各种光学现象

天空为什么是蓝的 天空为什么是蓝的 因为当太阳光进入大气后 空气分子和微粒 尘埃 水滴 冰晶等 会将 太阳光向四周散射 因为当微粒的直径小于可见光波长时散射强度和波长的四 次方成反比 所以波长较长的红黄等光透射性大 大部分能够直接透过大气射 向地面 而波长较短的蓝紫光 很容易被大气散射 但空气分子对紫光的吸收 作用较强 所以晴天时天空是蓝色的 吹肥皂泡时的光学现象 吹肥皂泡时的光学现象 刚开始时 肥皂泡各处厚度较厚 发生等厚干涉时各级彩色条纹重合在一 起 故显为白色 在重力的作用下 使肥皂泡上面薄下面厚 发生等厚干涉时 各级彩色条纹分开 故显为彩色 当肥皂泡越来越薄 其厚度接近可见光波长 时 所有光干涉相消 从而为无色透明 油膜的彩色原理 油膜的彩色原理 光在油膜上发生等倾干涉 晕 晕 天空中有一层高云 阳光或月光透过云中的冰晶 卷状云 冰雾等 时发生 折射和反射 便会在太阳或月亮周围产生彩色光环 光环彩色的排序是内红外 紫 称这七色彩环为日晕或月晕 统称为晕 为什么日出日落太阳是扁的 为什么日出日落太阳是扁的 由于地球引力的作用 大气层中的空气密度是不均匀的 越接近地面密度 越大 早晨和傍晚 太阳光是斜着通过密度不均的大气层的 就会产生明显的 折射现象 这种折射越近地面越强 因而 从太阳这个巨大火球下部边缘射来 的光线 比它上部边缘射来的光线折射得厉害 下缘也就比上缘抬高的更显著 一些 为什么天上的星星一闪一闪的 为什么天上的星星一闪一闪的 由于恒星距地球远 在地球上只能看见一个小点 当光线穿过大气层时 光线经大气要屡次折射 大气是流动的 这样星星发射的光在传到观察者眼睛 的过程中就会忽前忽后 忽左忽右 忽明忽暗 总在不时的变化 所以后一闪 一闪的 月全食时月全食时 月亮缘何月亮缘何 脸红脸红 红月亮 归功于暗红色的光 其实就是照射到月面上的太阳光 在地球 周围有层像薄纱似的透明度较好的大气层 阳光从地球侧面的大气中穿行时 是先从空间进入大气层 然后 又由大气层进入空间 这样就产生了两次折射 结果和光线透过凸透镜相仿 有点向内弯 向地心方向偏折的聚合光线就照到 月亮上去了 太阳光是由红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫各种颜色的光线混合成 的 当太阳光经过地球上的大气层被折射到地球背后影子里去的时候 它们都 受到大气层中极其微小的大气分子的散射和吸收 像黄 绿 蓝 靛 紫等色 的光波比较短 在大气中受到的散射影响比较大 它们大部分都向四面八方散 射掉了 红色的光线波长比较长 受到散射的影响不大 可以通过大气层穿透 出去 折射到躲在地球影子后面的月亮上 所以 在月全食时 公众看到的月 亮是暗红色的 即所谓的 红月亮 插入水中的筷子在水面处插入水中的筷子在水面处 弯折弯折 光从空气进到水里 因为水的密度比空气大得多 于是 在水和空气相交 处发生折射 不再沿着原来的方向转播 把筷子伸进水里时 我们眼睛看到的 是水下那部分已经发生折射的光线 这股光线当然不会与水面上的光线成一条 直线 所以筷子没有断 但是看起来却像断了一样 海市蜃楼海市蜃楼 海市蜃楼海市蜃楼是自然发生的光学现象 它将光线偏折而在遥远的距离或天空中 生成虚像 在大气科学中称为蜃景 蜃景 相对于幻觉 海市蜃楼是一种真实的光学 现象 由于观测到的位置是由实际光线折射形成的虚像 它可以用照相机来捕 捉影像 然而 会出现什么样的影像全由人类心灵解释的能力来确定 例如 在地面的上蜃景非常容易被误认为来自一小片水洼的反射 蜃景可以分类为 下 蜃景 意思是低 上蜃景 意思是高 和 复杂蜃景 一种包含一系列 异常复杂 垂直堆栈影像 形成快速变化蜃景的上蜃景 成因 冷空气的密度比暖空气大 因此有较大的折射率 当光线由冷空气进入有 着明确边界的暖空气 光线会弯曲偏离温度梯度的方向 当光线由暖空气进入 冷空气 它们会偏向接近梯度的方向 如果接近地面的空气比更上面的温暖 光线会弯曲成朝上呈现凹线的轨迹 一旦光线抵达观测者的眼睛 视觉皮层将解释成它是沿着 视线 笔直的前 进 然而这条线只是它抵达人眼处弧线的切线方向 结果是天空上的下蜃景似 乎是在地面上 观测者可能会错误的解释这些景象是水反射至空中的 对大脑 而言 这是较为合理和常发生的 在地面的空气比上层微冷的状况 光线会被偏折朝下 产生 上蜃景 宁静 状态的地球大气层垂直梯度大约是高度每升高 100 米 温度变化 1 数值是负的是因为温度随高度增加而降低 发生蜃景的温度梯度必须比 这个大许多 这个温度梯度的量级至少是每米 2 而要达到每米 4 或 5 才 会出现明显的蜃景 这些条件常出现在被强力加热的地面 例如 当太阳一直 照耀着砂或沥青 通常就会生成下蜃景的景象 晚霞余晖晚霞余晖 晚霞余晖晚霞余晖是日落后于苍穹上所展现的白色或玫瑰色的光晖 其因为太阳光 斜照至地球时遇到悬浮在大气层高处的细小尘粒产生散射而成 而其通常会在 日落后在云层最高处之上形成 极光极光 极光极光 Aurora 或 Polar light 或 Northern light 出现于星球的高磁纬地 区上空 是一种绚丽多彩的发光现象 而地球的极光 由来自地球磁层或太阳 的高能带电粒子流 太阳风 使高层大气分子或原子激发 或电离 而产生 极光不只在地球上出现 太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光 原理 过去的理论 在过去 有些理论被用来解释这种现象 但现在都已经过时了 本杰明 富兰克林 Benjamin Franklin 的理论 神奇的北极光是浓稠 的带电粒子和极区强烈的雪和其他的湿气作用造成的 极光的电子来自太阳发射的光束 这是克利斯蒂安柏克兰在 1900 年提 出的说法 她在实验室用真空室和磁化的地球模型 显示电子是如何被引导至 极区 这个模型的问题包括本身缺乏在极区的极光 负电荷本身自行散射这些 光束 而且在近期内仍然缺乏任何太空中的观测证据 破水桶理论 极光是溢流出的辐射带 这是詹姆斯范艾伦和工作伙伴大 约在 1962 年首先提出的 他们指出在辐射带内获得的巨大能量很快就会在极光 的漫射中耗尽 不久之后 很明显的陷在辐射带内的都是高能的带正电离子 而在极光内几乎都是能量较低的电子 极光是太阳风中的粒子被地球的场线引导至大气层顶端造成的 这适用 于极光的尖点 但在间点之外 太阳风没有直接的作用 另一方面 太阳风的 能量主要都留驻在带正电的离子 电子只有 0 5eV 而在尖点上会上升至 50 100eV 这仍然远低于极光的能量 现代的理论 根据美国国家航空航天局 瑟宓斯卫星任务 2007 12 Themis mission 传回的新数据 科学家发现太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球 碰到北极上空磁场时又形成若干扭曲的磁场 带电粒子的能量在瞬间释放 以 灿烂眩目的北极光形式呈现 而地球的极光主要只有红 绿二色是因为在热成 层的氮气和氧原子被电子撞破 分别发出红色和绿色光 这项研究是由美国加州大学洛杉矶分校的安吉罗波洛斯主持 其研究结果 已于 2007 年 12 月 9 日在 美国地球物理联合会 的学术会议中发表 瑟密斯卫星任务的 5 个人造卫星群 2007 年 2 月成功发射升空 3 月在阿拉 斯加和加拿大上空侦测到北极光出现两小时 同一时间卫星也侦测到带电粒子 流接触到北极磁场 而让安吉罗波洛斯惊讶的是 带电粒子和磁场接触形成的 地磁风暴以每分钟 650 公里的速度掠过空中 威力相当于芮氏规模 5 5 的地震 科学家早就怀疑 北极光的能源来自带电粒子与北极磁场接触产生的扭曲 磁场 但这个理论一直到 2010 年 5 月才获得证实 当时瑟密斯任务的卫星群从 地球上空 6 万多公里首度测到扭曲磁场的结构 极光是地球周围的一种大规模放电的过程 来自太阳的带电粒子到达地球 附近 地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线 Field line 集中到南北两极 当他们进入极地的高层大气时 与大气中的原子和分子碰撞并激发 产生光芒 形成极光 3 在北半球观察到的极光称北极光 南半球观察到的极光称南极光 经常出 现的地方是在南北纬度 67 度附近的两个环带状区域内 阿拉斯加的费尔班克斯 Fairbanks 一年之中有超过 200 天的极光现象 因此被称为 北极光首都 彩云彩云 彩云彩云 Iridescent Clouds 通常为一种荚状云 具有明亮点或彩色边缘 其色彩称之为云彩 Irisation 或 Cloud Iridescence 常见的色彩是桃红色 或绿色 位在距太阳附近的云上 彩云的形成为一种 衍射现象 Diffraction 其云彩为大型日华的片段 但比例过小 无法观察出圆弧 1 形成原因 日光通过带有水滴微粒悬浮的薄云时 水滴使得通过的光产生不同方向的 衍射 衍射的光彼此干涉 光波相结合处会看到明亮的光 相抵消处的光线较 暗 不同色光的衍射角度不同 一种色光的明亮区在另一种色光的阴暗区显现 出来 渐次形成色彩次序 在离太阳愈远的地方色彩愈淡 由于云朵为不规则 片状分布 因此产生不规则片状的艳丽彩云 形成条件 位在距离太阳 10 至 40 度的云 云为带有均匀小水滴的薄云 如高积云 卷积云 尤其是荚状云 罕见 如珠母云则会形成非常明亮的彩云 天气晴朗的白天 彩虹彩虹 彩虹彩虹 又称天虹 简称虹虹 是气象中的一种光学现象 当太阳光照射到半 空中的水滴 光线被折射及反射 在天空上形成拱形的七彩的光谱 彩虹的七 彩颜色究竟是哪七种有不同的说法 东亚 中国对于七色光来说最普遍的说法 是 从外至内 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫或红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 只要有空气中有水滴 而阳光正在观察者的背后以低角度照射 便可能产 生可以观察到的彩虹现象 彩虹最常在下午 雨后刚转天晴时出现 这时空气 内尘埃少而充满小水滴 天空的一边因为仍有雨云而较暗 而观察者头上或背 后已没有云的遮挡而可见阳光 这样彩虹便会较容易被看到 另一个经常可见 到彩虹的地方是瀑布附近 在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾 亦可以制造人工彩虹 原理 彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴 造成色散及反射而成 阳光 射入水滴时会同时以不同角度入射 在水滴内亦以不同的角度反射 当中以 40 至 42 度的反射最为强烈 造成我们所见到的彩虹 造成这种反射时 阳光进入 水滴 先折射一次 然后在水滴的背面反射 最后离开水滴时再折射一次 因 为水对光有色散的作用 不同波长的光的折射率有所不同 红光的折射率比蓝 光大 而蓝光的偏向角度比红光大 由于光在水滴内被反射 所以观察者看见 的光谱是倒过来 红光在最上方 其他颜色在下 霓 是与 虹 相对应的一种自然现象 虹是下雨天以及在雨后天晴之 际 阳光穿透还残余在空气中的水珠而发生折射 散射出七彩的光芒 彩虹形 状多为弧形 出现在和太阳相对着的方向 从外 半径大的 弧至内弧的颜色 依次为红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 霓也叫 副虹 形成与彩虹原理大致相 同 只是光线在水珠中的反射多了一次 彩带排列的顺序和彩虹相反 红在内 紫在外 彩虹其实并非出现在半空中的特定位置 它是观察者看见的一种