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物理人生

光的风情万种成全美事

—光的反射,折射和干涉

吳慕乡 刘丽红

 

  沒课的时候,我经常会骑着腳踏车穿梭在大同大学周边的大街小巷里,吃饭买东西或跑跑银行,或到邮局办事。这么多年了,四周环境有什么闭着眼睛都知道,但就在几年前,发生了一件事让我不再随意骑车任意穿梭了。
  那天趁着下课空档去邮局办事,沒想到人很多,等到走出邮局大门看看表已经有些晚了,心想着该快点赶回去,因着心急腳下也就不自觉地愈踩愈快,沒想到就在转弯处忽然迎面而来一辆轿车,一声“唧—”刺耳的剎车声划破了宁靜的小巷,很多人都探头察看议论纷纷,双方都紧急剎住了车,还好沒有正面撞上,沒有发生严重的意外算是不幸中之大幸,但由於当时情況太紧急,骑着腳踏车的我居然只大力地按住前剎车,结果冲力太大整个腳踏车居然翻转了一百八十度,我的手掌还因此受伤花了好长一段时间才恢复过来。
  相信我们都曾有过在巷弄里骑车或开车的经验,本来就应该小心行经,若因一时大意造成不测实在是得不偿失,但如果能防患於未然,除了自身遵守交通规则外,政府相关单位若能在路口转弯处立一个大大圆圆的凸面镜,相信也能及时提醒路人小心来车。
  这面凸面镜的作用就是运用物理中光的反射原理。

到处都有光

  光在哪里?
  天亮了,因着太阳光,我见到你,你看到他,我们可以看到上帝所创造的万物;天黑了,月光借着太阳光的反射仍然可以使你我看见;加上路灯,街上霓虹灯,家里一盏又一盏的照明灯,即使在黑夜一样如在白昼,我们仍然可以看得一清二楚!古时,穷人沒钱点油灯,有人凿壁借光,也有人抓许多萤火虫,一样可以发出微弱的光;另如火把,蜡烛,手电筒都是光。
  光会反射(reflection),折射(refraction)和干涉(interference),与我们的日常生活息息相关。

光的应用一:面镜

  譬如,许多女士们皮包中都会有一个小小的化妆镜,可以照照脸补补妆什么的,又如很多人会在家门口的玄关处放个落地大镜子,出门之前可再打理一下自己的仪容,这是“平面镜”,利用光的反射原理,也就是入射角等於反射角所造成的结果。而平面镜在我们的生活中用得可说是相当频繁,除了可以反照出我们的外表外,深思其意更能带出深刻的警惕:以人为镜;你我都互为一面镜子需时常反省,咀嚼错误失败之处,彷彿拿着无形的橡皮擦,随时发现错误立即擦掉,古云:“三人行必有我师焉”,就是这个道理。曾在一个喜宴场所,见到一对小兄弟突然打了起来,原来弟弟因贪玩不小心打破了餐厅的碗盘,读小六的哥哥见状动口大骂又动手打人,读五年级的弟弟反击,於是二人打了起来,旁人见状立即劝架拉开;不料,此时其父从外进来,不由分说地便上前给了哥哥一个耳光,口里也连珠砲地粗话大声骂。原本不解哥哥为什么会对弟弟如此不友爱,但一看到爸爸的举止行为,大家就都明白了;其实,这也是一种行为反射,大人往往就是孩子的一面镜。

  前述路口转弯处立上一面大大圆圆的“凸面镜”,也是利用光的反射原理呈像,虽然它所呈的像都是虛像,而且都是变小且变形,但因为它是凸面,可以接受更多角度入射的光,在巷道,山路或地下停车场交会的转弯,我们只需知道是否有人或车从转弯的另一端迎面而来,我们並不在乎镜中的像是否变形;又如大型公车前端的照后镜通常都会加装一个小小圆圆的凸面镜,是为了让公车司机更能看得清楚后门是否有人尚未上车,以避免因视觉死角,司机不明就里突然关门而造成不必要的危险和遗憾。

  而“凹面镜”也是利用光的反射原理造成之实像或虛像,如手电筒的聚光,汽机车的前灯都是利用将灯丝光源放置於凹面镜的焦点处,如此产生的光经过凹面镜的反射而形成平行光会把光照得更远,形成远光灯;若改变灯丝发光的位置,稍微离开凹面镜的焦点,所形成的光就无法投射得太远而形成近光灯。通常在开车行路时若对方有来车,为了不让光线直射对方驾驶眼睛造成危险,一般都会改为近光灯,这也是驾驶的规则和基本礼貌。

光的应用二:透镜

  一般日常生活常见的“凸透镜”和“凹透镜”,则是利用光的折射原理。光之所以会折射,是因为光在不同的介质中行进的速度不一样所造成的。凸透镜会汇聚光线,而凹透镜则会发散光线。


凹透镜会发散光线

  在号称“近视王国”的台湾,许多人都有近视,近视的原因是由於眼球增长,使远处的影像经过眼球聚焦后,呈像在视网膜前面,在视网膜上所呈现的影像因而模糊看不清楚。近视传统的矫正方式是配戴凹透镜(普通眼镜或隐形眼镜)来降低眼球的聚焦能力,其原理就是先将光发散,再经过眼镜聚焦而呈像在视网膜上;而远视眼则正好相反,因物体所成呈像在视网膜的后面,所以需要戴凸透镜,先将光线聚焦,再经过眼镜聚焦在视网膜上。

  总言之,如果沒有光的折射原理(或现象),人类的眼睛就沒得救了,许许多多的人看电视或物体都是朦朦胧胧的,对生活和工作均将造成相当大的影响,不仅熟识的朋友相见可能视而不见,生活也无品质可言了。
  真要感谢光在不同的介质上有不同的速度及带来的不同影响和帮助。

  “红,橙,黃,绿,蓝,靛,紫”的美丽彩虹,这是连幼稚园的学生都知道的自然现象,其原理则系空气中的雨滴,经过光的折射和反射原理形成的七彩。

光的应用三:干涉

  相信即使不用配眼镜的人多少也听过眼镜广告中的“多层膜”,但真正知道它比一般普通镜片需多花钱配置的道理在哪里的人卻是不多,通常一般普通眼镜只是一片凹透镜或凸透镜,而多层膜卻是利用光经过不同层薄膜的表面部分的光反射相加起来的结果,它叫做干涉,而每多镀一层薄膜,成本就随之增加。

  至於光的干涉作用,如果它是建设性的干涉(constructive interference,相长性干涉),反射光就会很強(相对的透射光就会很弱);如果它是破坏性的干涉(destructive interference,相消性干涉),反射光就会很弱。所以为了一些特強的效果,生活中的物体有些会加入多层膜来加強,如照相机的镜头会使用多层膜的透镜;另外,小朋友所吹的泡泡,肉眼所见五颜六色的泡膜,也是利用泡膜厚度的不同,因光的干涉现象,不同的光因不同的厚度造成反射光建设性的干涉所造成彩色的结果。


光的干涉原理

  光的干涉原理若是投射在人类的生活中,将不难发现其中端倪,因为人是不可能离群索居的,我们的生活常常彼此互相影响,若影响是好的(建设性的干涉)将会彼此加油加分;但若影响是不好的(破坏性的干涉),其负面的影响犹如在湖面上用力丟下一颗石头,其所激起的涟漪将会影响深远令人无法想像。如过去新闻中曾报道有一个小六的男学生,因受到网路色情的影响,不仅常常上色情网站浏览,还拨打长途色情电话到大陆,进而还想约小姐进行网路一夜情,在学校他也偷看偷拉女同学的裙子,出现了不少偏差的行为。为了他的将来,现在这孩子已被安排接受心理辅导了。
  曾听过一位老师分享辅导学生的一次特殊经验。他们学校的夜间部有一个留了长长头发的男同学,经常我行我素,甚至对教官或师长的指正不予理会,深觉头痛的教官常威胁要记他大过或以校规处置,他也不怕,后来一位老师把他叫进办公室,学生以为老师一定又要老生常谈训他一顿,沒想到,一进门老师推了把椅子亲切地叫他坐下,还倒了杯茶给他,当他满腹疑惑时,老师说话了。老师轻拍学生的肩膀,然后慈祥地说:“老师知道你有一个很好的优点,做老师的就是有责任要告诉学生,並要鼓励他好好发挥。”学生听到这里更疑惑了,“老师,从来都沒有人说我有什么特殊能力呀!”老师笑笑接着说:“有的,孩子,你有一种优点,就是坚持。一个人做事能从头做到尾是一件不容易的事,不是每个人都会的,你要继续保持将来用它来面对人生的挑战,成就你的事业。但是,像头发规定这种事是学校为了管理大部分的学生所规定的,可以不用这么坚持,我们要学习什么是该坚持,什么是不该坚持的,看来你的头发好像才刚整理过,孩子,不要这么急的去修剪,过几天再去好了。”结果第二天,学生就把头发剪掉了。
  这个老师在很自然的状況下突破了学生的心防,和学生用心的对谈,让他感受到老师对他的尊重和了解,这是老师对他建设性的干涉使他改变;反之,这个学校教官用威胁的方式和手段,只会令学生深恶痛嫉,有可能会反抗更強烈,而这就是破坏性的干涉。

  真的,衷心盼望我们能时常以人为镜,时刻谨守自守,保守我们的心胜过保守一切(光的反射),使接近我们的人都能因我们蒙福(光的折射),同时,对人对己皆能有其正面的影响(建设性的干涉),如此才能成就一切美善的事。

(选自作者著碰撞的火花在跳华尔滋—从物理看人生展翅天使团队出版)

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