光现象

物理学现象

光现象（optical phenomenon）通常是指与有关光在真空与材料中的传播规律，以及透镜成像的物理现象。

简介

光现象通常是指有关光在真空与材料中的传播规律，以及透镜成像的物理现象。

不考虑光的波动性和粒子性（这属于高中物理的内容，初中阶段可以不考虑），光在同一均匀介质中直线传播。

由于光与介质的相互作用，光从真空（或某一个透明介质）传播到另一个透明介质时，会发生反射、折射、吸收等现象。如果光入射到对可见光不透明（透射率等于0）的材料上，则只发生吸收和反射。

光源

太阳、电灯等物体能够发光，这些物体叫做光源。夜晚，我们可以看到闪烁的星光，这些星星多数是恒星。宇宙中的恒星都能够发光，恒星是由炽热气体组成的，是能自己发光的球状或类球状天体，所以恒星属于光源。

当然，光源还分为天然光源和人造光源。

光的传播

许多动物也可以发光。夏天的夜晚，常有淡淡的绿光在草丛中闪烁，这是萤火虫在发光。有些海洋生物也能发光。在大海深处，灯笼鱼、斧头鱼、水母等发出的光，使幽深的海底世界显得更加神秘。

传播方式

光在同种均匀介质中沿直线传播。

注：光线是虚拟而成的，运用了模型法，只是为了表示光的传播现象。

传播速度

打雷时，雷声和闪电在同时同地发生，但是我们总是先看到闪电后听到雷声。这表明，光的传播速度比声音快。

真空中的光速是宇宙间最快的速度，在物理学中用字母c表示。光在真空中1s能传播299792458m，也就是说，真空中的光速为

c＝2.99792458 × 10^8 m/s。

光在其他各种介质中的速度都比在真空中的小。空气中的光速大约为 2.997000 × 10^8 m/s。

在我们的计算中，真空或空气中的光速取为 c＝3 × 10^8 m/s。

光在水中的速度比真空中小很多，约为真空中光速的3/4；光在玻璃中的速度比在真空中小得更多，约为真空中光速的2/3。

光的反射

反射规律

光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射（reflection）。

经过入射点且垂直于镜面的直线叫做法线；入射光线与法线的夹角叫做入射角；反射光线与法线的夹角叫做反射角。

在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内；反射光线、入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。这就是光的反射定律（reflection law）。

在反射现象中，光路是可逆的。巧记反射规律：“三线共面、法线居中、两角相等、光路可逆”。

镜面反射

物体的反射面是光滑的，光线平行反射，这种反射叫做镜面反射。如镜子、平静的水面等。

一束平行光射到平面镜上，反射光是平行的，这种反射叫做镜面反射。

当一束光射到凹凸不平的物体时，它的反射光线也是射向不同的方向的，不是平行的，所以我们才能从不同的地方看到同一个物体，而这种反射方式称为“漫反射”，否则，如果都是镜面反射的话，我们只有站在特定的地方才能看的到物体。

镜面反射是指反射波（电磁波，或声波、水波）有确定方向的反射；其反射波的方向与反射平面的法线夹角（反射角），与入射波方向与该反射平面法线的夹角（入射角）相等，且入射波、反射波，及平面法线同处于一个平面内。摄影时应避免镜面反射光线进入摄影机镜头，由于镜面反射光线极强，在像片上将形成一片白色亮点，影响地物本身在像片上的显现。

镜面反射遵循光的反射定律。

镜面反射所成像的性质是正立的、等大的，位于物体异侧的虚像。

镜面反射是入射光线是平行光线时，反射到光滑的镜面，又以平行光线出去。

漫反射

凹凸不平的表面会把光线向着四面八方反射，这种反射叫做漫反射。

一束平行光射到平面镜上，反射光是平行的，这种反射叫做镜面反射，并且同样也遵循着光的反射规律。

光反射的应用

载有信息的光在某种管中进行多次反射把信息传到另一位置，这样就可以利用光传递信息。

平面镜成像的原理

平面镜成像是光的反射造成的。

平面镜成像

在你照镜子的时候可以在镜子里看到另外一个“你”，镜子里的这个“人”就是你的像（image）。无论你距离镜子有多远，镜子中的像的大小始终不变。并且你到镜面的距离等于像到镜面的距离。概括来说，平面镜成像性质是：平面镜能成正立等大的虚像。像的大小只和物体大小有关，与物体到平面镜的距离无关。物体到平面镜的距离始终等于像到平面镜的距离，且物体与像的连线垂直于镜面。

虚像

如果把一块玻璃板作为平面镜，在前面点上一根蜡烛；此时，平面镜后面并没有点燃的蜡烛，但是我们却看到平面镜后面好像有蜡烛。

这是因为光源处向四处发光，一些光经平面镜反射后进入了人的眼睛，引起了视觉，我们感到好像光是从另一处（S'）发出的。S'就是S在平面镜中的像。

由于平面镜后并不存在光源S'，进入眼睛的光并非真正来自那里，所以把S'叫做虚像（virtual image）。

虚像指的是能被人看见，但不能在屏幕上呈现的像。

光的折射

折射现象

光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折，这种现象叫做光的折射（refraction）。光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折。

通过折射，能使池水看起来变浅。

折射规律

简记为：三线共面，一边一个，两角不等。

光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折；当光从水中斜射入空气中时，折射光线向界面方向偏折。当光线垂直界面入射时，折射光线方向不改变。

利用光的折射规律，可以解释游泳池水变浅的原因。

所以潜水员看岸上的人比实际要高空气中的角无论是折射角还是入射角，都要大于其他介质中的角。

光的色散

17世纪以前，人们一直认为白色是最单纯的颜色。直到1666年，英国物理学家牛顿用玻璃三棱镜使太阳光发生了色散（dispersion），这才解开了光的颜色之谜。

光谱

光谱（spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

色光的混合

色光的三原色与颜料的三原色

色光的三原色是红（red，R）、绿（green，G）、蓝（blue，B），调节三原色的不同比例就能得到某一种颜色的光。

颜料的三原色是青（cyan，C）、品红（magenta，M）、黄（yellow，Y）。颜料的颜色决定于外来照射光的颜色，以及颜料对照射光的吸收和反射情况。例如：红色物体几乎反射红色光，吸收其他色光。

色光的三原色混合在一起为白色，而颜料的三原色混合在一起为黑色。

物体的颜色

在光照到物体上时，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收。如果物体是透明的，还有一部分透过物体。不同物体，对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现不同的色彩。

如果在白屏前放置一块红色玻璃，则白屏上的其他颜色的光消失，只留下红色。这表明，其他色光都被红色玻璃吸收了，只有红光能够透过。如果在白屏前放置一块蓝色玻璃，则白屏上只呈现蓝色光。

所以，透明物体的颜色由通过它的色光决定。

如果把一张红纸贴在白屏上，则在红纸上看不到彩色光带，只有被红光照射的地方是亮的，其他地方是暗的；如果把绿纸贴在白屏上，在屏上只有绿光照射的地方是亮的。

所以，不透明物体的颜色是由它反射的色光决定的。

此外，白色的物体反射所有颜色的光，黑色的物体吸收所有颜色的光。

介质中光现象的微观机理

物体（例如水、玻璃、塑料、镜子）是由分子组成的，分子是由原子构成的，而原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。由于分子是一种由若干带电粒子构成的系统，而可见光是一种特定频段的电磁波，当一束光通过物体时，其周期振荡的电场与磁场频繁地极化与磁化物体中被入射的分子，形成振荡的电偶极子与磁偶极子，使分子中的电荷发生受迫振动，并向四周辐射出新的同频率的光。这种入射光与物体分子内部电荷的共同作用，产生了吸收、反射、透射、折射、色散等上述介质中的光学现象。在透明物体中，新的光与入射光相互叠加，构成一个与原来频率相同，但传播速度不同于真空的光波——这就是光在透明材料中传播速度小于真空光速c的原因。

非可见光

紫外线

在光谱中，波长自400nm至10nm的一段被称为紫外线，紫外线是不可见光线。太阳光透过大气层时，波长短于290 × 10^(-9)m的紫外线可以被大气层中的臭氧吸收掉。

紫外线的特点和作用

紫外线的主要特性是化学作用强。能用来杀菌、验钞。

紫外线有化学作用，能使照相底片感光，荧光作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。

人工的紫外线光源有多种气体的电弧（如低压汞弧、高压汞弧）。

紫外线可以防伪。

紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。

红外线

在光谱中，波长自0.76μm至400μm的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（0K，即-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。

红外线的特点和作用

红外线的主要特性是热作用强，具有热效应。自然界中的所有物体都在不停地向外辐射红外线。

利用红外线可加热物品，可制成红外线夜视仪。

红外线夜视仪被称为“黑夜中的眼睛”。

光污染

可见光污染：比较常见的是眩光，如汽车夜间行驶时前大灯的照射光，核爆炸时产生的强闪光。电焊时发出的强光，等等。在这些强光照射的环境中，如果没有适当的防护措施，人的眼睛就会受到伤害。随着城市建设的发展，太阳光的反射造成的污染日趋严重。如高大建筑物的玻璃幕墙会产生很强的镜面反射，强烈的反射光不仅会影响人们的正常工作和休息，还会影响街道上的车辆行驶及行人的安全。

红外线和紫外线污染：（1）红外线是一种热辐射，对人体可造成高温伤害。（2）紫外线对人体的伤害主要是眼角膜和皮肤。适当和适度的接受紫外线照射，可使机体皮下脂肪中的一种胆固醇转化成对身体有益的维生素B12（骨化醇）但是过度照射则可能损害人体的免疫系统，导致多种皮肤损害。

学习口诀

1.光的传播

能够发亮叫光源，月亮不是太阳是。

光的传播有条件，均匀介质才直线。

不同物中速度变，真空每秒三十万（千米）。

（光速）c＝3×10^5km/s＝3×10^8m/s。

光的速度比声快，真空光走声不走。

2.光的反射

法线通过入射点，虚线垂直反射面。

反射入射居两边，反角入角总相等。

入法夹角为入角，入角增大反角增。