光的基本特征

發布日期:2023-05-22 15:05:32   來源 : 濱松中國    瀏覽量 :227
濱松中國 發布日期:2023-05-22 15:05:32  
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        “光”是與我們的生活密切相關的一種奇特物質,之所以說它“奇特”,是因為它具有諸多特殊性質,這也是其一直以來深深吸引人們的原因。

光是一種波動還是粒子?

       光同時具有著波動性和粒子的特性,我們常常將其稱為波粒二象性。

       為了表示“波動性”這一性質,我們選用了“波長”這一詞語。波長是光一個振動周期傳播的距離,納米(nm,10億分之一米)是它常常使用的單位。我們肉眼所能見的光,只是波長大約400nm到700nm之間的光,稱之為可見光。這些波長范圍以外的光有x線、紫外線、紅外線等等。這些光我們雖然看不見,但它們也都是“光”這個大家族的重要成員。

       另一方面,光具有“粒子”的特性(光的粒子性)。光強的變化取決于粒子數量的不同。明亮的光它的粒子數量就多,相反暗的光粒子數量就少。我們將這樣的粒子叫做“photons”,也就是“光子”。

       在示波器中對聲音和光的信號進行比較,便可以確定光的粒子性。眾所周知的是聲音具有波動性,如果聲音的強度或量級漸弱,聲音的信號也會隨之變弱,最后甚至消失。與之相對,光雖然也是隨著減弱而信號變得越來越小,但在示波器中還是能檢測到稀疏的脈沖(極短時間內的信號)。這也就說明,光具有著“粒子”的特性。

光譜圖

聲音信號和光信號的對比

光是以每秒30萬千米的速度行進著

       光的速度每秒約30萬千米,也就是說它大約1秒就可以繞地球7圈半。這樣的特性也使光可以應用于許多科中,比如說可以在短時間內傳輸海量信息的光通訊。

光可以在大約1秒的時間內繞地球7圈半

       但是,就算是這個比我們認知內任何一個物體速度都要快的光,把它置于真空中,在兆分之一秒內也只能移動0.3毫米?,F在在物理、化學、生物諸多領域,對這樣在極其短的時間內迅速發生的光現象的研究,都已成為了必不可少的一部分。

*注:1毫秒=1000分之1秒,1微秒=100萬分之1秒,1納秒=10億分之1秒,1皮秒=1兆分之1秒

光與物質的相互作用

      光在沒有物質的真空宇宙空間中可以毫無障礙的筆直穿行,但當它遇到水、空氣等一類物質時,我們會看到被稱之為“吸收”“透過”“反射”“散射”等的現象。

當光遇上物質時,會發生各種各樣的作用

       首先,當光遇到物質時,其中一部分在穿過物質時被吸收(a),轉變為熱能;若是碰到的物質是透明的,光在其內部并沒有被吸收,而是直接透過(b)并再次出現在物質的外側;另外,如果物質的表面像鏡面那樣光滑的話,光就會引起反射(b),而碰到表面凹凸的物質,則會發生散射(c).

(a)吸收

(b)反射和透過


(c)散射

      我們的眼睛就是通過“透過”或“反射”、“散射”的光,來看到所有物質的顏色和形狀的。

光的反射
為什么鏡子可以映出物體,比如說人的臉?建筑物的窗戶玻璃是如何倒影出道路和行駛的車輛的?

       通過物體反射出來的光被稱之為反射光,我們之所以能夠看到物體的樣子,是因為物體的反射光通過眼睛的晶體,在視網膜上進行了成像。從一個沒有凹凸的平面物體,如鏡子、安靜的湖面等物質反射出的光,因其入射角和反射角等同而產生“鏡面反射”,進而進入我們的眼睛,在人眼中清晰地倒映出物體的樣子。

       另一方面,當一束光照射到凹凸不平的物體時,光會向不同的方向進行“散射”,從而進入我們眼睛的光就不能產生清晰的圖像。這也是為什么鏡面如果是凹凸的話,物體的倒影會變得模糊,或是完全沒有了倒影。

無風的湖面上倒映出的景色

光的散射
白天時天空的顏色是藍色的,但到了傍晚為什么天空看上去就變成紅色了呢?

晴朗的藍天

落日的晚霞

       太陽給予我們的光是通過了漫長的宇宙旅程才到達地球的,它在這段旅途中,會和大氣中的各種粒子、分子相遇從而發生“散射”,而后一部分光返回到了宇宙,余下的光則進入到大氣,到達地球。

       然而,不同波長的光,散射的程度也是有所不同的,在人眼可見的光中,藍光是很容易散射的,這也是為什么在我們眼中的天空是藍色的。另一方面,日落時的晚霞和日出時的朝霞都有著漂亮的紅色、橙色或者粉色。這是因為在太陽位置低的時候,光通過大氣到達地球的距離變長,散射的藍光在途中減弱,余下的紅光或橙色的光就到達了我們的視線。

光的折射
盯著杯中放入的吸管,發現沒入水中的部分發生了彎曲,這是為什么呢?

        由于光在空氣和水中的傳播速度是不同的,因此在空氣和水的交界處往往會發生光的“折射”。

        我們眼睛雖能捕捉到水中吸管發出的散射光,但當光從水進入到空氣時,同時也發生了折射。然而,我們眼睛看到的是從水中發出的平行光,折射進入眼睛的光的延長線上描繪出了“虛像”。因此,看到在水中的吸管的前端,和實際位置是有偏差的。


光的干涉
肥皂泡上面漂亮的顏色是怎么來的呢?

       光是朝著所有方向傳播的,因此光波之間常常會發生碰撞,由這種碰撞引起的現象叫做“干涉”。當這些波的波峰重疊時,峰值會變得更大,而當波峰與波谷碰撞時,波之間就會相互抵消。

       肥皂泡是一層極其薄的膜,膜的外側和內側反射的光相互干涉進而產生顏色。而之所以肥皂泡膜會引起光的干涉,是因為它不斷地在運動,所看見的角度也隨之發生著變化。如此一來,這些波的光強不斷加強或抵消,最終形成了我們眼看到的五彩變幻的顏色了。

肥皂泡的奇妙顏色

光的色散
為什么雨后的天空會出現彩虹?

       太陽發出的光叫白光,實際上它混合了各種各樣的光,只是看起來是“白光”而已。如果我們使用棱鏡對白光進行分離的話,我們便可以看到各種顏色的光了。而這樣的現象被稱之為光的“色散”。

       在自然界,雨水蒸發到空氣中殘留的水滴,同樣具有棱鏡的作用。遇見水滴的光會發生折射并進入水滴的內部,當從水滴內部反射到外部時,光會再發生折射。如此,空氣中的水滴剛好就發揮了與棱鏡相同的“分散”功能,進而各種連續的帶狀顏色的光,就出現在我們的眼前,沒錯,這也就是彩虹。

       另外,仔細觀察彩虹的周邊你可以發現,其外側還有一條顏色順序反過來的彩虹(副虹)。副虹則是水滴中發生2次反射的光進入人們視線而出現的。

雨后空中飄現的彩虹

       光的這些特性,讓世界在我們眼中充滿了奇妙的色彩和形狀,不過這都是它和物質發生作用后產生的樣子,那光本身的“姿態”到底是什么樣的呢?除了我們肉眼可見的光以外,在這個大家族中還有著什么樣的神秘成員?

顏色
物體
物質
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