书城科普物理与生活
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第13章 生活中的光学现象

(1)光的直线传播、反射、折射、衍射若你站在有灯光(或者阳光)的地方,你会发现你的身后有一道轮廓和你一模一样的影子,当你运动时,它也会跟随着你变化。

光的直线传播还产生了小孔成像等现象,若你站在大树下会看到地面上的一个个光斑,在晴朗的天气可以直观的看到树林中光线直线传播的现象。

只有小孔足够小时才能成像。如果小孔太大,物体上任一点发出的光透过小孔后在光屏上形成的光斑就比较大,物体上相邻点发出的光透过小孔后,在光屏上形成的光斑就比较大,光斑重叠较多,使像模糊不清,甚至不成像。

像倒立,像的形状与物体相似,与小孔的形状无关。像的大小取决于光屏到小孔的距离和物体到小孔的距离的关系。

当光线能够直接照射到的地方可以看见,光线不能够直接照射到的地方就看不见或者是黑色的,在物体后面形成了与物体轮廓相似的黑暗区域,这就是物体的影子。

无影灯,是一种先进的光源,它的外形是一个很大的灯盘,上面装有许多射向各个方面的荧光灯,能把手术台所有的暗影都照亮,所以无影灯下就没有影子了。这样,医生为病人做手术,视线就不会受影子的影响,保证手术顺利进行。

光的直线传播还形成了一些特有的现象,日食和月食的形成原理都是由于光的直线传播。

具体的形成原因如下:日食是在同一直线上的太阳、月亮和地球之间,月亮把太阳光挡住,致使地球上的局部地方,即使是白天,也看不到太阳或只看到残缺的太阳,太阳完全被遮住称为日全食,遮住部分称为日偏食。

而月食,是在同一直线上的地球把太阳光遮住,致使在晴朗的夜空,月亮也变得黑黑的,同样月食也分月全食和月偏食。在我国古代的时候,由于人们不了解月食的形成原因,迷信地认为发生月食是将要有大的灾难,因此古时人们把月食叫做“天狗吃月亮“,现在我们知道,日食和月食都是光的直线传播规律的一个自然而然的现象。

当你站在镜子前或者平静的水面旁时,你会看见自己的像,或者你周围事物的像,用平面镜成像原理这也不难解释,是由于人或者周围事物发出的光线经镜面或者水面反射后形成的实像传播到人的眼睛里而感觉到。

汽车的后视镜也运用了光的反射原理,汽车后视镜作出凹面,后面的景物反射回人眼时就缩小了,因此可以在很小的镜面中看到后面的大面积景物。

光的反射在交通工具另一应用:高速公路上的标志牌都用"回归反光膜,制成,夜间行车时,它能把车灯射出的光逆向返回,所以标牌上的字特别醒目。

另外运用各种曲面对光的不同反射作用可以使光汇集或发散,手电筒里的反射镜就是运用这个原理将从小灯泡发出的光反射后沿直线射出。

光的反射分为全反射和漫反射,镜子的反射属于全反射,光从镜子中反射回来后能量损失极少,而大部分的表面不是很光滑的物体大多属于漫反射,这是由于漫反射的光学进入人们的眼睛人们才能看到物体的样子。

大家可能都有这种感觉,如果黑板做的不好的话坐在旁边的同学就看不到黑板上的字,原因正是产生了全反射。因此现在的黑板表面都做了特殊的粗糙处理这样无论做到什么地方的同学都可以看到黑板上的字迹。

你也许会观察到清澈的池水变浅以及棍子放在水中的部分发生折断等现象,这都可以用光的折射定律很好的解释,光在不同的介质中传播时由于两者的折射率不同导致光的传播方向发生改变,偏离原来的方向传播,呈现的是虚像。在防盗门上安装的“观察镜”就是凹凸镜的组合,其中就利用折射原理来设计的。

在中国古代就有这样一句话“未见其人,先闻其声”,这句话很好的反映了光和声音的衍射特性,也从侧面反映了光的直线传播特性。

虽然光波和声波都是波,具有波的基本特征比如“衍射”,但是要根据衍射发生的条件(当障碍物的尺寸与波长相当时,能够发生明显衍射)来判断是否能够发生衍射。由于在两人之间有一个较大的障碍物,其中一个人发出的可见光的波长较短不能绕过障碍物发生衍射而传播到障碍物后另一个人的眼睛里,因此不能见其人;然而由人发出的声波的波长却相对较长能够绕过障碍物传播到后面被另一个人的耳朵里,因此可以闻其声。

(2)海市蜃楼海市蜃楼是大自然在玩光线的魔法,究其成因,它是由光的折射产生的一种现象,是光在密度分布不均匀的空气中传播时产生的全反射现象。

如果光线微微倾斜地从玻璃射进空气,一部分的光线会被反射回去,另一部分就会被折射。由于玻璃的折射率较空气大,所以折射角总是大于入射角。当入射角越来越大,被折射的光线便会越来贴近空气与玻璃的界面,直至入射角大于临界角时,光线便只会被反射,而不会折射出去,因而发生全反射。由于不同温度的空气有不同的折射率,就好像是许多不同的介质层,每一层的折射率都不同。夏天在气压恒定的海平面上,海面上空气温度比空中低,空气的分布呈下密而上疏,越接近海平面,空气的折射率越大。空气密度随高度增加而减少,对光的折射率也随之减少,从而形成一个具有折射率梯度的空气层,当光线通过此空气层时,发生方向的偏转。

光就像在不断地从光密介质射入光疏介质,这样它将越来越偏离法线,从下层空气进入上层空气的入射角因此不断增大,当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时,就会发生全反射现象,光线又回到远处的水平面附近。当人眼逆着反射光线观察,就可以看到经全反射形成的倒立的虚像。当人眼逆着折射光线观察,可以看到经折射形成的正立的虚像。观察到的景物是正立的还是倒立的,只不过是观察的位置不同:人在较高处,逆着弯曲的折射光线看去,可看到经折射形成的悬在空中的正立的虚像;人在较低处,逆着弯曲的反射光线看去,可看到经全反射形成的悬在空中的倒立的虚像。

(3)生活中光的干涉、色散、散射在家里洗衣服或者洗碗的时候你会看到有五颜六色的气泡泡。这是由于白光光线传播到气泡的上表面时一部分光发生反射,另一部分光穿过气泡,再经气泡的下表面反射回来,两部分光的频率相同,由于有光程差的存在,而两者相位不同,在上表面相遇后发生了干涉,因此呈现出五颜六色的气泡。在阳光充足的白天向空中喷水或者雨后有太阳照射时,你会很明显的看到七色彩虹。由于空气中水分的增加导致局部空气的折射率增大,当太阳光照射时,光线发生折射,使不同颜色的光(也是不同频率的光)分离开来,呈现不同的颜色,由于白光包含其他颜色,所以看到的彩虹也是七色的。由于每种介质对不同频率的光的折射率不同,导致不同颜色的光发生分离的现象就是-色散。

彩虹是太阳光穿透雨的颗粒时形成的。原本光是笔直行进的,但它也具有一旦进入水中就会折射的性质。因此太阳光在通过雨的颗粒时就会折射。此时,由于光折射的角度因颜色而各异,所以七种颜色会以各自不同的角度折射。所以七种颜色会很漂亮地排列起来。这就是形成彩虹的原理。

因为彩虹呈现于与太阳方向相反的天空,所以想在雨后看彩虹时要背对着太阳。

夏天雨后,乌云飞散,太阳从新露头,在太阳对面的天空中,会出现半圆形的彩虹。虹是由于阳光射到空中的水滴里,发生发射与折射造成的。

我们知道,当太阳光通过三棱镜的时候,前景的方向会发生偏折,而且把原来的白色光线分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的光带。

下过雨后,有许多微小的水滴漂浮在空中,当阳光照射到小水滴上时会发生折射,分散成7种颜色的光。很多小水滴同时把阳光折射出来,再反射到我们的眼睛里,我们就会看到一条半圆形的彩虹。彩虹的色带分明,红的排在最外面,接下来是橙、黄、绿、青、蓝、紫6种颜色。

空气里水滴的大小,决定了虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴大,虹就鲜艳。也比较窄;反之,水滴小,虹色就淡,也比较宽。

我们面对着太阳是看不到彩虹的,只有背着太阳百能看到彩虹,所以早晨的彩虹出现在西方,黄昏的彩虹总在东方出现。可我们看不见,只有乘飞机从高空向下看,才能见到。虹的出现与当时天气变化相联系,一般我们从虹出现在天空中的位置可以推测当时将出现晴天或雨天。

东方出现虹时,本地是不大容易下雨的,而西方出现虹时,本地下雨的可能性却很大。

彩虹的明亮程度,取决于空气中小水滴的大小,小水滴体积越大,形成的彩虹越鲜亮,小水滴体积越小,形成的彩虹就不明显。一般冬天的气温较低,在空中不容易存在小水滴,下阵雨的机会也少,所以冬天一般不会有彩虹出现。

当你看不同粗糙程度的物体表面时你会觉得反射的光线强度不同,即使你看到的物体是黑色的。会不会是因为大部分光线被物体吸收的缘故?其实不一定,各种物体对电磁波都有吸收,但是不同材质的物体对不同波段的光(电磁波)不同,有的是因为某些材质对某些频率的光吸收的较多,反射回来的光线少强度弱;有的是因为表面的粗糙程度不同,对光线的反射方向也不同,粗糙度越大发生散射的可能性越大,使得反射回某一方向的光线大幅减少。为什么空气是无色的而天空看上去还是蓝色的呢?这也是因为空气中的一些水汽或者小颗粒对光线发生了散射作用。

(4)光导纤维:大家早就熟悉“光纤通信”这个术语了。光纤通信就用到了全反射的知识。光纤是光导纤维的简称,它是一种非常细的玻璃丝,直径只有几微米到一百微米,而且分为内芯和薄薄的外套两部分。内芯的折射率比外套大,因此光在内芯中传播时会在内芯和外套的界面上发生全反射。

光波实际上也是一种电磁波,它像无线电波那样也能用来传递信息。载有话音、图像及各种数字信号的激光从光纤的一端输入,就可以沿光纤传到千里以外的另一端,实现光纤通信。

光纤通信的主要优点是能同时传送大量信息,数以万计的电话机可以使用同一条光纤进行通话而不互相干扰。我国目前已经在省会城市间基本建成全国性的光纤通信网。北京有线电视台则于1999年在北京全市范围内铺设了有线电视光缆。

把一束玻璃纤维的两端按相同规律排列,具有不同亮暗和色彩的图像就能从一端传到另一端,用玻璃纤维也可以制成内窥镜,用来检查人体胃、肠、气管等内脏的内部,实际的内窥镜装有两组光纤,一组用来把光输送到人体内部,另一组用来进行观察。