从铜镜到回射器

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  镜子发明得非常早。大约公元前3000年左右,古埃及人就已经用青铜制作镜子。中国的青铜镜大约出现在公元前500年左右。
  凹面镜与凸面镜
  中国古代的铜镜有两种:一种是凹面镜,用来聚焦日光取火,也称阳燧;另一种是凸面镜,用来照人。
  在《古今注》中有这样的记载:“燧,铜镜也,以铜为之,形如镜;照物则影倒,向日则火生;以艾承之,则火出。”根据物理光学原理,我们知道,对于凹面镜,物体在镜子的焦距以外,物体的像是倒着的;如果物体在焦距以内,则会得到比实物为大的正像。《古今注》的作者是晋朝人崔豹。可见,那时人们已经了解了凹面镜的原理。其实,春秋战国时代的著作《墨子》上,已经有关于镜子的光学解释。
  那么,古人为什么把照人的镜子做成凸镜呢?这其中可能有两个原因。
  首先,凸镜的视野比较大。用平面镜照人,人必须站在镜子正前方才能照见;如果站得偏离前方,照镜的人在镜子中间就看不到自己,看到的只是旁边的景物。凸镜的视野比较宽,照镜人即便稍微偏离镜子的正前方,也可以在镜中看见自己。正因为凸镜有这个优点,所以现今汽车驾驶室边上装置的几面反光镜都是凸镜,汽车行进时,司机可以从镜中看到车左右和后面的景物。
  其次,凸镜中的像比实物小,这样一来,小镜子也可以看到比较大的场景。我们知道,要在平面镜中看清一个人的全身,镜子必须要做得很大才行,至少得有半人高;如果要看清楚照镜人的面孔,镜子也要做得有半张面孔大。古时候,铜是仅次于金和银的贵金属。所以,在铸镜时,为了节约铜的使用量,同时又要使镜子能够照见面孔或全身,把镜子做成凸镜显然是更经济的一种选择。我们通常看到的古镜只有巴掌大小,做得都很精致,上面还有各种纹饰或铭文。只有在皇家或权贵人家,才会有比较大的平面镜。
  铜镜与玻璃镜
  古代铸镜用的是铜锡合金,比较脆,在一块有棱的石头上一磕,就可能破碎成两块。我们知道,脆性物体断裂后的断茬各不相同,有多少裂口,就有多少不同的断茬。人们根本没办法复制,即使用现代技术,也很难复制得一模一样。在唐朝孟棨所著《本事诗》中记载了这样一件事:南朝陈将亡,驸马徐德言预料乱中夫妻会分离,便把一面铜镜破为两块,夫妻各执一块(一说是把两个半块镜子都给了妻子),并约定在正月十五到京城去卖,以通消息。其妻乐昌公主按预定之日托人到市上卖镜,被徐德言看见,买了下来,并托来人捎去一首诗:“镜与人具去,镜归人不归,无复嫦娥影,空留明月辉。”夫妻终得团圆,“破镜重圆”也成了一则典故。
  人类学会用玻璃做镜子是很晚的事。古代,玻璃的产量很小,比较贵重,只能作为装饰品。人们称玻璃为“琉琳”“流离”“琉璃”或“月明珠”等。13世纪之后,意大利人首先发明了大批量生产玻璃的方法。15世纪,出现了用玻璃制作的镜子。我国的铜镜直到清代才逐渐被玻璃镜所取代。随着近代工业的发展,现在做镜子用的材料,除了玻璃外,还有铜以外的其他金属和塑料。
图1.汽车上的反光镜

  用玻璃制作的镜子一旦出现,就有许多新花样,镜子也可以做得更大。穿衣镜、哈哈镜、探照灯用的抛物面镜、万花筒等,有的整座大楼的外部全是玻璃幕墙,不一而足。
  镜子的升级版——回射器
  根据前面的介绍,我们知道,不管是平面镜、凸镜还是凹镜,都有一个缺点,就是照镜子时,人得站在镜子正前方。凸镜略好,不过人的偏离角度也不能过大。有没有一种镜子,允许人对镜子有比较大的偏离,而且还能照见人呢?也就是说,不管光线从什么角度射来,镜子都能够把光线沿着原来的方向反射回去。
  答案是肯定的。这种镜子被称为回射镜。如图2所示。把3个平面镜相互垂直地黏结到一起,形成一个角锥,就像空间坐标系的一个卦限一样。这个镜子的角锥就是一个回射镜。人只要站在角锥内部,不管在什么地方,都能看见自己完整的镜像。也就是说,处于角锥内部的任何一束光线,经过角锥反射后,会沿着平行于入射方向的方向反射回来。
图2. 3个相互垂直的平面镜所组成的简单的回射镜

  回射镜虽然有诸多优点,但是平面镜的交线不容易做得十分精密,照出的人影上往往有几道线,看起来很不舒服。所以,人们日常生活中并不使用它们照人,而是用回射镜把光线反射回去。这种装置一般被称为回射器,也称逆反射器。
  通常,自行车尾部都有一个用塑料制作的小回射器。它由许多小格组成,每一格都是3个相互垂直的平面镜。在自行车后面行驶的汽车,可以凭借自己的车灯,很远就能发现前面的自行车。因为自行车上这个小小的回射器可以把车灯的光线反射回去,而不管汽车和自行车的相对位置怎样。
  回射器的用途非常广泛。我们知道,高速公路上是没有路灯的,汽车夜间行驶时,速度很快,完全靠各种回射器所制成的路标、文字、指示牌行车。有一些路标就和自行车尾部的回射器一样,汽车靠自己的车灯就可以辨别得很清楚。
  还有一些用油漆画的行车线和文字标牌,采用的是另一种原理制成的回射器。这种回射器的原理是:入射光照射一个折射率较高的透明球体时,总有一部分光线经过全反射后沿原来的方向被反射回来,如露珠、雨滴、玻璃珠等都有这种本领。背着阳光察看露水或喷雾器喷出来的水雾,会看到一个个闪亮的光点,就是这个原理。于是,人们想办法在涂写路标的油漆中添加极细的玻璃珠,其直径不到1毫米,甚至更小。用这种油漆写出的字,对光线有回射的本领。如果再使用具有一定反射能力的油漆本底,这种涂料对光线的回射比例会更大。
  利用回射器还可以进行精密的距离测量。1969年,美国的阿波罗登月计划中,一架回射器被放置到了月球上,地球上的人们向回射器发射激光,再从地球上接收回射的光。通过测量光线通过的时间,研究人员精确计算出月球与地球之间的距离,其误差不超过6厘米。此外,在测量人造卫星轨道、测量地球上较远的距离以及精确测量光速时,人们也都使用了回射器。
  镜子的功能,是对光线进行简单的反射;回射器的功能是将光线从哪里来再送回哪里去,显然要复杂一些。如何制造出简单高效的回射器,仍然是现代应用技术研究的重要课题。
  【责任编辑】赵
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