生活中的光學(xué)現(xiàn)象分析

自然世界中有一種神秘而特殊的物質(zhì)—光，我們能夠通過眼睛欣賞世界，是由于我們所能看到的物體自身通過反射、散射或發(fā)射的光傳入了我們的眼睛，并得到了我們神經(jīng)系統(tǒng)的正確處理。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我們只有10%左右通過感官獲得的外部世界的信息不是通過眼睛。正是因為光與人類的生活和社會實踐密切相關(guān)，學(xué)也是最早建立和發(fā)展起來的學(xué)科之一。當然，科學(xué)家們對光學(xué)多方面的研究也是經(jīng)歷了相當長的歷史過程。光源，顧名思義，也就是任何能夠發(fā)出可見光的物體,太陽、螢火蟲等發(fā)出的光（自然光源），蠟燭、火焰、各種各樣的燈（人造光源）等所發(fā)出的光，都是我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ墓庠础９庠床粌H用來照明，在科學(xué)實驗中為了各種科學(xué)研究課題的需要，人們常使用形式多樣的特殊光源，尤其是在上世紀六十年代美國紅寶石激光器的成功發(fā)射，更是人們在探索光的路途中的一項重大里程碑。光學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用及光傳播的學(xué)科，物理學(xué)中所包含的重要的基礎(chǔ)學(xué)科之中，就有光學(xué)。同時，光學(xué)也有廣泛的應(yīng)用，比如為了設(shè)計各種光學(xué)儀器而發(fā)展起來的幾何光學(xué)，隨著科技進步，物理光學(xué)也開始嶄露頭角，例如一直以來作為精密儀器測量中的一個重要手段—光的干涉，以及實驗中我們經(jīng)常使用到的一種重要的分光儀器—衍射光柵，都是物理光學(xué)發(fā)展的成果。隨著光學(xué)的不斷發(fā)展，當代光學(xué)被廣泛應(yīng)用到通訊、信息處理、材料加工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、軍事等重要領(lǐng)域，有著光輝的前景。炎炎夏日將至，大家一定會有這樣的體驗：都偏于喜歡穿淺顏色的衣服，而不太愿意穿深顏色的衣服。這是為什么呢？有些人可能會認為淺顏色的衣服散熱好，其實事實并非如此。大家之所以在夏天喜歡穿淺顏色衣服，真正原因是淺顏色衣服吸熱較深顏色而言要弱很多。我們能夠看見物體所呈現(xiàn)的顏色，是因為它反射了對應(yīng)的可見光，就最極端的黑色而言，它不反射任何光線，光線全被吸收，包括紅外線，所以它獲得的能量最大，因而貼身感覺會比較熱。然而哈佛大學(xué)有一項有關(guān)研究表明：在炎炎夏日，穿黑衣服比白衣服更涼爽。很多人對此很疑惑，其實大家想想那些住在沙漠等地的阿拉伯人，他們的常年處于高溫炎熱的環(huán)境中，而他們卻穿著一身的寬大的黑色衣服，這也是他們適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。其真正的原理是：人體內(nèi)的熱量主要可以通過四種方式（蒸發(fā)、傳導(dǎo)、輻射、對流）向外消散，深顏色的衣服固然要比淺顏色的衣服吸熱多，這熱量與寬松的衣服構(gòu)成了形成對流的動力與條件，從而小范圍對流便在衣服內(nèi)產(chǎn)生，它可以將皮膚表面的熱量以及產(chǎn)生的一些汗液帶走并降溫（類似于水蒸發(fā)降溫），從而使人感覺到?jīng)鏊?。阿拉伯人的黑衣很寬大，因此可以產(chǎn)生相對較強的上述對流，我們夏天通常所穿的衣服并不是很寬大，所以對流不明顯，所以大多數(shù)人還是喜歡穿著淺顏色的衣服。我們每天都接觸的家具，很多與光學(xué)密不可分，比如大家肯定會注意到，我們經(jīng)常使用的臺燈，有燈罩的，燈罩內(nèi)經(jīng)常是涂有白色物質(zhì)而不是黑色或其他顏色的，這也是光學(xué)中的白色不吸收或吸收較少光線，從而使燈泡所發(fā)出的光能夠照亮一定的區(qū)域；還有我們熟悉的窗簾，在夏天我們經(jīng)常會拉上窗簾阻止太陽光直射到室內(nèi)，從而盡可能保持室內(nèi)涼快一些，而夏天我們的窗簾大都顏色較深，有的則涂有強反光物質(zhì)（類似于遮陽傘的涂層），這都是利用了光線能夠被吸收和被反射的性質(zhì)：深顏色的窗簾可以吸收白光的大量成份，從而只是使部分光線透過，起到保持室內(nèi)涼爽的作用；涂有強反光物質(zhì)的窗簾，和平面鏡類似，基本上不透光，起到了與上述類似的作用。接下來就光的一些主要性質(zhì)在生活中的體現(xiàn)做一些列舉與解釋。1生活中的光的直線傳播1.1日食、月食07年3月19日上午上班時間段，在我國的廣大地區(qū)都觀測到了日偏食；08年8月1日下午下班時間段，在我國西部、北部、中部地區(qū)均可觀測到日全食，而其他部分地區(qū)也不同程度地觀測到了日偏食；09年1月26日黃昏時段，在江蘇、江西、湖北等地均可以觀測到日環(huán)食；最近的10年1月15日下午，我國有九個多省份都觀測到了日環(huán)食。這些都是近些年來在我國可觀測到的各種日食，作為大自然的奇特景象，我們在欣賞的同時也不僅為之驚嘆。這奇特的自然現(xiàn)象，實際上主要是由光的直線傳播這一性質(zhì)引起的。2008年山西拍攝到的日全食圖像（引自即刻圖片）日食階段：①第一次接觸：觀測位置與半影第一次外切，進入半影，日偏食開始，初虧；②第二次接觸：觀測位置與半影第一次內(nèi)切，進入本影，日全食開始，食既；日全食階段（食甚）；③第三次接觸：觀測位置與半影最后一次內(nèi)切，離開本影，日全食結(jié)束，生光；④第四次接觸：觀測位置與半影最后一次外切，離開半影，日偏食結(jié)束，復(fù)光。圖1-1-1（引自即刻圖片）簡單來講，日食的產(chǎn)生就是由于光的直線傳播，地球、月球、太陽在同一直線，月球遮擋了太陽光導(dǎo)致的。一般情況下，日食是不容易產(chǎn)生的，能夠親身觀測更是機會難得。與日食相對應(yīng)的，是月食：當太陽、地球、月球三者恰好或幾乎運行在同一條直線上時，地球全部或部分地遮擋了太陽光，產(chǎn)生月食。月食的發(fā)生時間，經(jīng)常是在每個月的月圓前后，也就是我國傳統(tǒng)的農(nóng)歷十五左右，這是月繞地、地繞日的周期性規(guī)律決定的，并且月繞地軌道與日自身軌道在宇宙空間并非為同一平面，但這上述軌道在空間有兩個交點，只有在日、月均接近對應(yīng)的交點時方可形成一直線，因此月食也并非月月可見的。圖1-1-2（日食、月食形成示意圖，引自百度圖片）由于古代人們不了解月食的形成的原因，古書中常有把月食作為將有大災(zāi)難征兆的記載，而且當代很多的武俠小說中也將其視為陰邪事物發(fā)生的前兆，現(xiàn)在隨著科學(xué)的發(fā)展，我們已經(jīng)從科學(xué)的角度理解了其成因。1.2“影”的形成影子大家都不陌生，夏天在大樹的蔭影下乘涼，太陽下軍訓(xùn)站隊時的影子，小時候大人給我們玩的手影等，這些都是光的直線傳播引起的。陽光照射到大樹和人們的身上，由于樹和人都是非透明的實體，光沿直線傳播無法透過大樹和人，于是便形成了樹蔭和人影。同樣，燈光照到手上面，由于相同的原因便產(chǎn)生了手影。圖1-1-3（手影示意圖，引自即刻圖片）1.3光沿直線傳播在生活中的一些應(yīng)用作為光的一個基本性質(zhì)，光的直線傳播在我們的日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。比如士兵打槍瞄準、站隊時判斷隊伍是否整齊、駕車行駛時判斷是否直行等，這里主要介紹激光準直技術(shù)。我們知道優(yōu)良的方向性是激光優(yōu)于其他光的一大特點，激光準直通俗來講，就是以激光束作為基準，并配合其他物理光學(xué)測量法，測定一條直線上的點位偏離情況，激光準直儀主要根據(jù)這一原理制作。簡單來說，激光準直儀就是將其發(fā)出的準直激光束作為基準線，用于校準的測量儀器，激光器作為其光源發(fā)射系統(tǒng)，同時它還具有光電接收系統(tǒng)及配件。我們的工業(yè)生產(chǎn)生活中經(jīng)常有它的身影，它經(jīng)常用于測量平面的平整度、平行度、直線度以及長距離的孔、軸的同心度。傳統(tǒng)方法，耗功耗時，測量過程中不少因素都會影響到測量精度，并最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)的精度偏低，而現(xiàn)代激光準直儀，不需多人操作，受外界影響因素小，因而更加省工省時并且更為精確。國防工業(yè)、檢修公司、電力學(xué)校、火力發(fā)電廠、鋼廠、等重要的工業(yè)場所都經(jīng)常使用到它。2光的反射許多物體的表面對光均有一定的反射作用，通常有鏡面反射（通常較刺眼）和漫反射之分（通?？芍币暎Ｎ覀冎阅軌蚩吹綎|西，都是因為光反射到我們的眼睛中，再經(jīng)過我們的復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)處理在大腦之中形成的影像。圖2-1-1（引自《高中物理》3-4）2.1月球上的反射月亮，想必大家都不陌生，日食中有它月食中也有它，我國的傳統(tǒng)佳節(jié)--中秋節(jié)也有賞月的習(xí)俗，在晴朗的夜空欣賞柔和美麗的月亮，聯(lián)想嫦娥奔月的情景，確實別有一番風(fēng)味。月亮對于人類來說，是最大規(guī)模的反射現(xiàn)象，月亮作為地球的一個天然衛(wèi)星，本身不會發(fā)光，它只是反射太陽的光，所以我們才能觀測得到日食和月食（若月球會發(fā)光這兩種現(xiàn)象就不可能發(fā)生）。由于月球表面比較凹凸不平，主要發(fā)生漫反射，所以夜空中我們看到的月光相對柔和，沒有太陽光那么刺眼，因而能夠“賞月”。2.2植物中的反射我們能夠正確分辨一個物體的顏色，是由于我們所分辨的這個物體反射了其本身所具有的顏色，并得到了我們神經(jīng)系統(tǒng)的正確處理。我們生活中經(jīng)常接觸的綠色植物，正是由于反射了綠色，所以我們才能看到其為綠色。其內(nèi)部的主要原因是植物體內(nèi)的葉綠素主要吸收其他顏色的光而吸收較少量綠光所致，因而反射綠光的植物本身對綠光的需求不大，所以我們每天接觸的綠色植物并不“喜歡”綠色。2.3生活中光的反射應(yīng)用根據(jù)鏡面反射、漫反射特點，反射在我們的日常生活中有著極其廣泛的應(yīng)用。我們每天都接觸鏡子，正是有了光的反射，鏡子才可以把接收到的光反射過來，這樣人就可以在鏡子中看到自己的樣子。如果想使鏡子中所成的像變得有趣，只需把鏡面做的不平整即可，此時我們會觀察到鏡中所成像變得扭曲或拉伸，這便是哈哈鏡了。汽車后視鏡也運用了這個原理，我們注意到，汽車后視鏡是凹面的，這樣一來便會在鏡中形成縮小的像，從而大面積的景物在小小的汽車鏡面中都可以看到，擴大了司機視野。還有自行車的尾燈、公路上的標志牌、潛望鏡等都是光的反射應(yīng)用。圖2-1-2（自行車尾燈的鏡面反射，引自即刻圖片）3光的折射水中的筷子“斷了”、水中的魚變淺等都是生活中常見的光的折射。3.1海市蜃樓海市蜃樓是非常神奇又難得一見的自然景觀之一，在我國沿海省份的夏季經(jīng)?？梢钥吹酱似婢?在我國古代經(jīng)常被神化，其實它的的形成主要是由于光的折射和全反射造成的。氣溫較高時，海面上空氣的溫度，上層空氣要比下層高，且其密度也比下層小，因而有相對較小的折射率，因此我們可以假設(shè)海面上的空氣是一層層疊起的，折射率從下到上呈減小趨勢，當遠處的景物反射或發(fā)出的光線射向空中時，發(fā)生連續(xù)折射，致使進入上層空氣的光線的入射角呈連續(xù)增大趨勢，當達到一定角度時便發(fā)生了全反射，光線便在另一地點回到地面上，進入到人眼睛的光線便是遠處的景物，仿若飄于空中。如果柏油馬路上的溫度過高，我們常會觀察到前方景象飄忽的現(xiàn)象，這是由于熱路面的空氣層，上層空氣密度比貼近熱路面的空氣層要大，折射率情況與上述情況相反，但也具備發(fā)生全反射的條件，故而會產(chǎn)生類似通過火焰上層空氣看前方景象時的飄忽現(xiàn)象。3.2生活中的光的折射的應(yīng)用眼鏡、放大鏡、相機鏡頭、凸、凹透鏡等都是生活中常見的物品，這些都是光的折射在生活中的具體應(yīng)用。4光的色散4.1蔚藍的天空當光線射到非均勻性介質(zhì)中時，光的傳播方向由原方向偏向側(cè)方散開，這種現(xiàn)象被稱為介質(zhì)對光的散射。我們常說的晴空萬里是怎樣產(chǎn)生的呢？其實是由構(gòu)成大氣的各類分子以及懸浮于其中的一些微小粒子對白光的散射產(chǎn)生的。細微顆粒的散射遵循瑞利定律：散射光強度正比于波長的四次方的倒數(shù)。如左圖所示（圖片引自《高中物理》），后三個可見光的波長較短，最容易被散射，而前三個可見光的波長較長，不容易被散射；與此同時空氣自身的密度漲落對光也有一定的散射，尤其是大氣中氧氣的漲落引起的散射，大氣中氮氣占有最大比例，然而氮氣無色，而氧氣在一定物理條件下成淡藍色，故氧氣對天空呈現(xiàn)藍色也起到了一定作用。大雨過后或越晴朗的天空由于懸浮小微粒增多，散射變強，這就是天空更加藍的原因。如果空氣中由于汽車尾氣、工業(yè)廢氣等的增多，這些污染性氣體粒子尺寸較大，發(fā)生米氏散射，致使天空呈現(xiàn)青灰甚至灰白色。我們或許會觀察到，在夜晚即將來臨，沒有太陽后的天空，會出現(xiàn)深藍色，這其實是大氣中的臭氧層在起作用，它在離地球表面20至30公里的高空，截獲了太陽光中的黃色和橙色部分，讓藍光部分通過，直到所有光亮消失，所有的顏色才消失在夜色中。4.2彩虹彩虹也是光在自然界的一種美妙展現(xiàn)。雨后，在陽光的照射下天空有時會出現(xiàn)彩虹，而且在陽光下，在一些水霧較多的區(qū)域也會產(chǎn)生彩虹。在中學(xué)物理課中，有個使用三棱鏡的光的色散實驗，形成的彩色圖案與彩虹很相似，在不存在三棱鏡的空氣中是如何形成彩虹的呢？其實這是空氣中小水滴的功勞，小水滴起到了類似三棱鏡的作用，當空氣中小水滴很多時，相當于無數(shù)的微小三棱鏡在對白光進行色散，與三棱鏡不同的是：三棱鏡是通過“折射—分光—折射”展現(xiàn)分光的；而小水滴是通過：“折射—反射—折射”來展現(xiàn)分光的，最后大量的小水滴的分光效果經(jīng)過匯集就形成了彩虹。如果大家想在雨后能夠欣賞到彩虹，需要背對著太陽看，因為根據(jù)上述分析，彩虹的形成位置是與太陽正對的方位。我們有時會觀察到，在彩虹外側(cè)有一條顏色較暗的虹，其所成顏色與彩虹顏色的順序相異，我們常叫這條虹為副虹，副虹也叫霓，主虹是外紅內(nèi)紫，副虹是外紫內(nèi)紅，它的觀測視角較主虹大，其形成與主虹大致相同：經(jīng)過“折射—全反射—全反射—折射”而形成的。雨后彩虹常在夏季出現(xiàn)，這是由于夏季雨后空氣濕度大，太陽光強，能最大滿足彩虹形成條件。彩虹的顏色深淺以及色帶寬度與空氣中水滴的大小密切相關(guān)：空氣中的水滴越大，光學(xué)過程加強，所出現(xiàn)的顏色也就越深，而對應(yīng)的彩帶寬度卻會越窄；空氣中水滴越小時，則會出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。所以如果天空中有彩虹，我們就可以根據(jù)彩虹形狀顏色的變化來辨別空氣中的水滴大小的變化，進而可以判定天氣走向。4.3生活中光的散射的應(yīng)用由于黃光不易被散射，被廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域的霧燈、車牌、警示牌等方面；在拍照攝影領(lǐng)域，利用光的散射可以拍攝出更加有意境的場景；在科研領(lǐng)域中，光的散射被大量應(yīng)用于微小粒子分析當中。5光的干涉與衍射5.1燈光的光暈我們在家里或宿舍對著燈棍瞪大或瞇小眼睛時，會發(fā)現(xiàn)周圍的輻射光芒，這是我們經(jīng)常觀察到的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)便是光的衍射。我們知道，如果波長與障礙物尺寸相當，衍射現(xiàn)象最明顯，我們在瞇起眼睛的時候，在某個時刻便會產(chǎn)生與燈光波長相近的縫隙，于是在眼睛上發(fā)生衍射，我們便看到了燈棍周圍的光暈。類似還有影子，我們經(jīng)常見到的影子都有模糊的輪廓，這都是由于光在物體的輪廓邊緣發(fā)生衍射導(dǎo)致的。5.2五顏六色的肥皂泡沫我們小時候都玩過吹泡泡的游戲，將一個環(huán)狀鐵絲或空筆桿蘸上肥皂水或洗衣粉水，就能吹出有著彩色花紋的氣泡，這氣泡與我們在晴朗天氣洗衣服時看到的氣泡是一樣的，并且我們注意到，隨著氣泡大小的變化，氣泡上的花紋也在不斷地發(fā)生變化，這其實是一種薄膜干涉現(xiàn)象。太陽光從空氣進入薄膜，首先便發(fā)生了分光，于是各種色光便發(fā)生干涉，有的波峰疊加，有的波谷疊加，于是在氣泡表面就形成了彩色花紋，隨著氣泡變大，薄膜變薄，干涉在一定程度上會加強，這就導(dǎo)致了花紋的不斷變化。5.3干涉、衍射在生活中的應(yīng)用全息照相、電子顯微鏡、光譜儀等都是其重要應(yīng)用。6分析總結(jié)以上主要根據(jù)光的主要性質(zhì)列舉了一些生活中常見光學(xué)現(xiàn)象，事實上光學(xué)現(xiàn)象之間是相互貫通的，每一個光學(xué)現(xiàn)象都是光的若干性質(zhì)的疊加，希望文章能夠讓大家對生活中的光現(xiàn)象和一些應(yīng)用有一個初步了解?？萍及l(fā)展日新月異，光學(xué)在傳承的基礎(chǔ)上也在不斷地發(fā)展、革新，相信在對光學(xué)的不斷探索中，一定會有更多的成果服務(wù)于我們的生活。參考文獻：[1]趙凱華，鐘錫華.《光學(xué)》[m].北京：北京大學(xué)出版社，2004：329.[2]光學(xué)[DB/OL].百度百科,/view/47271.htm,2013-5-11[3]為什么樹葉在陽光的照射下呈現(xiàn)綠色[DB/OL]./s/blog_66edb1d80100ngr2.html,2010-12-05.[4]黃淑清.《熱學(xué)教程》[m].第三版.北京：高等教育出版社，2011：276.[5]太陽系中日食和月食形成的原因[DB/OL].百度文庫，/view/f7c21a0df12d2af90242e645.html,2011-9-15.[6]激光準直儀[DB/OL].百度百科，/view/2886576.htm，2010-6-24.[7]何穎君.準均勻介質(zhì)散射場強度相關(guān)性的理論研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008(04).[8]易仕明.略談輕霧、霾、浮塵、煙幕[J].氣象，1982(11).[9]余小英,HYPERLINK"/kcms/detail/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20