　春秋战国时代，还出现了球面反射镜，即所谓球面镜。根掳反射面呈凹形和凸形的不同，分为凹球面镜和凸球面镜。物体置于镜前，能在镜中成像。凹球面镜还能使一束平行光线反射后交于一点，这一点叫做焦点。凸球面镜是发散镜，那焦点是个虚焦点。由于太阳光线中带有热能，聚于一点投到物体，不但亮度大，而且发热多，能使物体温度升高而着火。 在西洋，传说古希腊时候，罗马人开了大队兵船去进攻叙拉古，当时的物理学家阿基米德（西元前二八七至二一二年）曾用一面巨大无比的凹面镜对着太阳，把光线聚于兵船上，烧掉了它，因而取得战争的胜利。当然这只是传说而已。在我国古代，凹面镜确实实在在是人们一种主要的取火工具。
　　用来取火
　　我国远在周代就知道利用这种反射现象来取火。那时把这种取火用的凹面镜叫做“阳燧”。《庄子》里面就记载说：“阳隧见日，燃而为火。”到了西汉的《淮南子》里就进一步指出，用凹面镜对日取火，艾草之类的引火物，放的位置既不能离镜太远，也不能太近。这里实际上就是指出，艾草必须置于焦点之上。在东汉时候，人们对于光的反射知识更加丰富了，了解到除了专用的阳隧外，凡是呈凹球面状的反射面，只要摩擦得足够光亮，都可以对日聚焦取火。当时有人就用金属杯子的底部，对日聚焦取火，也还有用别的。这都表现了人们认识范围扩大了。对于凹面镜对日聚焦取火的原理，宋代沈括作了分析。他在《梦溪笔谈》中说：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚于内，离镜一二寸，大如麻菽，着物则火发，此则腰鼓最细处也。”意思是，阳燧反射面呈凹形，对着太阳，光线经反射都聚于一点（即焦点），这一点距镜面一二寸，像芝麻豆子那么大，落到物体上就会发火，这一点好像是腰鼓最细的地方。这里把球面镜反射光线的情况正确地描述出来，并且对焦点和焦距都进行了描写。尤其是能指出焦点之所在，正像是腰鼓最细的地方，生动具体，使人们容易懂。据沈括说，当时这一类学问的研究叫做“格术”，既构成了专门学问，那一定是非常深入的，只是已经失传了，很是可惜。
　　相关题目
　　发光体置于球面镜前，光线经球面镜的反射，也能成像；这同平面镜反射成像是同样的道理，但情况要复杂得多。我国古代在这方面的研究有惊人的成绩，尤以《墨经》的记载为最早，而且达到了很高的水准。凸面镜成像的情况比较简单。不管物体放在镜前的什么它方，所成的像总是正立的缩小的一种。《墨经》只用“鉴团，景一”四个字把它总结了，意思是镜面呈凸形（团即凸），所成之像只有一种情况--一个像。至于四面镜，成像的情况要复杂一些。物体在球心以外，反射所成的像是缩小倒立的，在球心和焦点之间，可以用屏接着。物体在球心和焦点之间，所成的像是放大倒立的，在球心之外，也可以用屏接着。物体在焦点以内，所成的像是放大正立的，在镜的后面，无法用屏接着。《墨经》有这样一段记载：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外内。”“洼”即凹，“鉴洼”就是指凹球面镜。“中”是指球心至焦点这一段。《经》文的意思是说：物在“中”之外，即球心以外，成的像是“小而易”，即缩小倒立的；物在“中”之内，即焦点至镜面之问，成的像是“大而正”，即放大正立的。这样，好像还漏掉一个“大而易”的像。其实并不是的。原来《墨经》作者有他们特殊的实验方法，即把观察者自己的身体当作物体。观察者从远处向镜面走来，当他还在球心以外，就看见自己的“小而易”的像；当走过了球心，进入球心和焦点之间（即“中”），理应有一个“大而易”的像，但在球心以外，即观察者的身后，所以看不见；再前进，走过了焦点，又看见自己“大而正”的像了。如此说来，这条记载是完全忠实的，正确的。不仅如此，直接由观察者去看自己的像，是一种很有意义的实验方法。隔了两千多年之后，即在本世纪初，号称世界最高学府的英国剑桥大学的物理试卷上，曾有过类似内容的题目。
　　实验
　　凹面镜呈像实验，沈括也做过；他把自己的手指当作物体，从镜面开始慢慢移去。他说：“以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”沈括记载得很忠实。当手指在焦点之内，所成的像是一个正立的虚像。当手指渐渐远离镜面，移至焦点时，成像在无穷远，就“无所见”了。当手指移至焦点之外，就成为倒立的实像了。沈括的实验方法，同《墨经》所记的实验不同，他把物体与观察者分开，因而能够发现一个特殊点（即焦点），它是正像和倒像的分界点。这是一个十分重要的进展。此外，沈括还指出凹面镜成像和针孔成像有某些相似之处，并且用生动易懂的比喻来说明物与像的位置的相对关系，以及针孔和焦点的作用。这些都说明了沈括对问题研究的深入。
　　研究
　　沈括还以他的科学素养，指出使用凸球面镜中存在的一些问题。当时有人发现有些古镜呈凸球面状，不懂此中奥妙，就把它磨平。沈括认为这是错误的。他指出，古人铸造反射镜，大镜子就呈平面，小镜子就呈凸面。凹镜照出人脸的像要大些，凸镜照出人脸的像要小些。用小镜看不到人脸的全像，所以把它做得稍凸一些，以便使人脸的像变小。这样，镜子虽小，仍然可以照见完整的人脸。造镜子时要考虑镜子的大小，以决定增减镜子的凸起程度，使人脸的像和镜子的大小相称。这个说明是完全正确的，反映出沈括能够利用自己的科学知识，解决生活中的实际问题，表现了一个科学家结合实际的正确态度。 我国古代研究球面镜的当然还不止这些，这里再举出一个人来，就是清代的虞兆隆。他在《天香楼偶得》中，批评沈括对凹球面镜成像的解释“亦未分明”。他用自己家藏的凹面镜做实验，发现那像“迫近则正，稍远则闪烁无定，再远之则皆倒矣，但所照甚为模糊，不若近照之明显。”他见到了几种情况，开始是正立的虚像，当物接近焦点时，像就“闪烁无定”了，过了焦点直至无穷远“则皆倒”。物在焦点以外所成的倒立实像比较“模糊”，确是事实。看来，他的观察是更仔细了。不但如此，他不满足于沈括用“中间有碍”那样抽象而笼统的解释。提出用“转照”的说法来解释凹面镜成像的倒立、模糊等现象。虽然虞兆隆的解释不见得十分正确，但却具体一些。
　　编辑本段透光镜的研究
　　透光镜
　　说到反射，不能不介绍一下我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。不但我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，我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
　　我国现在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，沈括家藏一面透光镜，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，由于铸铸时薄的她方先冷，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，也看到有点动汤，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，我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，红黄蓝加起来就是白光 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）
　　编辑本段光的反射实验
　　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。
　　参考资料

　　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。

　　光的折射定律
　　1、折射光线和入射光线分居法线两侧
　　（法线居中） 2、折射光线、入射光线、法线在同一平面内。（三线一面） 3、当光线从空气斜射入其它介质时，角的性质：折射角小于入射角；（在空气中的角总是大的，注：不能在考试填空题中使用） 4、当光线从其他介质射入空气时，折射角大于入射角。（以上两条总结为：谁快谁大。即为光线在哪种物质中传播的速度快，那么不管那是折射角还是入射角都是较大的角） 5、在相同的条件下，入射角越大（越小），折射角越大（越小）。 6、折射光线与法线的夹角，叫折射角。 P.S.： 1、光线垂直入射时，折射光线、法线和入射光线在同一直线上。 传播方向不变，但光的传播的速度改变。 2、在光的折射中，光路是可逆性的。 3、不同介质对光的折射本领是不同的。空气＞水＞玻璃(折射角度）｛介质密度密的角度小于介质密度稀的角度｝ 4、光从一种透明均匀物质斜射到另一种透明物质中时，折射的程度与后者分析的折射率有关。 5、光从空气斜射入水中或其他介质时，折射光线向法线方向偏折。 6、光垂直射向介质表面时，传播方向不变。
　　编辑本段特殊情况：全反射
　　光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。光由光密媒质进入光疏媒质时，要离开法线折射，如图所示。当入射角θ增加到某种情形（图中的e射线）时，折射线延表面进行，即折射角为90°，该入射角θc称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反回光密媒质（如图f、g射线），此现象称为全反射。
　　这就是光纤通信的原理。只有在光线从水或玻璃射向空气时才会产生。
　　编辑本段生活联系
　　1、鱼儿在清澈的水里面游动,可以看得很清楚.然而,沿着你看见鱼的方向去叉它,却叉不到.有经验的渔民都知道,只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到. 鱼叉叉向的是鱼的虚像。而若使用激光枪射鱼，要瞄准所看到的像的下方，因为光线在水中也会发生折射。 从上面看水,玻璃等透明介质中的物体,会感到物体的位置比实际位置高一些.这是光的折射现象引起的，光在水和空气的界面上发生折射，折射光线远离法线方向，人们根据光沿直线传播的经验，逆着折射光线看去就会看到物体上方的虚像。 2、由于光的折射,池水看起来比实际的深度浅.所以,当你站在岸边,看见清澈见底,深不过齐腰的水时,千万不要贸然下去,以免因为对水深估计不足,惊慌失措,发生危险. 3、把一块厚玻璃放在钢笔的前面,笔杆看起来好像"错位"了,这种现象也是光的折射引起的. 原来玻璃能将光速减慢35％，当光从空气传播到玻璃中，速度就会变慢，并改变传播的方向，笔杆看起来就好像"错位"了。 4、渔民在叉鱼时，总是往下叉，这是因为光从水面到空气发生了折射；某人在水中看岸上的树时，看到的树要比实际的位置高，这是因为光从空气到水面发生了折射，折射光线向靠近法线方向偏折。 5、海市蜃楼是因为光的折射造成的。 6、一枚硬币放在杯底，把杯子移动到眼睛看不到的地方，往杯里倒水，就能看见硬币。这是因为光的折射。 7.清晨看太阳时，太阳变扁了。当太阳在地平线以下时，我们就可以看到太阳，是发生了光的折射。
　　编辑本段折射的物理本质
　　光是一种电磁波，在传播过程中有两个垂直于传播方向的分量：电场分量和磁场分量。当电场分量与传播过程中的每一个原子发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子荷重心发生相对位移。其结果是一部分能量被吸收，同时光的速度被增大，方向发生变化，导致折射的发生。。。