在坐標平面上,一道光線通過原點 $O$ 後,沿著 $y$-軸射向直線 $L: y=\dfrac{1}{2}x+1$,碰到直線 $L$ 後,假設光線依光學原理(入射角等於反射角)反射後通過 $x$-軸上的 $R$ 點,則 $R$ 點的 $x$-坐標為____。(化成最簡分數)
詳解
光線沿 $y$ 軸($x=0$)從原點向上。
直線 $L: y=\dfrac{1}{2}x+1$。交點:$x=0$ 代入得 $y=1$,故命中點 $H(0,1)$。
入射方向向量:$\mathbf{v} = (0,1)$
$L$ 的方程式可寫為 $x-2y+2=0$,法向量 $\mathbf{n}=(1,-2)$,單位法向量 $\hat{n}=\left(\dfrac{1}{\sqrt{5}},-\dfrac{2}{\sqrt{5}}\right)$。
反射公式:$\mathbf{v}' = \mathbf{v} - 2(\mathbf{v}\cdot\hat{n})\hat{n}$
$$\mathbf{v}\cdot\hat{n} = (0,1)\cdot\left(\dfrac{1}{\sqrt{5}},-\dfrac{2}{\sqrt{5}}\right) = -\dfrac{2}{\sqrt{5}}$$
$$\mathbf{v}' = (0,1) - 2\left(-\dfrac{2}{\sqrt{5}}\right)\left(\dfrac{1}{\sqrt{5}},-\dfrac{2}{\sqrt{5}}\right) = (0,1) + \dfrac{4}{5}(1,-2) = \left(\dfrac{4}{5},-\dfrac{3}{5}\right)$$
反射線參數式:$(x,y) = (0,1) + t(4,-3) = (4t, 1-3t),\ t \ge 0$
交 $x$ 軸($y=0$):$1-3t=0 \implies t=\dfrac{1}{3}$
$$x = 4\cdot\dfrac{1}{3} = \dfrac{4}{3}$$
故 $R$ 點的 $x$ 坐標為 $\dfrac{4}{3}$。