第5章 光的直线传播、反射与平面镜成像
晚上关掉房间里的灯，你几乎看不清桌上的书；打开台灯，书立刻“出现”了。可书并没有发光，为什么光照到它以后，我们就能看见它？再想一步：镜子也不发光，镜中的你又是从哪里来的？
这些问题看似各不相干，其实都在追踪同一件事——光从哪里出发，沿什么路径传播，碰到物体表面后又怎样改变方向。把光路追清楚，影子的边缘、镜面的亮斑和镜后的“另一个你”就不再神秘。
光从哪里来，又怎样走到眼睛里
白天的太阳、点亮的灯、燃烧的火焰都能自己发光，它们叫作光源。萤火虫发光时也是光源；月亮、课本和没有点亮的反光条虽然能被我们看见，却不是光源，因为进入眼睛的光来自它们对其他光的反射。
这里很容易出现一个倒过来的想法：“我看见它，所以它一定在发光。”其实眼睛只是接收光。能看见一个不发光的物体，是因为光源发出的光照到物体，物体又把一部分光反射进眼睛。黑暗中看不见书，并不是书消失了，而是没有足够的光从书上进入眼睛。
判断时别只看物体“亮不亮”，要追问光最初从哪里发出。太阳、点亮的灯和正在发光的萤火虫能自身发光；月球、课本和平面镜即使看起来很亮，进入眼睛的光也来自它们对其他光的反射。
用手电筒照向空气，我们通常看不见一条完整的“光柱”；在有薄雾或粉尘的地方，却能看见明亮的路径。这不是光在干净空气里不传播，而是雾滴和微粒把沿途的光反射到眼睛里，让传播路径显现出来。研究光的路径时，物理学把一束很细的光抽象成一条带箭头的直线，叫作光线。直线表示路径，箭头表示传播方向。光线是帮助思考和作图的模型，不是空气里真实存在的一根细线。
大量现象和实验表明：光在同种均匀介质中沿直线传播。“同种”“均匀”两个条件不能丢。光从空气进入水中，介质发生改变，方向可能变化；空气各处性质不均匀时，光路也可能弯曲。因此，把结论简写成“光永远沿直线传播”就说得太满了。
你可以做一个安全的小实验：取三张带小孔的硬纸片，让三个孔和眼睛大致在同一直线上，在另一端放一盏小灯。三孔对齐时能看到灯；稍微挪动中间纸片，灯就被挡住。这个实验不能“看见光线本身”，却能根据光能否通过小孔判断光的路径。
先别急着把“沿直线传播”停在一句结论上。下面把光源变大、移动遮挡物或光屏，观察影子的边缘怎样变化：你会发现，清楚的本影和逐渐变暗的半影，都能从边界光线的位置中找到原因。
把实验台里的光源和遮挡物换成太阳、月球或地球，光路并没有换一套规律。判断日食和月食时，可以先不急着画复杂影区，只沿太阳光传播方向排好三个天体，找出谁在中间挡光。
光沿直线传播会留下很多熟悉的痕迹：
- 不透明物体挡住光，在它后方形成光照不到的区域，这就是影子。光源越大，影子边缘越可能出现明暗过渡；所以生活中的影子不一定都有刀切一样的边界。
- 日食发生时，月球运动到太阳和地球之间，遮挡了部分或全部太阳光；月食发生时，月球进入地球的影区。两者都能用光的直线传播解释，但遮光的物体和进入影区的天体不能弄反。
- 小孔成像时，物体上方发出的光沿直线穿过小孔后到达屏的下方，下方发出的光到达屏的上方，因此屏上得到倒立的像。只要孔足够小且屏的位置合适，孔的形状通常不决定像的轮廓，像的轮廓主要来自物体本身。
现在想一想：树下地面上有一些近似圆形的亮斑，它们是树叶间圆孔的“照片”吗？
不是。太阳光通过叶片间的小缝隙，在地面形成太阳的像。太阳接近圆形，所以亮斑也常接近圆形。这个判断常让人卡壳，是因为我们习惯把亮斑形状直接归给孔，却忘了小孔成像记录的是光源或物体的形状。
小孔没有把整幅图像“翻过去”，它只是让物体不同位置发出的光各走各的直线。上端发出的光穿孔后落到屏的下端，下端发出的光落到屏的上端，两组光路交叉，倒立的像就出现了。
再动手试一试：物距、屏距和孔径分别会改变什么？先作预测，再拖动滑块。要特别分清两个变化——屏距增大可能让像变大，而孔径增大通常会让像更亮却更模糊，它们不是同一件事。
解释影子、日食、月食和小孔成像时，都要先指出“光在同种均匀介质中沿直线传播”，再说明是哪一部分光被挡住或怎样穿过小孔。只写“因为光沿直线传播”而不对应具体光路，解释还没有完成。
光传播得极快，但不是瞬间到达。真空中的光速约为 ，也就是每秒约三十万千米；光在空气中的速度非常接近这个数，在水、玻璃等透明介质中会更慢。太阳光到达地球大约需要八分多钟，这提醒我们：抬头看到的太阳，其实是它八分多钟前发出的光。
光在真空中一年传播的距离叫光年。注意，光年是长度单位，不是时间单位。日常房间里的距离太短，光的传播时间小得难以察觉，但在宇宙尺度上就不能忽略。
光碰到物体表面以后
晚上走近一扇玻璃门，有时会突然看到自己的脸；白天从教室里看窗外，玻璃上的人影又不明显。玻璃并没有临时变成镜子，而是照到表面的光有一部分返回原来的介质。光从一种介质传播到另一种介质的分界面时，返回原介质的现象叫作光的反射。
要把反射说准确，需要先给光路中的几条线和几个角起名字：光射向反射面的那条光线叫入射光线，从表面返回的叫反射光线，光线到达表面的点叫入射点。过入射点作一条垂直于反射面的虚线，这条线叫法线。入射光线与法线的夹角是入射角，反射光线与法线的夹角是反射角。
最危险的陷阱就在“角从哪里量”。入射角和反射角都相对法线测量，不是相对镜面测量。若一束光与镜面的夹角为 ，它与法线的夹角就是 ，所以入射角是 。
改变入射光的方向并记录反射光，可以归纳出光的反射定律：
- 反射光线、入射光线和法线在同一平面内；
- 反射光线和入射光线分别位于法线两侧；
- 反射角等于入射角。
这三句话各有任务。第一条排除了反射光“翘出纸面”的可能，第二条说明两条光线分居法线两侧，第三条给出角度关系。只背“两个角相等”还不够，因为反射光线的空间位置没有确定。
下面的实验台允许你改变入射角，也可以先隐藏数值作出预测。操作时始终盯住法线：镜面转动时，法线也会跟着转动，角度的参照不能留在原处。
在真实的反射实验中，可以把平面镜水平放置，让白色可折纸板竖直立在镜面上，并使一束细光贴着纸板射向入射点。纸板的作用是显示光路和记录光线位置，不是反射面。沿光线描点、连线后，用量角器分别测量入射角和反射角；改变入射方向取得多组数据，才能排除一次测量碰巧相等的可能。再把反射光所在的半张纸板向后折，折起部分看不到反射光，展平后又能看见，这为“反射光线、入射光线和法线在同一平面内”提供了证据。
图中右侧把反射光画成较淡的延续，是在提醒你：纸板折起后，光仍沿原方向传播，只是纸板离开了光线所在的平面。看不见纸板上的光路，不能直接说反射光消失了。
实验中法线应先过入射点画好，角度都从法线量起；光束要贴着纸板，否则纸板上难以留下清楚路径。使用激光类光源时绝不能直视光束，也不能把光照向他人眼睛。记录时还要区分“没有光到达折起纸板”和“反射光不存在”：光仍按原方向传播，只是折起的纸板不在那一平面内，承接不到它。
如果让光沿原来的反射光线反向射向镜面，它会沿原来的入射光线反向传播，这说明在反射现象中光路是可逆的。司机从后视镜里能看见后座乘客时，乘客沿相同光路也能看见司机的眼睛，原因正是光路可逆。
有一个特殊情况很能检验你是否真的理解角的定义：光线垂直照到镜面时，它沿原路返回。此时光线与镜面的夹角是 ，与法线重合，所以入射角和反射角都为 ，不是 。
反射光路怎样画才不会“凭感觉”
已知入射光线画反射光线，可以按固定顺序完成：
先找到入射点，并过入射点作反射面的垂线，也就是法线。法线通常画成虚线，因为它是辅助线。
标出入射角，确认它是入射光线与法线之间的夹角。若题目给的是光线与镜面的夹角，要先用 减去它。
在法线另一侧量取相等角度，画出反射光线，并在线上补箭头，箭头必须离开入射点。
为什么先画法线？因为反射定律比较的两个角都以法线为共同边。很多错误光路看上去“挺对称”，却是关于镜面对称；真正需要的是入射光线和反射光线关于法线对称。
反过来，已知入射光线和反射光线求镜面位置，可以先作两条光线夹角的角平分线，得到法线，再过入射点作法线的垂线，得到镜面。作图完成后别急着收笔，沿箭头检查一次：入射光必须指向入射点，反射光必须离开入射点。
到了中考复习阶段，反射作图的失分往往不是不会定律，而是法线没垂直、角取错参照、箭头方向漏画。把“入射点—法线—等角—箭头”四步养成习惯，比靠目测可靠得多。
黑板为什么有时亮得看不清字
雨后的柏油路在车灯下特别刺眼，换个位置又不亮了；白纸从许多方向都能看清。差别不在于一个遵守反射定律、另一个不遵守，而在于表面情况不同。
光在光滑表面发生的反射叫作镜面反射。例如，一束平行光照到光滑平面上，反射后仍大致平行。反射光集中到某些方向，所以处在这些方向的人会觉得很亮，换个方向亮光可能立刻消失。光照到粗糙表面时，各处微小表面的朝向不同，反射光射向许多方向，叫作漫反射。我们能从不同方向看见课本、墙面和黑板上的字，主要靠漫反射。
注意图中粗糙表面旁的一小段段法线：它们的方向各不相同，所以反射光整体散开；若只盯住其中任意一个入射点，那里的反射角仍等于入射角。规律没有失效，改变的是各处微小反射面的朝向。
你可能会想：漫反射的光乱七八糟，是不是不再满足反射定律？注意，这是个陷阱。粗糙面只是由许多朝向不同的微小表面组成，每一小块上的入射角和反射角仍然相等。整体看起来散开，不等于局部没有规律。
黑板“反光”时，常常是较平滑的局部把灯光以镜面反射的方式送进某些同学眼睛，强光盖过了粉笔字的漫反射光。调整灯的位置、黑板角度或观察位置，都可能改善。这里的关键不是简单说“黑板太亮”，而是追问哪一路光进入了眼睛。
镜后的像，真的在那里吗
站在平面镜前向后退，你会觉得镜中的自己也在向后退；抬起右手，镜中人看起来像抬起了“左边”的手。更奇怪的是，伸手到镜后却摸不到那个像。镜子究竟做了什么？
从物体发出的光经过平面镜反射后进入眼睛。眼睛习惯按“光沿直线传播”反向追踪这些光，于是觉得它们来自镜后某处。反射光并没有真的在镜后会聚，镜后的像是反射光线的反向延长线相交形成的，所以叫作虚像。虚像能被眼睛看见，但不能用光屏承接。
“不能用光屏承接”是判断虚像的重要办法。把白纸放在看起来有像的位置，如果白纸上没有形成清晰图像，就说明实际光线没有在那里会聚。当然，观察者仍可能从纸旁边看见镜中的像，那是反射光继续进入了眼睛，不能把“眼睛看见”和“光屏承接”混为一谈。
平面镜所成的像有一组稳定特点：
- 像与物体的大小相等；物体远离镜面时，像不会变小，只是看起来的视角变小。
- 像到平面镜的距离等于物体到平面镜的距离。
- 像与物体的连线垂直于平面镜；整体看，像和物体关于镜面对称。
- 平面镜所成的是正立、等大的虚像。
把镜面当作对称轴来检查：像和物的对应点连线应垂直镜面，连线在镜面两侧的长度相等。这样既能判断像的位置，也能避免把“看起来远了所以变小”误当成像的实际大小改变。
“左右相反”是生活中的常用说法，但做物理判断时，“像与物关于镜面对称”更准确。镜面前后方向被对换了，你抬右手时，像中对应的仍是你右手的像；只是你把像想象成一个面对面的人，才会按对方的左右去命名。
用两支相同蜡烛寻找像的位置
直接用普通镜子做实验，只能看到像，却无法在镜后放置物体与像比较。于是我们用透明玻璃板代替平面镜：它既能反射一部分光形成像，又能透过一部分光，让我们看见板后的物体。这一选择不是为了“更亮”，而是为了同时看见像和用于比较的物体。
实验时把一张白纸铺在水平桌面上，玻璃板竖直放在纸上，板前放一支点亮的蜡烛 A。再拿一支外形完全相同但不点燃的蜡烛 B 放在玻璃板后，从玻璃板前侧观察并移动 B，直到从不同位置看它都与 A 的像重合。B 的位置就标出了像的位置，B 与像重合也说明像与物大小相等。
真实操作可用发光物体和不发光的相同模型替代明火。若使用蜡烛，要远离纸张和易燃物并由教师组织。实验环境适当调暗、玻璃板选得较薄，像会更容易观察，也能减轻前后表面反射形成两个像的干扰。
一次重合还不够。改变 A 到玻璃板的距离，多做几组，在纸上记录每次物和像的位置，测量它们到玻璃板的距离并比较，才能从多组证据归纳规律。若玻璃板没有竖直，像会偏向上方或下方，桌面上的 B 很难与像完全重合；若只在一个观察位置看着重合，换个位置却分开，说明B未真正放到像的位置。
完成位置和大小的比较后，移走 B，把白屏放到像的位置。无论怎样移动白屏，屏上都接不到蜡烛的像，由此验证平面镜成的是虚像。这里应先确定像的位置，再把屏放过去；随便在镜后晃一张纸，即使没接到像，证据也不充分。
下面的实验台把“找像—测距—放白屏”串成一条证据链。先移动比较物找到重合位置，再比较物距和像距，最后把白屏放到已经确定的像的位置；如果跳过前两步，白屏上的空白就不足以单独说明问题。
如果物体距平面镜 ，像就在镜后 ，物体与像相距 。当物体以 的速度垂直靠近镜面时，像也以 靠近镜面；两者之间的距离每秒缩短 。这类题最容易把“像相对镜面的速度”和“像相对物体的速度”混为一谈。
平面镜可以改变光的传播方向，也能扩大视觉空间。潜望镜利用两次反射改变观察光路；商店用镜面让空间显得更开阔；汽车后视镜帮助驾驶员观察后方。不过不同装置可能选用不同形状的镜面，讨论平面镜成像特点时，不能把各种镜子的效果混在一起。
现在回到开头：台灯发出的光照到书本，书本把光漫反射进眼睛，所以你能看见字；镜前的你把光反射到平面镜，镜面再按反射定律把光送进眼睛，眼睛沿直线反向追踪，才在镜后确定了虚像。下一章中，光不只是“返回来”，还会从空气进入水或玻璃并改变方向，那就是光的折射。
课后练习：沿着光路找证据
1
下列物体在通常情况下属于光源的是哪一个？
2
一束光与平面镜的夹角为30°，则反射角是多少？
3
发生漫反射时，各条光线不再遵守光的反射定律。
4
探究平面镜成像时，用透明玻璃板代替平面镜的主要目的是什么？
5. 光路作图。 一束光从左上方向右下方射到水平平面镜上的 O 点。请说明画出反射光线的完整步骤；若入射光线与镜面的夹角为 ，反射角是多少？
6. 实验诊断。 小明把玻璃板斜放在桌面上，移动蜡烛 B 时始终无法让它与蜡烛 A 的像完全重合。请指出最可能的原因和改进方法；为了判断像的虚实，接下来还应怎样做？
7. 成像计算。 身高 的同学站在竖直平面镜前 处。他向镜面走近 后，像高是多少？此时像与他相距多少？
8. 现象解释。 夜间骑车经过积水路面，迎面的车灯照来时，某些角度的积水特别刺眼，而粗糙路面相对柔和。请用本章知识解释，并说明骑车人为什么不应只说“水面比路面更会反光”。