[興倫智能課堂] 光的反射

第一節光線和光束

光束是甚麼？

從日常生活的經驗中，大家有沒有留意光是如何傳播的？陰天的時候，望向遠處的雲間，偶爾會看見穿過雲間的光。這一道光，在光學上稱為光束。如果我們細心觀察光束形態，便會發現光束的邊緣是直線（）。由此可知：

在同種的均勻介質中，光是直線傳播的。

這裡所指的介質，於情境中就是空氣。在日常生活中我們經常把光說成「光線」或「光束」，又或者「一束光」。然而在光學上，光線和光束的意思是不同的（）：光線 (light ray) 就是纖細的光束；光束 (light beam) 則是由無數光線組成的。我們會用光線圖來表示或記錄光的傳播方向（）。如所示，光束可根據其形態分為：

平行光束：平行光束的兩邊是平行的。平行光束中每條光線都以相同的方向傳播，互相平行。
會聚光束：離光源愈遠，會聚光束就會愈窄，然後會聚於一點。會聚光束中的光線會愈來愈密，會會聚於一點。
發散光束：離光源愈遠，發散光束就會愈闊，仿似由後方某一點散射出來。會聚光束中的光線會愈來愈疏。只要把光線向後延長，就會發現光線會在光源的位置相交。

光束的生活例子

光束

iii

光束的邊緣為直線，這表明光乃直線傳播。要看見東西，就要有光線射進眼睛內。但是從雲間射出來的光並不是射向我們的眼睛，為何我們會看見它呢？原來當光束射向空氣中，它會被懸浮在空氣中的塵埃和微粒反射（參考 i - iv）。部分被反射的光，會射到我們的眼睛。若空氣中充滿了微粒和塵埃，眼睛便接收到光束經過的空間中每點反射過來的光線，令我們看見光束的形態

在光學實驗中，我們常觀察光線箱射出來的光線，找出光的特性。例如雷射光源發出來又幼又直的光束，就是光線

(a)

(b)

在光線圖中，光的傳播方向是用一條中間帶有箭頭的直線來表示，而這條直線也代表光線。當要表示光束時：(a) 可以用多條光線來表示，如平行光束便可用一組平行線來表示；(b) 我們也可以在光線之間填上顏色來表示光束

如何看見物體？

我們能夠看見物體，原因是眼睛感覺到來自物體的光線。那麼光線的來源是甚麼？在光學上，物體可以分為發光體及非發光體（見）：

發光體是的物體；
非發光體是的物體。

雖然非發光體不能發光，但來自光源的光線在物體上會出現反射，再進入我們的眼睛。接下來，我們要瞭解光線是如何從物體射到眼睛的。無論物體是否會發光，都可以把它考慮為由無數點的光源組成。由於每點光源會向四方八面發出光線（(a)），所以只要眼睛向著物體，就能接收到部分由光源射出的光束。因為物體表面上每一點都會發出或反射光線，即所有從物體射到眼睛的光線就如(b) 所示。要表示從物體射到眼睛的光束，可只畫出物體上下兩端發出的光線來代表，如(c) 和 (d) 所示。

細心留意(c) 的話，會發現從物體上點光源射進眼睛的光束，似乎是發散的。然而，這是當物體與眼睛很接近時的情況。事實上，當物體距離眼睛愈遠，到達眼睛的光束的發射程度便愈小、愈趨平行。由此推演可知，從很遙遠的物體射來的光束則是平行的（見）。

光束的發散程度

(a)

(b) 如何看見發光體？

(a) 太陽、火焰、電腦顯示器等，都是發光體；樹木、月亮、電腦鍵盤等，就是非發光體。日常生活中，我們見到的物件很多都是非發光體。(b) 當發光體發出的光直射到眼睛，我們便會看見發光體了。(c) 非發光體雖然不會發光，但能夠把光線反射。當眼睛接收到被非發光體反射過來的光，便能看見非發光體。不過，若在缺乏光源的環境中（如漆黑的房間內），我們便看不見非發光體了

(a)

(b)

(c)

(d)

(a) 從一點光源射到眼睛的光束乃成圓錐形，所以這部分的光束稱為光錐。光錐的底部，大小跟瞳孔一樣。因為物體表面上每一點都會發出或反射光線，所以當眼睛注視著一件物體時，物體上所有射到眼睛的光錐就如圖 (b) 所示。(c) 為了簡化光線圖，通常只會用物體上下兩端發出的光束代表所有光錐；(d) 有時我們只會畫出物體上下兩端發出的光線，再進一步簡化光線圖。

(a)

(b)

(c)

(d)

(a) 當物體很接近眼睛時，由物件射到眼睛的光束是發散的；(b) 當物件處於較遠的位置，眼睛接收到的光束發散程度就會較小；(c) 當距離愈遠，到達眼睛的光束就會愈趨平行；(d) 而從很遙遠的物體射來的光線，例如由星星或太陽射來的光，雖然當初是發散的，但到達眼睛時就會變成平行。所以我們可以說，來自無限遠的光束是平行的。