生活中的光学现象分析

自然世界中有一种神秘而特殊的物质—光，我们能够通过眼睛欣赏世界，是由于我们所能看到的物体自身通过反射、散射或发射的光传入了我们的眼睛，并得到了我们神经系统的正确处理。根据有关数据统计，我们只有10%左右通过感官获得的外部世界的信息不是通过眼睛。正是因为光与人类的生活和社会实践密切相关，学也是最早建立和发展起来的学科之一。当然，科学家们对光学多方面的研究也是经历了相当长的历史过程。光源，顾名思义，也就是任何能够发出可见光的物体,太阳、萤火虫等发出的光（自然光源），蜡烛、火焰、各种各样的灯（人造光源）等所发出的光，都是我们日常生活中所熟悉的光源。光源不仅用来照明，在科学实验中为了各种科学研究课题的需要，人们常使用形式多样的特殊光源，尤其是在上世纪六十年代美国红宝石激光器的成功发射，更是人们在探索光的路途中的一项重大里程碑。光学是研究光与物质相互作用及光传播的学科，物理学中所包含的重要的基础学科之中，就有光学。同时，光学也有广泛的应用，比如为了设计各种光学仪器而发展起来的几何光学，随着科技进步，物理光学也开始崭露头角，例如一直以来作为精密仪器测量中的一个重要手段—光的干涉，以及实验中我们经常使用到的一种重要的分光仪器—衍射光栅，都是物理光学发展的成果。随着光学的不断发展，当代光学被广泛应用到通讯、信息处理、材料加工、医疗、农业、军事等重要领域，有着光辉的前景。炎炎夏日将至，大家一定会有这样的体验：都偏于喜欢穿浅颜色的衣服，而不太愿意穿深颜色的衣服。这是为什么呢？有些人可能会认为浅颜色的衣服散热好，其实事实并非如此。大家之所以在夏天喜欢穿浅颜色衣服，真正原因是浅颜色衣服吸热较深颜色而言要弱很多。我们能够看见物体所呈现的颜色，是因为它反射了对应的可见光，就最极端的黑色而言，它不反射任何光线，光线全被吸收，包括红外线，所以它获得的能量最大，因而贴身感觉会比较热。然而哈佛大学有一项有关研究表明：在炎炎夏日，穿黑衣服比白衣服更凉爽。很多人对此很疑惑，其实大家想想那些住在沙漠等地的阿拉伯人，他们的常年处于高温炎热的环境中，而他们却穿着一身的宽大的黑色衣服，这也是他们适应环境的结果。其真正的原理是：人体内的热量主要可以通过四种方式（蒸发、传导、辐射、对流）向外消散，深颜色的衣服固然要比浅颜色的衣服吸热多，这热量与宽松的衣服构成了形成对流的动力与条件，从而小范围对流便在衣服内产生，它可以将皮肤表面的热量以及产生的一些汗液带走并降温（类似于水蒸发降温），从而使人感觉到凉爽。阿拉伯人的黑衣很宽大，因此可以产生相对较强的上述对流，我们夏天通常所穿的衣服并不是很宽大，所以对流不明显，所以大多数人还是喜欢穿着浅颜色的衣服。我们每天都接触的家具，很多与光学密不可分，比如大家肯定会注意到，我们经常使用的台灯，有灯罩的，灯罩内经常是涂有白色物质而不是黑色或其他颜色的，这也是光学中的白色不吸收或吸收较少光线，从而使灯泡所发出的光能够照亮一定的区域；还有我们熟悉的窗帘，在夏天我们经常会拉上窗帘阻止太阳光直射到室内，从而尽可能保持室内凉快一些，而夏天我们的窗帘大都颜色较深，有的则涂有强反光物质（类似于遮阳伞的涂层），这都是利用了光线能够被吸收和被反射的性质：深颜色的窗帘可以吸收白光的大量成份，从而只是使部分光线透过，起到保持室内凉爽的作用；涂有强反光物质的窗帘，和平面镜类似，基本上不透光，起到了与上述类似的作用。接下来就光的一些主要性质在生活中的体现做一些列举与解释。1生活中的光的直线传播1.1日食、月食07年3月19日上午上班时间段，在我国的广大地区都观测到了日偏食；08年8月1日下午下班时间段，在我国西部、北部、中部地区均可观测到日全食，而其他部分地区也不同程度地观测到了日偏食；09年1月26日黄昏时段，在江苏、江西、湖北等地均可以观测到日环食；最近的10年1月15日下午，我国有九个多省份都观测到了日环食。这些都是近些年来在我国可观测到的各种日食，作为大自然的奇特景象，我们在欣赏的同时也不仅为之惊叹。这奇特的自然现象，实际上主要是由光的直线传播这一性质引起的。2008年山西拍摄到的日全食图像（引自即刻图片）日食阶段：①第一次接触：观测位置与半影第一次外切，进入半影，日偏食开始，初亏；②第二次接触：观测位置与半影第一次内切，进入本影，日全食开始，食既；日全食阶段（食甚）；③第三次接触：观测位置与半影最后一次内切，离开本影，日全食结束，生光；④第四次接触：观测位置与半影最后一次外切，离开半影，日偏食结束，复光。图1-1-1（引自即刻图片）简单来讲，日食的产生就是由于光的直线传播，地球、月球、太阳在同一直线，月球遮挡了太阳光导致的。一般情况下，日食是不容易产生的，能够亲身观测更是机会难得。与日食相对应的，是月食：当太阳、地球、月球三者恰好或几乎运行在同一条直线上时，地球全部或部分地遮挡了太阳光，产生月食。月食的发生时间，经常是在每个月的月圆前后，也就是我国传统的农历十五左右，这是月绕地、地绕日的周期性规律决定的，并且月绕地轨道与日自身轨道在宇宙空间并非为同一平面，但这上述轨道在空间有两个交点，只有在日、月均接近对应的交点时方可形成一直线，因此月食也并非月月可见的。图1-1-2（日食、月食形成示意图，引自百度图片）由于古代人们不了解月食的形成的原因，古书中常有把月食作为将有大灾难征兆的记载，而且当代很多的武侠小说中也将其视为阴邪事物发生的前兆，现在随着科学的发展，我们已经从科学的角度理解了其成因。1.2“影”的形成影子大家都不陌生，夏天在大树的荫影下乘凉，太阳下军训站队时的影子，小时候大人给我们玩的手影等，这些都是光的直线传播引起的。阳光照射到大树和人们的身上，由于树和人都是非透明的实体，光沿直线传播无法透过大树和人，于是便形成了树荫和人影。同样，灯光照到手上面，由于相同的原因便产生了手影。图1-1-3（手影示意图，引自即刻图片）1.3光沿直线传播在生活中的一些应用作为光的一个基本性质，光的直线传播在我们的日常生活中有着广泛的应用。比如士兵打枪瞄准、站队时判断队伍是否整齐、驾车行驶时判断是否直行等，这里主要介绍激光准直技术。我们知道优良的方向性是激光优于其他光的一大特点，激光准直通俗来讲，就是以激光束作为基准，并配合其他物理光学测量法，测定一条直线上的点位偏离情况，激光准直仪主要根据这一原理制作。简单来说，激光准直仪就是将其发出的准直激光束作为基准线，用于校准的测量仪器，激光器作为其光源发射系统，同时它还具有光电接收系统及配件。我们的工业生产生活中经常有它的身影，它经常用于测量平面的平整度、平行度、直线度以及长距离的孔、轴的同心度。传统方法，耗功耗时，测量过程中不少因素都会影响到测量精度，并最终导致整个系统的精度偏低，而现代激光准直仪，不需多人操作，受外界影响因素小，因而更加省工省时并且更为精确。国防工业、检修公司、电力学校、火力发电厂、钢厂、等重要的工业场所都经常使用到它。2光的反射许多物体的表面对光均有一定的反射作用，通常有镜面反射（通常较刺眼）和漫反射之分（通常可直视）。我们之所以能够看到东西，都是因为光反射到我们的眼睛中，再经过我们的复杂的神经系统处理在大脑之中形成的影像。图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，我国的传统佳节--中秋节也有赏月的习俗，在晴朗的夜空欣赏柔和美丽的月亮，联想嫦娥奔月的情景，确实别有一番风味。月亮对于人类来说，是最大规模的反射现象，月亮作为地球的一个天然卫星，本身不会发光，它只是反射太阳的光，所以我们才能观测得到日食和月食（若月球会发光这两种现象就不可能发生）。由于月球表面比较凹凸不平，主要发生漫反射，所以夜空中我们看到的月光相对柔和，没有太阳光那么刺眼，因而能够“赏月”。2.2植物中的反射我们能够正确分辨一个物体的颜色，是由于我们所分辨的这个物体反射了其本身所具有的颜色，并得到了我们神经系统的正确处理。我们生活中经常接触的绿色植物，正是由于反射了绿色，所以我们才能看到其为绿色。其内部的主要原因是植物体内的叶绿素主要吸收其他颜色的光而吸收较少量绿光所致，因而反射绿光的植物本身对绿光的需求不大，所以我们每天接触的绿色植物并不“喜欢”绿色。2.3生活中光的反射应用根据镜面反射、漫反射特点，反射在我们的日常生活中有着极其广泛的应用。我们每天都接触镜子，正是有了光的反射，镜子才可以把接收到的光反射过来，这样人就可以在镜子中看到自己的样子。如果想使镜子中所成的像变得有趣，只需把镜面做的不平整即可，此时我们会观察到镜中所成像变得扭曲或拉伸，这便是哈哈镜了。汽车后视镜也运用了这个原理，我们注意到，汽车后视镜是凹面的，这样一来便会在镜中形成缩小的像，从而大面积的景物在小小的汽车镜面中都可以看到，扩大了司机视野。还有自行车的尾灯、公路上的标志牌、潜望镜等都是光的反射应用。图2-1-2（自行车尾灯的镜面反射，引自即刻图片）3光的折射水中的筷子“断了”、水中的鱼变浅等都是生活中常见的光的折射。3.1海市蜃楼海市蜃楼是非常神奇又难得一见的自然景观之一，在我国沿海省份的夏季经常可以看到此奇景,在我国古代经常被神化，其实它的的形成主要是由于光的折射和全反射造成的。气温较高时，海面上空气的温度，上层空气要比下层高，且其密度也比下层小，因而有相对较小的折射率，因此我们可以假设海面上的空气是一层层叠起的，折射率从下到上呈减小趋势，当远处的景物反射或发出的光线射向空中时，发生连续折射，致使进入上层空气的光线的入射角呈连续增大趋势，当达到一定角度时便发生了全反射，光线便在另一地点回到地面上，进入到人眼睛的光线便是远处的景物，仿若飘于空中。如果柏油马路上的温度过高，我们常会观察到前方景象飘忽的现象，这是由于热路面的空气层，上层空气密度比贴近热路面的空气层要大，折射率情况与上述情况相反，但也具备发生全反射的条件，故而会产生类似通过火焰上层空气看前方景象时的飘忽现象。3.2生活中的光的折射的应用眼镜、放大镜、相机镜头、凸、凹透镜等都是生活中常见的物品，这些都是光的折射在生活中的具体应用。4光的色散4.1蔚蓝的天空当光线射到非均匀性介质中时，光的传播方向由原方向偏向侧方散开，这种现象被称为介质对光的散射。我们常说的晴空万里是怎样产生的呢？其实是由构成大气的各类分子以及悬浮于其中的一些微小粒子对白光的散射产生的。细微颗粒的散射遵循瑞利定律：散射光强度正比于波长的四次方的倒数。如左图所示（图片引自《高中物理》），后三个可见光的波长较短，最容易被散射，而前三个可见光的波长较长，不容易被散射；与此同时空气自身的密度涨落对光也有一定的散射，尤其是大气中氧气的涨落引起的散射，大气中氮气占有最大比例，然而氮气无色，而氧气在一定物理条件下成淡蓝色，故氧气对天空呈现蓝色也起到了一定作用。大雨过后或越晴朗的天空由于悬浮小微粒增多，散射变强，这就是天空更加蓝的原因。如果空气中由于汽车尾气、工业废气等的增多，这些污染性气体粒子尺寸较大，发生米氏散射，致使天空呈现青灰甚至灰白色。我们或许会观察到，在夜晚即将来临，没有太阳后的天空，会出现深蓝色，这其实是大气中的臭氧层在起作用，它在离地球表面20至30公里的高空，截获了太阳光中的黄色和橙色部分，让蓝光部分通过，直到所有光亮消失，所有的颜色才消失在夜色中。4.2彩虹彩虹也是光在自然界的一种美妙展现。雨后，在阳光的照射下天空有时会出现彩虹，而且在阳光下，在一些水雾较多的区域也会产生彩虹。在中学物理课中，有个使用三棱镜的光的色散实验，形成的彩色图案与彩虹很相似，在不存在三棱镜的空气中是如何形成彩虹的呢？其实这是空气中小水滴的功劳，小水滴起到了类似三棱镜的作用，当空气中小水滴很多时，相当于无数的微小三棱镜在对白光进行色散，与三棱镜不同的是：三棱镜是通过“折射—分光—折射”展现分光的；而小水滴是通过：“折射—反射—折射”来展现分光的，最后大量的小水滴的分光效果经过汇集就形成了彩虹。如果大家想在雨后能够欣赏到彩虹，需要背对着太阳看，因为根据上述分析，彩虹的形成位置是与太阳正对的方位。我们有时会观察到，在彩虹外侧有一条颜色较暗的虹，其所成颜色与彩虹颜色的顺序相异，我们常叫这条虹为副虹，副虹也叫霓，主虹是外红内紫，副虹是外紫内红，它的观测视角较主虹大，其形成与主虹大致相同：经过“折射—全反射—全反射—折射”而形成的。雨后彩虹常在夏季出现，这是由于夏季雨后空气湿度大，太阳光强，能最大满足彩虹形成条件。彩虹的颜色深浅以及色带宽度与空气中水滴的大小密切相关：空气中的水滴越大，光学过程加强，所出现的颜色也就越深，而对应的彩带宽度却会越窄；空气中水滴越小时，则会出现相反的现象。所以如果天空中有彩虹，我们就可以根据彩虹形状颜色的变化来辨别空气中的水滴大小的变化，进而可以判定天气走向。4.3生活中光的散射的应用由于黄光不易被散射，被广泛应用于交通领域的雾灯、车牌、警示牌等方面；在拍照摄影领域，利用光的散射可以拍摄出更加有意境的场景；在科研领域中，光的散射被大量应用于微小粒子分析当中。5光的干涉与衍射5.1灯光的光晕我们在家里或宿舍对着灯棍瞪大或眯小眼睛时，会发现周围的辐射光芒，这是我们经常观察到的现象，这种现象产生的本质便是光的衍射。我们知道，如果波长与障碍物尺寸相当，衍射现象最明显，我们在眯起眼睛的时候，在某个时刻便会产生与灯光波长相近的缝隙，于是在眼睛上发生衍射，我们便看到了灯棍周围的光晕。类似还有影子，我们经常见到的影子都有模糊的轮廓，这都是由于光在物体的轮廓边缘发生衍射导致的。5.2五颜六色的肥皂泡沫我们小时候都玩过吹泡泡的游戏，将一个环状铁丝或空笔杆蘸上肥皂水或洗衣粉水，就能吹出有着彩色花纹的气泡，这气泡与我们在晴朗天气洗衣服时看到的气泡是一样的，并且我们注意到，随着气泡大小的变化，气泡上的花纹也在不断地发生变化，这其实是一种薄膜干涉现象。太阳光从空气进入薄膜，首先便发生了分光，于是各种色光便发生干涉，有的波峰叠加，有的波谷叠加，于是在气泡表面就形成了彩色花纹，随着气泡变大，薄膜变薄，干涉在一定程度上会加强，这就导致了花纹的不断变化。5.3干涉、衍射在生活中的应用全息照相、电子显微镜、光谱仪等都是其重要应用。6分析总结以上主要根据光的主要性质列举了一些生活中常见光学现象，事实上光学现象之间是相互贯通的，每一个光学现象都是光的若干性质的叠加，希望文章能够让大家对生活中的光现象和一些应用有一个初步了解。科技发展日新月异，光学在传承的基础上也在不断地发展、革新，相信在对光学的不断探索中，一定会有更多的成果服务于我们的生活。参考文献：[1]赵凯华，钟锡华.《光学》[m].北京：北京大学出版社，2004：329.[2]光学[DB/OL].百度百科,/view/47271.htm,2013-5-11[3]为什么树叶在阳光的照射下呈现绿色[DB/OL]./s/blog_66edb1d80100ngr2.html,2010-12-05.[4]黄淑清.《热学教程》[m].第三版.北京：高等教育出版社，2011：276.[5]太阳系中日食和月食形成的原因[DB/OL].百度文库，/view/f7c21a0df12d2af90242e645.html,2011-9-15.[6]激光准直仪[DB/OL].百度百科，/view/2886576.htm，2010-6-24.[7]何颖君.准均匀介质散射场强度相关性的理论研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2008(04).[8]易仕明.略谈轻雾、霾、浮尘、烟幕[J].气象，1982(11).[9]余小英,HYPERLINK"/kcms/detail/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20