第四節 生活中的平面鏡
單向反射和漫反射


在風平浪靜的日子,到深山郊遊時,常會看到波平如鏡的湖泊,有如一塊很大的平面鏡,清晰反映岸上的景物()。但到海邊看日落的時候,在海面上看到的,只是一條長長的光影,而不是太陽和天空的倒影。為何會如此的呢?

我們可以進行一項簡單的實驗,觀察激光射到平面鏡及紙上的情況()。射到平面鏡上的激光,經反射後都仍會是一束纖細的光束。而射到紙張上的激光就會四方八面的散開。為何兩者會有這樣的分別呢?

一束纖細的激光可以看成一組平行光線。在激光射到平面鏡的情況(),由於平面鏡的表面十分平滑,當平行光線照在鏡面時,光線有一致的入射角。因為反射光線需符合反射定律,所以每條反射線的方向都相同。這現象稱為單向反射 (regular reflection)。相反,當平行光線射到紙張上、而紙張表面非常粗糙(),因為法線在粗糙面的不同位置上有不同的方向,所以在不同位置上入射角有所不同,令反射線的方向也不同。這現象稱為漫反射 (diffuse reflection)。基於以上對實驗結果的理解,可知在

      湖泊上的倒影現象由
  • 單向反射
  • 漫反射
所造成;
      海面上的光影現象由
  • 單向反射
  • 漫反射
所造成。

由於海面起伏不定,沒有平靜的一刻,來自太陽的光線射到海面上會發生漫反射,令到反射上來的光線方向不規則,改變了光束原本的形態,不能成像。因此,到海邊看日落的時候,我們只能在海上見到一條長長的光影,而看不見太陽的倒影了。


在一個水面平靜的湖泊,我們很清楚看到景物在水面上的倒影;然而在海邊,我們只能在起伏中海面上看到非常矇矓的太陽倒影
要觀察激光射到平面鏡及紙上的情況,可於充滿煙霧的玻璃箱內放置平面鏡 / 白紙後,讓一束固定的鐳射光射進玻璃箱內、並照射到平面鏡 / 白紙上。結果顯示,經平面鏡反射後的激光是一束纖細的光束;經白紙反射後的激光則向四方八面散開
用放大鏡看,平面鏡的表面十分平滑。一束纖細的激光,放大後可以看成一組平行光線。當光線以同一方向射到平面鏡上,入射角會相等。根據反射定律,每個反射角都相等,結果每條反射線的方向都相同,光束的形態沒有改變
當用顯微鏡觀察紙張的時候,就會發現紙張表面非常粗糙、凹凸不平。這種凹凸不平的表面,可以當成是由很多方向不同的鏡面組成。當平行光線射到這種表面上,雖然每條光線被反射時都依循反射定律,但因為位置不同的鏡面方向會不同,使到由同一方向射來的光線,被反射到不同方向。因此,當一束激光射到紙張時,反射光束會向四方八面散開,光束的形態徹底改變
多重反射


一塊鏡子會為物件造成一個像,那麼兩塊鏡子會做成多少個像呢?要找出答案,最直接的方法就是做實驗了。如所示,先豎立兩塊平面鏡,令它們互相垂直,接着把一件物件放到鏡子間,然後觀察鏡像,會發現:

      在兩塊鏡子中共計會出現
  • 1
  • 2
  • 3
個像。

這 3 個像中,其中左右兩個是實物的像。而中間那個,其實是左右兩個像的像,是光線經過多次反射造成的效果!

,兩塊鏡子乃互相垂直,即它們之間成 \(90{}^\circ \)。同學可以嘗試改變鏡子間的角度,如類似那般,改為 \(60{}^\circ \)、\(45{}^\circ \)、\(30{}^\circ \) 等,看看像的數目會否有甚麼變化!

所示為一種應用了多重反射的光學玩具,稱為萬花筒 (Kaleidoscope)。大家有玩過萬花筒嗎?只需往萬花筒的筒眼裡一看,就會見到萬花筒內色彩繽紛的對稱圖案()。轉動萬花筒的時候,還會見到這些圖案會不斷轉變,非常有趣!那麼萬花筒的原理是如何的呢?原來萬花筒內裝了幾塊平面鏡(見),平面鏡之間放了一些色彩繽紛的碎石或小珠。藉着光線於筒內鏡子的多次反射,那麼平面鏡就會造成很多鏡像,組合成一幅對稱圖案。


把一件物體置於兩塊豎直而互相垂直的平面鏡之間、然後從鏡子的前方觀察時,會看到多少個物體的像呢?
觀察一件物體於兩豎直而成若干角度的平面鏡中所造成的像時,若改變鏡子間的角度,能看到的像的數目也會出現變化
典型的萬花筒呈圓筒狀,圓筒裡放有三塊成角度的平面鏡。於圓筒的一端設有開孔的玻璃密封著,另一端置有色彩繽紛的小物件。使用者可從孔中觀賞到對稱的美麗圖案
若將萬花筒徐徐轉動,會出現另一種與先前不同的圖案。只要不斷地轉,圖案也在不斷變化。隨著萬花筒中鏡子的角度變化,影像的數目也隨之變化;影像重疊後形成各種圖案。換言之,不斷轉動萬花筒便能觀賞到不斷變換的圖案
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