平面鏡成像虛擬實驗 指南
物理初級閱讀時間: 3 分鐘
概述
每天清晨照鏡子時，你是否思考過：鏡子裡的「你」離鏡面有多遠？它的大小會隨你走近而改變嗎？平面鏡成像是幾何光學中最基礎也最有趣的現象之一。本實驗通過模擬蠟燭在平面鏡前的成像過程，帶你觀察並驗證像與物之間完美的「對稱美學」。
背景知識
- 早在公元前 2000 年，古埃及人和中國人就開始使用拋光的銅鏡。
- 傳說阿基米德曾利用巨大的鏡面陣列反射陽光，燒毀了進攻西西里島的羅馬戰船，雖然真實性存疑，但這體現了古人對光反射原理的深刻認識。
- 1835 年，德國化學家尤斯圖斯·馮·李比希 (Justus von Liebig) 發明了鍍銀玻璃鏡，使得高反射率的鏡子得以普及，現代光學實驗也因此受益。
核心概念
虛像 (Virtual Image)
反射光線的反向延長線交結而成的像。虛像不能呈現在光屏上，只能用眼睛直接觀察。
物距 (Object Distance, )
物體到平面鏡反射面的垂直距離。
像距 (Image Distance, )
像到平面鏡反射面的垂直距離。
公式與推導
平面鏡成像規律
像距始終等於物距。此外，像與物的大小相等（），它們的連線與鏡面垂直。
實驗步驟
- 1
觀察初始成像
實驗開始時，蠟燭位於鏡前。注意觀察鏡後出現的像。它是正立的還是倒立的？它是實像還是虛像？（提示：虛像通常用虛線繪出） - 2
探究距離關係
向左或向右拖動蠟燭，改變物距 。觀察像距 是如何變化的？試著在任意位置停下，比較 和 的數值。 - 3
驗證等大性質
調節「物體高度」滑塊改變 。觀察鏡中像的高度 是否隨之改變？當你遠離鏡子時，像看起來變小了，但這真的是像變小了嗎？ - 4
追蹤光路
勾選「顯示虛擬光線」。觀察光線是如何「進入」眼睛的。反射光線的反向延長線匯聚點就是像的位置。
學習目標
- 確認平面鏡所成的像是等大的、正立的虛像 ()
- 驗證像距與物距相等的定量關係 ()
- 明確像與物的連線垂直於鏡面這一幾何特性
- 理解平面鏡成像的本質是光的反射，遵循反射定律
生活應用
- 潛望鏡：利用兩個平面鏡改變光路，在隱蔽處觀察外部環境。
- 車輛後視鏡：雖然常用凸面鏡擴大視野，但車內後視鏡通常是平面鏡，用於判斷後方車輛的真實距離。
- 舞蹈房鏡牆：利用平面鏡成像擴大視覺空間，並方便舞者矯正姿態。
常見誤區
誤區
遠離鏡子時，我在鏡裡的像變小了
正解
錯誤。根據規律，像與物始終等大。你覺得變小了是因為「視角」變小了，類似於遠處的山看起來比近處的樹小，但山本身的尺寸並沒變。
誤區
平面鏡成的像是左右相反的
正解
確切地說，平面鏡成像是「前後倒置」的（手性翻轉）。因為鏡子把你前面的東西反到了前面，導致左右在視覺習慣上看起來發生了互換。
誤區
必須用厚玻璃做鏡子成像才清晰
正解
錯誤。厚玻璃的兩個表面（前表面和後表面鍍銀層）都會反射成像，導致出現重影（Ghosting）。精密光學實驗通常使用前表面鍍膜鏡（First Surface Mirror）。
延伸閱讀
準備好了嗎？
現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！