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光学

平面镜

对每条入射光线验证反射定律 i=i′i = i',并确认平面镜所成虚像与物体关于镜面对称、等大、深度翻转。

初中

器材

  • 带有点物与法线的平面镜
  • 入射光线的“入射角”滑块
  • 可旋转 3D 图,显示入射、反射与虚拟延长光线
  • 突出对称像位置的第二幅图

实验步骤

  1. 测量入射角与反射角

    将“入射角”滑块从 5° 拖到 80°:每个位置比较反射光线与法线的夹角,验证 i=i′i = i'。记住两个角都从入射点的法线量起,而非从镜面量起。

  2. 用延长线确定虚像位置

    转到第二幅图:观察反射光线的反向延长线在镜后会聚于一点——虚像。在图上验证像与物到镜面的距离相等,因此物像间距是物镜距离的两倍。

  3. 区分实像与虚像

    旋转图形,看反射光束进入观察者眼睛:光线发散,仿佛从镜后的像发出。说明虚像的判据——无法用屏承接——并推断“深度翻转”性质:镜中衣服上的字呈左右反向。

模拟

实验历史

反射定律早已记载于欧几里得的《光学》(约公元前 300 年):入射角等于反射角。亚历山大的希罗(公元 1 世纪)更进一步,证明光在平面镜上反射的路径是最短路径——这是极值原理的早期形式。 1657 年,费马将此结果纳入“最短时间原理”,由此可同时导出反射与折射定律。平面镜的虚像在近代几何光学中被系统化,至今仍是区分实像——光线真实会聚——与仅存在于光线延长线上之像的标准范例。

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