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镜中的蜡烛

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一面镜子可以让房间看起来更大,这真是一件奇怪的事;但镜子又是那么平常的一个物件,以至于我们很少思考它的奇妙之处。它们不知道有什么魔法,凭一个小小的平面就能将三维的世界吸入其中、并且完美地复制。我们都在潜意识里上了它的当,感到镜面的另一端还有一个三维的空间存在。我们当然清楚这是幻觉,但大脑如何会被镜子反射的光线欺骗?一只点燃的蜡烛就能告诉你大脑为什么上当,向你展示许多复杂的光学原理。


关键概念

图像

视觉图像

透射

反射

视觉幻象


背景

我们眼见的事物分为两类:一类是发光的物体(比如你的电脑屏幕),它们自己发射出光线;另一类是被照亮的物体(比如你的键盘),它们反射其他光源发射出的光线。眼睛通过接受发射或反射的光线看到物体,在大多数情况下,进入眼睛的光走的都是直线,换句话说,光线在你与你看到的物体之间穿行时没有任何障碍物。

像镜子这样的强反射性表面,是这普遍规律的一个例外。大部分镜子由透明玻璃在背后涂上一层反射性的金属制成。因为涂层有很强的反射能力,镜中会出现一个“图像”(可见物体一个明显的“复制品”)。反射图像和实际物体并不在同一个位置,所以图像具有欺骗性。如果搬一把椅子到镜子面前,一眼望去,镜中的映像和你面前的物体一样真实。

所谓的“平面镜”欺骗性更强。平面镜成虚像,看起来像是躲在镜面背后的某个物体发射或发射光线形成的。有一些表面,不需要背后的金属就能有镜子的效果。听起来有些迷糊?别着急,我们将在下面的活动里弄清这些概念。我们将观察光在一个透明表面上的透射和反射作用,通过观察镜面背后形成虚像那真实、可见的空间,学习和光有关的知识。


材料

·两只蜡烛

·用来点蜡烛的打火机或火柴(小朋友请在大人的协助下操作)

·透明的CD盒

·黑暗的表面(往桌上铺一件黑色的T恤就可以了)

·一对完全一样的东西(可选)


准备工作

1 找一间关上灯以后非常黑的房间

2 在光线在布置好你的黑色表面

3 把CD盒的内页取出来,只留下一个透明的壳子

4 小朋友点蜡烛的时候一定要小心,大人必须在场



步骤

1 打开屋里的灯,将CD盒打开成90度角,窄的那一边立在桌子上。

2 在CD盒靠近你自己的一侧摆一根没点燃的蜡烛,确保能看到反射出蜡烛的像,你觉得成像的空间位置在哪里?为什么会这么想?

3 将另一支蜡烛放在透明CD盒盖子的另一侧,调整蜡烛的位置,使它刚好和第一支蜡烛的像重叠。

4 透过CD盒,从不同的角度观察第二支蜡烛。你能看到第一支蜡烛反射出的像吗?像的位置有没有和第二支蜡烛的位置错开过?

5 从桌面的正上方,向下观察两支蜡烛的位置。相对于横在中间的CD盒盖子,两只蜡烛的位置有什么特别?

6 轻轻把第一支蜡烛向旁边推一点点,反射的像出现了什么变化?

7 移动第二支蜡烛,使它和第一支蜡烛的像重叠。

8 关掉灯,点燃距离你较近的那支蜡烛,观察反射的映像,你看到了什么?

9 你可以把刚刚这套把戏表演给别人。不要让他们看到你的准备过程。观众会从点燃的蜡烛的一侧看到在盒子另一面成的像,这时,你可以把手伸到另一侧,在映出火焰的位置摸一摸。到时候,观众看到你触碰火焰,手却没有受伤,一定会非常吃惊。

10 不要观察反射出的映像,直接在CD盒盖的两侧摆放一对其他一模一样的东西,尽量让它们和彼此产生的映像重叠。用其他的东西代替简单的蜡烛,摆放的过程要容易一些。提示:想想刚刚的两支蜡烛是怎么摆的?它们相对于镜面的位置在哪里?


观察和结果

当你点燃一支蜡烛,从镜面的一侧观察另一侧时,进入你眼睛的光线有两种,一种是对面那只没有点燃的蜡烛反射的光,另一种镜面反射出的、燃烧的蜡烛发的光。反射的光线产生了一个虚像,像的位置在透明镜面的后方。

我们认为虚像存在于镜面的后方,是因为大脑本能地认为所有入射眼睛的光线的光路都是笔直的。虚像是燃烧的那根蜡烛发出的光线从镜面反射形成的,然而大脑自动将这条折起来的光路“撑直”了,于是,我们看到的虚像就立在了镜子的后面,刚好和没有点燃的那支蜡烛重叠起来。形成虚像的光线并不是穿过了镜面到达你眼中的(你看到的光线始终都在镜面的这一侧),但看起来却完全像是对面有一支蜡烛在燃烧!

第一支蜡烛的成像可以和第二支蜡烛完全重叠,这得益于光线的一个独特的性质:叠加。我们见到的光线,可以由多个源头同时发出的光线组合而成。如果一个发光的源头比另一个亮上许多,我们就只看得到光线较强的那个东西。夜晚发亮的东西(比如星星)不见得在白天也那么亮,就是因为这个道理。

所有表面都能反射和透射光线。像玻璃这种特别透明的物体,只能反射5%的入射光线,其他95%都直接穿过去了——这就是透射。当你在黑暗的房间里点燃一支蜡烛,一部分光线穿过了CD盒透明的盖子,另一部分则反射了回去。即便盒盖只能将火焰亮光的5%反射回去,这也足够在盒子的另一侧制造一个燃烧的幻象,虽然它原本是一支火焰的虚像和一颗没有点燃的灯芯的重叠。

人们早已懂得了用虚像,来创造特定的舞台效果。“佩珀尔幻象”就是一种专门的技术,迪士尼鬼屋里的食尸鬼就是这么造出来的。这个19世纪中期开始使用的方法,到了今天并没有发生多大变化,这真是太令人诧异了!


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