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武际可 镜子发明得非常早。据说埃及在公元前3000年就已经用青铜做镜子。中国在公元前500年也已经出现青铜镜。我们这里只讨论作为反射光的镜子，而不谈透镜。 考古发现，中国的铜镜不是凸的就是凹的，平的很少。 中国古代的镜子有两种。一种是凹面镜，用来反射日光取火的，也称为阳燧。另一种是凸面镜，用来照人的。 《古今注》：“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。”从物理光学知道，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》是晋朝人崔豹写的。其实，春秋战国时代的著作《墨经》上，已经有关于镜的光学解释。 在我国，用来照人的镜子为什么要做成凸的呢。这恐怕有两重原因。第一，凸镜的视野比较大。用平镜照人，人必须站在镜子的正前方，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，而看到的是旁边的景物。凸镜的视野比较宽，照镜人稍微偏离镜的正前方，在镜中也可以看见自己。正因为凸镜有这个优点，所以现今在汽车上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。 凸镜的另一个优点是像比实物小，于是为了看比较大的场景，镜子可以做得小。我们知道，在平面镜中，要看清楚一个人的全身，镜子得做得有半人高，要看清楚人的面孔，镜子也得做得有半张面孔大。在古时候，铜是仅次于金和银非常贵重的金属，我国古代的货币都是用铜铸造的，拥有更多的铜，意味着有更多的货币。所以在铸镜时，为了要节约铜，同时又要使镜子能够照见面孔或全身，显然把镜子做成凸镜是非常合乎这种要求的。所以通常我们看到的古镜，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。 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是各不相同的。有多少裂口，就有多少不同的断茬。人们根本没有办法复制。就是用现代技术也很难复制得一模一样。据唐朝孟棨著的《本事诗》中记载一则实事：南朝陈将亡，驸马徐德言预料乱中夫妻会分离，便把一面镜破为两块，夫妻各执一块，以便以后相认时，做为信物。（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，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。”后来终于夫妻得以团圆。后来“破镜重圆”的典故就是这样来的。 用玻璃做镜，是很晚的事。古代，玻璃只能少量生产，比较贵重，只能作为装饰品。称玻璃为“琉琳”、“流离”、“琉璃”或“月明珠”等。13世纪之后，首先在意大利发明了大批生产玻璃的方法。到15世纪就出现了玻璃做的镜子。我国的铜镜直到清代才逐渐被玻璃镜取代。随着近代工业的发展，现在做镜子用的材料，除了用玻璃外还用铜以外的其他金属和塑料。 用玻璃做的镜子一旦出现，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都用玻璃镜贴面，不一而足。 前面介绍的，不管是平面镜、凸镜还是凹镜。都有一个共同的缺点，就是照镜时，人得站在镜子的正前方。凸镜略好，不过人对镜子正前方的偏离也不能过大。有没有一种镜子，允许人对正前方有很大的偏离，还能够照见人呢。也就是说，不管光线从镜子的什么角度射来，镜子都能够把光线沿着原来的方向反射回去。 有的，这种镜子称为回射器（retroreflector）。把三张平面镜相互垂直地粘结到一起，形成一个角锥。就像空间坐标系的一个挂限一样。这个镜子的角锥就是一个回射镜。人只要处于角锥内部，不管在什么地方，都能够看见自己完整的像。也就是说，处于角锥内部的任何一束光线，经过角锥的反射，会沿着与原来入射的方向平行地反射回来。 按照上面做的回射镜，虽然有不在乎人所处的地方的优点，但是由于在平面镜的交线不容易做得十分精密，所以照出的人影，身上有几道线，很不舒服。所以人们并不用它来照人。而是用它来把射来的光线反射回去，一般便称为回射器，也称为逆反射器。 通常自行车尾部都装置一个小的用塑料做的回射器。它是由许多小格组成的，每一小格都是三个相互垂直的平面镜。这样，在自行车后面行驶的汽车，就可以凭借自己的车灯，很远就会发现前面的自行车。因为自行车上这个小小的回射器可以把汽车车灯的光线反射回汽车的方向，不管汽车和自行车相对位置怎样。因为回射器的主要功能并不是要照物体的像，只要大致能够把光线沿原路反射回去就行，不必做得十分精密。 回射器使用得是很广泛的，我们知道在高速公路上是没有路灯的，汽车夜间行车，速度很快，完全是靠各种回射器所制成的路标、文字、指示牌来行车的。有一些路标就是用和自行车尾部的回射器一样的原理制造的。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，是用依靠另一种原理制成的回射器。这原理是一个折射率较高的透明球体对于入射的光，总会有一部分经过全反射沿原来方向反射回去。例如露珠、雨滴、玻璃珠，都有这种本领。你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。于是人们就想办法在涂写路标的油漆中添加极细的玻璃珠，其直径在不到一毫米，甚至细到直径只有若干微米。用这种油漆写的字，对光线就有回射的本领。如果再使用有一定反射能力的油漆本底，则这种涂料对光线的回射比例会更大。 由于在高速公路上采用了各种回射器做的路标。所节约的路灯能量是相当可观的。 利用回射器还可以进行精密的距离测量。1969年美国阿波罗登月计划中，把一架回射器放置在月亮上，后来从地球上向回射器发射激光，再从地球上接受回射的光。通过测量光线通过的时间，可以精确地计算出月亮与地球的距离。其精确程度，误差不超过6厘米。此外在测量人造卫星的轨道、测量地球上较大的距离，以及精确地测量光速也都充分地使用回射器。月亮与地球的距离非常远，如果用平面镜，那么放在月亮上的角度误差就要求非常高，否则从地球发出的光线经过反射后就会回不到地球上，或者回到不方便的地方。现在用回射器，就没有放置精度的问题了。 镜子的功能，是对光线进行简单的反射。而回射器的功能，是将光线从哪里来再送回哪里去，显然要复杂一些。为了制造简单而效率很高的回射器，仍然是现在应用技术研究的重要课题。 注：这篇文章最早发表在笔者的科普文集《拉家常 说力学》高等教育出版社2008年出版。 |
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