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生活中的光學(xué) 正文：光是在人們的生活中占據(jù)著重要的地位，可以說是任何事物都無(wú)法取代的，沒有光，就沒有這五彩繽紛的世界，世界將一片黑暗，沒有了光，就不可能有現(xiàn)在這個(gè)世界。從古代開始，人們便對(duì)光學(xué)有了一定的了解，但是由于人們的認(rèn)識(shí)所限，不可能對(duì)世界上的各種光學(xué)現(xiàn)象作出合理的，科學(xué)的解釋。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)也不斷加深，能夠合理地解釋各種光學(xué)現(xiàn)象，并能利用光更好的為人們服務(wù)。下面我們來針對(duì)生活中的光的不同特性產(chǎn)生的現(xiàn)象來揭開生活中一些現(xiàn)象的神秘的面紗。 1．光的直線傳播中國(guó)有句俗語(yǔ)叫做“未見其人，先聞其聲”這正是由于光和聲音的不同性質(zhì)而產(chǎn)生的現(xiàn)象，光的波長(zhǎng)較短，而聲波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，根據(jù)波的衍射原理，與障礙物尺寸相差不大的波長(zhǎng)的波可以產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，因而聲音可以繞過墻壁等障礙物傳播到人的耳朵里，而光卻不能繞過墻壁等障礙物傳播到人的眼睛里。因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)較短所以衍射現(xiàn)象不明顯，因此在宏觀上可以認(rèn)為光沿直線傳播。光沿直線傳播這一特性在生活中也得到了廣泛的應(yīng)用，例如射擊時(shí)的瞄準(zhǔn)，激光準(zhǔn)直等現(xiàn)象。光的直線傳播還形成了一些特有的現(xiàn)象，日食和月食的形成原理都是由于光的直線傳播。具體的形成原因如下：日食是在同一直線上的太陽(yáng)、月亮和地球之間，月亮把太陽(yáng)光擋住，致使地球上的局部地方，即使是白天，也看不到太陽(yáng)或只看到殘缺的太陽(yáng)，太陽(yáng)完全被遮住稱為日全食，遮住部分稱為日偏食。而月食，是在同一直線上的地球把太陽(yáng)光遮住，致使在晴朗的夜空，月亮也變得黑黑的，同樣月食也分月全食和月偏食。在我國(guó)古代的時(shí)候，由于人們不了解月食的形成原因，迷信地認(rèn)為發(fā)生月食是將要有大的災(zāi)難，因此古時(shí)人們把月食叫做“天狗吃月亮“，現(xiàn)在我們知道，日食和月食都是光的直線傳播規(guī)律的一個(gè)自然而然的現(xiàn)象。光的直線傳播還產(chǎn)生了小孔成像等現(xiàn)象，在晴朗的天氣可以直觀的看到樹林中光線直線傳播的現(xiàn)象。 2.光的反射 光的反射在生活中也有廣泛的運(yùn)用，最常用的應(yīng)該屬于大家常見的鏡子，由于光的反射，鏡子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。由于光的反射線總是與入射線分居法線兩邊，且與法線夾角相同，如果把鏡子的面做的不是很平整，那么在鏡子中看到的像就發(fā)生拉伸或扭曲，這就是哈哈鏡的原理，哈哈鏡表面做的不平整，當(dāng)人從鏡子中看到自己的扭曲的像時(shí)會(huì)忍不住哈哈大笑，哈哈鏡因此得名。汽車的后視鏡也運(yùn)用了光的反射原理，汽車后視鏡作出凹面，后面的景物反射回人眼時(shí)就縮小了，因此可以在很小的鏡面中看到后面的大面積景物。光的反射在交通工具另一應(yīng)用：高速公路上的標(biāo)志牌都用"回歸反光膜,,制成,夜間行車時(shí),它能把車燈射出的光逆向返回,所以標(biāo)牌上的字特別醒目.另外運(yùn)用各種曲面對(duì)光的不同反射作用可以使光匯集或發(fā)散，手電筒里的反射鏡就是運(yùn)用這個(gè)原理將從小燈泡發(fā)出的光反射后沿直線射出。光的反射分為全反射和漫反射，鏡子的反射屬于全反射，光從鏡子中反射回來后能量損失極少，而大部分的表面不是很光滑的物體大多屬于漫反射，這是由于漫反射的光學(xué)進(jìn)入人們的眼睛人們才能看到物體的樣子。大家可能都有這種感覺，如果黑板做的不好的話坐在旁邊的同學(xué)就看不到黑板上的字，原因正是產(chǎn)生了全反射。因此現(xiàn)在的黑板表面都做了特殊的粗糙處理這樣無(wú)論做到什么地方的同學(xué)都可以看到黑板上的字跡。 3.光的折射 光的折射也在生活中得到廣泛的應(yīng)用，特別是透鏡折射。眼睛成像是透鏡成像規(guī)律的重要應(yīng)用。照相機(jī)與眼睛有相似的結(jié)構(gòu)，通過生理學(xué)中的眼模型，眼睛可以看成是精巧的照相機(jī)，眼球中的角膜和晶狀體的共同作用，相當(dāng)于一個(gè)“凸透鏡”，視網(wǎng)膜相當(dāng)于照相機(jī)的底片。從物體發(fā)出的光線經(jīng)過人眼的凸透鏡在視網(wǎng)膜上形成倒立、縮小的實(shí)像，分布在視網(wǎng)膜上的視神經(jīng)細(xì)胞受到光的刺激，把這個(gè)信號(hào)傳輸給大腦，人就可以看到這個(gè)物體了。這就是眼睛成像的基本原理。傳統(tǒng)照相機(jī)的原理與眼睛類似，但是也有不同的地方。 眼睛與傳統(tǒng)照相機(jī)的比較：眼睛照相機(jī)結(jié)構(gòu)角膜和晶狀體（相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡）鏡頭（相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡）調(diào)整瞳孔光圈接收視網(wǎng)膜（有感光細(xì)胞）底片（有感光材料）成像縮小、倒立、實(shí)像縮小、倒立、實(shí)像成像原理像距不變，當(dāng)物距減小（或增大）時(shí)，增大（或減小）晶狀體的曲率以減小（或增大）焦距，使物體在視網(wǎng)膜上成清晰的像焦距不變，當(dāng)物距增大（或減小）時(shí)，減小（或增大）鏡頭到底片間的距離，使物體在底片上成清晰的像近視也是生活中的常見現(xiàn)象，它形成的原因就是由于長(zhǎng)期的看近處的東西，眼睛的晶狀體產(chǎn)生了變形，調(diào)節(jié)能力差，不能使物體的光投影到視網(wǎng)膜上，因此不能看清遠(yuǎn)處的東西。日常生活中用的放大鏡也是也是光的折射的原因，凸透鏡成像的原理如下： 相距與焦距關(guān)系成像特征相距與焦距關(guān)系應(yīng)用u＞2f 成倒立縮小實(shí)像f＜v＜2f 照相機(jī)u=2f 成倒立等大實(shí)像f＜u＜2f 成倒立放大實(shí)像v＞2f 投影儀u＜f 成正立放大虛像v＞u 放大鏡u=f 不成像注：u為像距v為物距，f為透鏡焦距凸透鏡成像特征： 1.一倍焦距分虛實(shí)，兩倍焦距分大小 2.凸透鏡成的實(shí)像永遠(yuǎn)是倒立的 3.無(wú)論成虛像或?qū)嵪瘢灰锞嘣叫。窬嘣酱螅褚苍酱螅悍粗窬嘣酱螅锞嘣叫。褚苍叫 ?span style="display:none"> 0ETT@ /)]z 4.虛像不是人的幻覺，是真實(shí)存在的，照相機(jī)也能照出虛像，如：用照相機(jī)能照到物體在平 面鏡中所成的像。由于大氣的密度對(duì)光線的折射率不同，太陽(yáng)在清晨是看起來會(huì)大一些，在中午看起來會(huì)小一些。大氣對(duì)光的折射還產(chǎn)生了海市蜃樓等奇妙現(xiàn)象。 4.光的散射光的散射在生活中也產(chǎn)生了很多神奇的現(xiàn)象。就拿天空來說吧，為什么晴朗的天氣里呈現(xiàn)蔚藍(lán)色呢？原因很簡(jiǎn)單，大氣對(duì)太陽(yáng)光的散射作用，使我們看到的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。地球表面被大氣包圍，當(dāng)太陽(yáng)光進(jìn)入大氣后，空氣分子和微粒（塵埃、水滴、冰晶等）會(huì)將太陽(yáng)光向四周散射。太陽(yáng)光是由紅、澄、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種光組成，以紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光波長(zhǎng)最短。波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的紅光等色光透射性最大，能夠直接透過大氣中的微粒射向地面。而波長(zhǎng)較短的藍(lán)、靛、紫等色光，很容易被大氣中的微粒散射。在短波波段中藍(lán)光能量最大，散射出來的光波也最多，因此我們看到的天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色。其實(shí)，天空一直是藍(lán)色的。在高原上幾乎天天都可以看到蔚藍(lán)色的天空。春天風(fēng)沙彌漫，夏天滿天云彩，冬天煙霧層層，妨礙我們經(jīng)常看到藍(lán)天，只有秋天空氣凈潔，使我們看到藍(lán)天的機(jī)會(huì)特別多。在太陽(yáng)光通過大氣層入射到地球表面的過程中，大氣層中的空氣分子或其它質(zhì)點(diǎn)（如水滴、懸浮微粒或空氣污染物）會(huì)對(duì)日射產(chǎn)生吸收、散射、反射、透射等作用，而形成了藍(lán)天、白云或絢麗的夕陽(yáng)余暉。在沒有大氣層的星球上，即使是白晝，天空也將是漆黑一片。我們所見的藍(lán)天乃是因?yàn)榭諝夥肿訉?duì)入射的太陽(yáng)光進(jìn)行選擇性散射的結(jié)果。散射量與質(zhì)點(diǎn)的大小有極大關(guān)系，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的直徑小于可見光波長(zhǎng)時(shí)，散射量和波長(zhǎng)的四次方成反比，不同波長(zhǎng)的光被散射的比例是不同的，此亦稱為選擇性散射。以入射太陽(yáng)光譜中的藍(lán)光（波長(zhǎng)=0.425μm）和紅光（波長(zhǎng)=0.650μm）相比較，當(dāng)日光穿過大氣層時(shí)，被空氣質(zhì)點(diǎn)散射的藍(lán)光約比紅光多五倍半，因此晴天天空是蔚藍(lán)的。但當(dāng)空中有霧或薄云存在時(shí)，因?yàn)樗钨|(zhì)點(diǎn)的直徑比可見光波長(zhǎng)大，選擇性散射的效應(yīng)不再存在，此時(shí)所有波長(zhǎng)的光將一視同仁地散射，所以天空呈現(xiàn)白茫茫的顏色。至晴天空中的白云，云內(nèi)的云滴直徑更大，日光照射到它們時(shí)已非散射而是反射現(xiàn)象，所以看起來更顯得白而光亮。 5.光的色散白光是由赤橙黃路青藍(lán)紫七種不同顏色的光復(fù)合而成的，白光的色散也在生活中產(chǎn)生了漂亮的景象，彩虹便是其中之一。彩虹是太陽(yáng)光穿透雨的顆粒時(shí)形成的。原本光是筆直行進(jìn)的，但它也具有一旦進(jìn)入水中就會(huì)折射的性質(zhì)。因此太陽(yáng)光在通過雨的顆粒時(shí)就會(huì)折射。此時(shí)，由于光折射的角度因顏色而各異，所以七種顏色會(huì)以各自不同的角度折射。所以七種顏色會(huì)很漂亮地排列起來。這就是形成彩虹的原理。因?yàn)椴屎绯尸F(xiàn)于與太陽(yáng)方向相反的天空，所以想在雨后看彩虹時(shí)要背對(duì)著太陽(yáng)。夏天雨后，烏云飛散，太陽(yáng)從新露頭，在太陽(yáng)對(duì)面的天空中，會(huì)出現(xiàn)半圓形的彩虹。虹是由于陽(yáng)光射到空中的水滴里，發(fā)生發(fā)射與折射造成的。我們知道，當(dāng)太陽(yáng)光通過三棱鏡的時(shí)候，前景的方向會(huì)發(fā)生偏折，而且把原來的白色光線分解成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、 紫7種顏色的光帶。下過雨后，有許多微小的水滴漂浮在空中，當(dāng)陽(yáng)光照射到小水滴上時(shí) 會(huì)發(fā)生折射，分散成7種顏色的光。很多小水滴同時(shí)把陽(yáng)光折射出來，再反射到我們的眼睛里，我們就會(huì)看到一條半圓形的彩虹。 |
