生活中的光学..

生活中的光学
正文：光在人们的生活中占据着重要的地位，可以说是任何事物都无法取代的。

没有光进入人眼，就没有这五彩缤纷的世界，世界将一片“黑暗”。

有了光进入眼睛，我们就看见世界一片“光明”。

1．光的直线传播
中国有句俗语叫做“未见其人，先闻其声”这正是由于光和声音的不同性质而产生的现象，光的波长较短，而声波的波长较长，根据波的衍射原理，与障碍物尺寸相差不大的波长的波可以产生明显的衍射现象，因而声音可以绕过墙壁等障碍物传播到人的耳朵里，而光却不能绕过墙壁等障碍物传播到人的眼睛里。

因为光的波长较短所以衍射现象不明显，因此在宏观上可以认为光沿直线传播。

光沿直线传播这一特性在生活中也得到了广泛的应用，例如射击时的瞄准，激光准直等现象。

光的直线传播还形成了一些特有的现象，日食和月食的形成原理都是由于光的直线传播。

具体的形成原因如下：日食是在同一直线上的太阳、月亮和地球之间，月亮把太阳光挡住，致使地球上的局部地方，即使是白天，也看不到太阳或只看到残缺的太阳，太阳完全被遮住称为日全食，遮住部分称为日偏食。

而月食，是在同一直线上的地球把太阳光遮住，致使在晴朗的夜空，月亮也变得黑黑的，同样月食也分月全食和月偏食。

在我国古代的时候，由于人们不了解月食的形成原因，迷信地认为发生月食是将要有大的灾难，因此古时人们把月食叫做“天狗吃月亮“，现在我们知道，日食和月食都是光的直线传播规律的一个自然而然的现象。

光的直线传播还产生了小孔成像等现象，在晴朗的天气可以直观的看到树林中光线直线传播的现象。

2.光的反射
光的反射在生活中也有广泛的运用，最常用的应该属于大家常见的镜子，由于光的反射，镜子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。

由于光的反射线总是与入射线分居法线两边，且与法线夹角相同，如果把镜子的面做的不是很平整，那么在镜子中看到的像就发生拉伸或扭曲，这就是哈哈镜的原理，哈哈镜表面做的不平整，当人从镜子中看到自己的扭曲的像时会忍不住哈哈大笑，哈哈镜因此得名。

汽车的后视镜也运用了光的反射原理，汽车后视镜作出凹面，后面的景物反射回人眼时就缩小了，因此可以在很小的镜面中看到后面的大面积景物。

光的反射在交通工具另一应用：高速公路上的标志牌都用"回归反光膜,,制成,夜间行车时,它能把车灯射出的光逆向返回,所以标牌上的字特别醒目.另外运用各种曲面对光的不同反射作用可以使光汇集或发散，手电筒里的反射镜就是运用这个原理将从小灯泡发出的光反射后沿直线射出。

3.光的色散
白光是由赤橙黄路青蓝紫七种不同颜色的光复合而成的，白光的色散也在生活中产生了漂亮的景象，彩虹便是其中之一。

彩虹是太阳光穿透雨的颗粒时形成的。

原本光是笔直行进的，但它也具有一旦进入水中就会折射的性质。

因此太阳光在通过雨的颗粒时就会折射。

此时，由于光折射的角度因颜色而各异，所以七种颜色会以各自不同的角度折射。

所以七种颜色会很漂亮地排列起来。

这就是形成彩虹的原理。

因为彩虹呈现于与太阳方向相反的天空，所以想在雨后看彩虹时要背对着太阳。

4.激光
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。

激光的特点：1.
定向发光。

2.亮度极高3.颜色极纯。

激光亮度极高的主要原因是定向发光。

大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。

以输出
红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。

由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

此外，激光还有其它特点：相干性好。

激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。

这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。

而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。

闪光时间可以极短。

●伽利略望远镜的原理及光路图
物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。

光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。

伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。

其优点是镜筒短而能成正像，但它的视野比较小。

把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。

你可以用很低的费用制作一架伽利略式望远镜。

从文化用品商店买一块直径、焦距大一些的眼镜片作为物镜和一块焦距、直径较小的透镜作为目镜。

用胶水和小槽把两块镜片装在硬纸筒内，再做一个简单的台座，于是一架能够看到月亮上的群山、银河中的繁星和木星的卫星的望远镜便制成了。

想想看，伽利略就是用这人发现的。

但是切记，不要通过望远镜直接观察太阳，以免高温灼伤眼睛！伽利略的折射望远镜有一个令人讨厌的缺点，就是在明亮物体周围产生“假色”。

“假色”产生的症结在于通常所谓的“白光”根本不是白颜色的光，而是由组成彩虹的从红到紫的所有色光混合而成的。

当光束进入物镜并被折射时，各种色光的折射程度不同，因此成像的焦点也不同，模糊就产生了。

1611年，另一位天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。

现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式。

但是“假色”问题仍然未能解决。

利珀希不是天文学家，从未想过把自己的新装置对准天空。

但是没过多久，关于他的发现的消息传开了。

幸运地是，意大利的帕多瓦大学教授伽利略得知了此事。

伽利略很快就制造了一台折射望远镜。

他以平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜。

从待研究的物体发出的光照射到望远镜物镜的一个玻璃透镜上，物镜使光线折射并把它集中于称为焦点的一点上，在那里便形成了发光体的像。

这个像被目镜的透镜放大，进入人眼。

●开普勒望远镜的原理及光路图
开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。

物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。

这种望远镜成像是上下左右颠倒的，但视场可以设计的较大，最早由德国科学家开普勒（Johannes Keller）于1611年发明。

为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜在光路中增加了转
像稜镜系统。

此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。

开普勒式原理由两个凸透镜构成。

由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板（安装在目镜焦平面处），并且性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。

但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。

正像系统分为两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。

我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。

这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。

透镜正像系统采用一组复杂的透镜来将像倒转，成本较高，但俄罗斯20×50三节伸缩古典型单筒望远镜既采用设计精良的透镜正像系统。

开普勒式望远镜看到的是虚像, 物镜相当于一个投影仪,目镜相当于一个放大镜。

●车窗中的物理知识
汽车作为重要的交通工具，已经成为了人类生活中不可或缺的一部分.细心观察一下，各种式样的汽车车窗，涉及到的物理知识还真不少呢！
一、轿车前边的车窗玻璃为何要做成倾斜的？
不少学生可能一下子会认为：做成这样还不是为了减小车子行驶过程中的阻力呗！那也许又有学生要追问：那大型汽车（如长途客车、公共汽车、大型卡车）驾驶室的前窗玻璃可是竖直的呀？显然这种解答是不科学的！这可要从光学角度来分析：挡风玻璃是透明的，但不是绝对没有反射.坐在驾驶员后面的乘客会由于反射成像在驾驶员的前方.小轿车较矮，坐在里面的乘客经挡风玻璃成像在前方，若挡风玻璃是竖直的，则所成的像与车前方行人的高度差不多，这就会干扰驾驶员的视觉判断，容易出事故.而当挡风玻璃为倾斜时，所成的像就会在车前的上方，驾驶员看不到车内人的像，就不会影响视觉判断，保证行车安全.大型汽车一般很高，驾驶员的位置（视线）比路面行人要高些，这时虽然车内乘客经挡风玻璃反射成的像在车前方，但位置比路上行人高得多，且比较暗淡，因而不会影响驾驶员的视觉判断.
二、装有空调的汽车在夏、冬季节，车窗上都有水珠出现，这是怎么回事？
你首先要知道:小水珠在不同季节可是出现在车窗玻璃不同的表面上的哟！原因是夏天车外气温高，车内气温低，故车子外面的水蒸气遇冷在窗户玻璃的外表面上液化形成了小水珠；而冬天则相反，车内气温高于车外气温，所以车子内的水蒸气遇冷在车窗玻璃的内表面上液化形成了小水珠.
三、为何夜间行车时，车内不能亮灯呢？
在晚上乘车或在路边行走时，我们会发现夜晚行驶的汽车，车内的灯都是关闭的.因为当车内开灯时，汽车的挡风玻璃相当于一个平面镜，车内人、物在玻璃的反射下会在车前方形成虚像，由于车内光线比外面强，所以像可能比车前行人还要明显，结果使司机看不清或发生混淆，造成判断失误酿成交通事故.因此，夜间行车，为了避免车前出现车内景物的像，保证司机看清路面上的景物，必须关掉车内的灯光！
四、汽车上为何安装茶色玻璃？
行人很难看清乘车人的面孔。

要看清乘车人的面孔，必须从面孔反射足够强的光射到玻璃外面进入车外人的眼里，茶色玻璃表面能反射一部分光线，还会吸收一部分光线，透进车内的光线较弱，其中又有一部分反射光被茶色玻璃反射和吸收，没有足够的光透射出来，所以行人很难看清乘车人的面孔。

五、小轿车后窗玻璃上那些横着的细线条有啥作用？
轿车后窗玻璃上粘着不少横着的薄膜，可是导电的哟！我们知道司机是从驾驶室上方的反光镜里观察车后面的情况.冬天车内比车外暖和，后窗玻璃上容易产生水汽或结霜，此时反光镜映出的后窗上将是白茫茫一片，司机就看不清车后的情况，这是十分危险的.人们由此想出办法，把窗做成双层并粘上导电薄膜，通电后，使玻璃温度升高，玻璃上不会产生水汽或霜，从而消除了事故隐患.另外一些高级车的后窗玻璃上还安有收音机天线和刚才谈到的加热线颜色一样。

●为什么汽车要贴防护膜
减轻紫外线辐射伤害，过强的紫外线会对人皮肤造成伤害已是常识。

普通车窗玻璃只可以阻隔19%的
紫外线侵害，皮肤涂上防晒霜后，可抵御97.5%的紫外线侵害，但持续时间只有几小时，无法从根本上解决问题。

而高质量的专业太阳膜紫外线阻隔率可达到99%。

汽车膜阻挡紫外线，是因为在其生产过程中，在膜中添加了一种专门阻隔紫外线波长通过的材料。

隔热，有关数据显示，在温度超过28℃时，人的应急反应能力会下降50％。

夏季汽车内的温度常常会比28℃还要高，这对司机来说是一个不小的考验。

隔热是太阳膜的一大优点，贴上它不仅降低温度，使司机安心驾驶，而且可以少开或不开汽车空调，有效节省能源，同时也不影响汽车的动力性能。

防盗，汽车给我们的生活带来方便的同时，也增加了忧虑，比如担心窃贼盗窃车内物品。

窃贼通常是寻找最容易得手的汽车作为袭击目标。

只经过钢化的玻璃，无疑不能有效防止被盗。

贴上汽车安全膜，危险系数会大大降低。

实验显示，当贴上高质量的汽车安全膜以后，击碎一块玻璃的时间从几秒钟延长至数十秒钟。

●日出与蜃景
日出与蜃景都包含有一定的光学知识，但它们是有区别的。

在应用有关光学知识分析解释这种光学自然现象时，要注意正确应用相关的光理论。

一、光的折射与日出
光在同一种均匀介质中是沿直线传播的，日出时太阳理应恰好处于地平线时我们才能看到。

但是，由于大气层并非均匀，而是在地面附近稠密，空中稀薄，且越到高空越稀薄。

因而，远在大气层外的太阳光射入我们眼睛的过程，一路上传播光的空气介质的折射率是逐渐增大的，因而太阳光一路折射使光线呈弯曲状。

由于太阳光是不断从折身率n较小的空气层射向折射率较大的空气层，因而折射角r要小于入射角I，使得光线前进的总效果呈弯曲状。

又由于人们日常生活的习惯经验，总认为光线是沿直线传播的。

因而，人眼总是逆着光线方向去寻找发光的物体，故认为日出时太阳恰好处于地平线上，而非在地平线以下。

由此看来，大气层对太阳光的折射结果，使我们看到的日出要早一些，也就是看到的天体位置比实际置高一些。

二、光的反射与蜃景
无论是海面上的蜃景，还是沙漠上的蜃景，都是远处地面上的物体的光线经大气层反射进入人眼的。

因而和日出相比，它们的区别在于，日出“早出”现象是远在大气层外的光线过大气层后的一种光的折射现象，而蜃景现象是远处地面上物体的光线经大气层反射的一种光的反射现象。

对于海市蜃景，因海面处空气温度低，下层空气的折射率比上层大，故来自远处物体上的光线是从光密介质进入光疏介质，将发生全反射，使光路呈弯曲状。

人眼远远望去，好象在沿直线方向海面的的远处上空有物景存在。

沙漠蜃景，是因沙漠表面空气因太阳照晒温度高，下层空气的折射率比小层小，故来自远处物体上的光线也是从光密介质进入光疏介质，在地面附近发生全反射的结果。

使人眼远远望去好象在沿直线方向沙漠的远处有一池清水，甚至“水面”上景物倒立的像。

由此可见，日出与蜃景生产的条件和原因是不同的。

学习中要注意区分分析它们所应用的光学知识及处理方法。

●人是怎样看见物体的
古人很早就思考过这个问题，提出过一些猜测。

有人认为是眼睛发出光线，这些光线碰上物体，人才看见那些物体。

还有人认为眼睛发出触须那样的东西，通过触摸而看到物体。

这些看法都是错误的，但它说明人的认识是不断进步的。

公元11世纪，阿拉伯科学家伊本？海塞本纠正了上述看法。

他认为光线是从火焰或太阳发出，射到物体上，被物体反射后进入人眼，人因此而看到物体。

现在我们知道，人眼就好像一架照相机。

当发光物体发出的光或不发光物体反射的光进入眼睛，通过眼睛的折光部分在眼的视网膜上形成物体倒立的像，然后通过神经系统传到大脑，产生视觉，人就看到了
物体。

●早晚的天空为什么是红色的
早晨和傍晚，在日出和日落前后的天边，时常会出现五彩缤纷的彩霞。

朝霞和晚霞的形成都是由于空气对光线的散射作用。

当太阳光射入大气层后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒，就会发生散射。

这些大气分子和微粒本身是不会发光的，但由于它们散射了太阳光，使每一个大气分子都形成了一个散射光源。

根据瑞利散射定律，太阳光谱中的波长较短的紫、蓝、青等颜色的光最容易散射出来，而波长较长的红、橙、黄等颜色的光透射能力很强。

因此，我们看到睛朗的天空总是呈蔚蓝色，而地平线上空的光线只剩波长较长的黄、橙、红光了。

这些光线经空气分子和水汽等杂质的散射后，那里的天空就带上了绚丽的色彩。

俗话说"早霞不出门，晚霞行千里"，这就是说，早晨出现鲜红的朝霞，说明大气中水滴已经很多，预示天气将要转雨。

如果出火红色或金黄色的晚霞，表明西方已经没有云层，阳光才能透射过来形成晚霞，因此预示天气将要转晴。

●为什么早上太阳大，中午太阳小
为什么早上和傍晚的太阳又大又圆，而中千的太阳小呢。

有兴趣的话，你仔细地观察一下初升的太阳和傍晚的太阳，再看看中午的太阳，就会发现，早上和傍晚的太阳又大又圆，中午的太阳小得多。

其主要原因就是早晨和傍晚的太阳光进入地球在大气层时折射效果特别明显，而中午直射的成分多，这就造成早晨和傍晚看到的太阳比实际大，且位置比实际的高。

另一个方面，太阳的大小并没有变化，而是人的视觉出了问题。

视觉是这样形成的，物体发射出的光被人眼的水晶体（透镜）成像于视网膜上，使感光细胞感光，然后由视神经将信息传送到大脑皮层，经过信息加工、处理后形成视觉。

在一定程度上修改了原样。

例如，同样大小的物体，黑色的比白色的显得小些，一幅画上的蓝天比建筑物显得远一些，诸如此类。

总之，目标与背景的对比度，色彩的不同，色彩的衬度等都会程度不同地修改原样。

看太阳也是这样，因为早晨，太阳初升，背景较暗淡，在暗背上的亮目标显得大些，再加上早晨的太阳是红色的，人们又以地物为参照物，因此早晨的太阳看起来又大又圆。

傍晚的太阳显得大些也是这个道理，但傍晚的太阳显得扁些，这是由光的折射所致。

而中午太阳悬天高照，又以天空为背景，没有另外的参照物，因而看起来显得小些。

这类现象在日常生活中也经常遇到。

如胖人穿黑色或深色衣服会有瘦俏感；瘦人穿浅色服装才能显得丰满些；而胖人穿浅色服装会显得臃肿；瘦人穿深色服装显得更瘦俏……，如果你注意到视觉的这一特点，会使你的生活更美好。

●神奇的激光
在一般人的心目中，太阳光可能是世界上光度最强的光。

但是，到了20世纪中叶，科学家们却发现了一种比太阳表面亮度高出100亿倍的光，它就是激光。

要弄清激光，首先得从物质的原子结构谈起。

原子是由带正电荷的原子核和带负电的电子组成。

电子绕原子核作高速运动，犹如九大行星绕着太阳运转一样。

电子排列是分层的，内层电子能量低，外层电子能量高，如果施加外力，使内层的电子跳到外层，而外层的电子再跳回内层，就会发生出灯光般的光束来。

激光发光的基本原理就是电子跳跃而发射的光。

当人们通过强大的外力激发，使某一物质中内层电子悄悄地跳到外层，使外层的电子越聚越多，而后，来一个反跳，使众多的高能电子一下子跳到低能的内层。

这样，就会发出强大的光束，而这种强大的光束就叫做激光。

用来产生激光的仪器叫激光器。

由激光器产生的激光，在短时间内能发出巨大的能量。

1960年，美国科学家梅曼首先用红宝石作材料，制成世界上第一台激光器，获得了6943A°的红光，开创了激光技术的先河。

如今形形色色的激光器如雨后春笋般出现。

据统计，已有数百种之多。

种类繁多的激光器，它们都由三个主要部分组成：第一部分称工作物质，它是保证受激而产生激光的物质；第二部分称泵浦手段，这是不断给产生激光的物质补充能量；第三部分是振荡腔，通过腔的振荡不断放大，从而保证激光输出。

人们给激光冠上神奇的称谓，那是因为它有独特的本领：方向性强，颜色纯，能量大等。

因而，它的用途十分广泛。

用激光来加工机械，削铁如泥，任何金属在激光面前都会迎刃而解；用激光于通讯，携带信息量惊人，用之于电话，可使几十亿部电话同时通话；用之于电视，可传播上千万套；用之于印刷，分辨率达每英寸9000个点，调制速率可达几十兆赫；用之于计算机，比电子开关快1000倍。

尤其值得一提的是，激光还可以用来制造武器。

比如，激光枪号称20世纪的无声枪，可使对方士兵双目失明；再如激光炮，它能量大命中率高，可轻易击毁敌方坦克、飞机、导弹，甚至卫星。

美国在白沙导弹试验场，用功率最大的默兰克尔激光炮对赫赫有名的大力神式导弹发射，不到2秒钟，大力神导弹就折戟沉沙。

激光炮的速度，达到惊人地步，每秒可走30万公里。

激光的发现能为人类造福，但也能给人类带来灾难。

科学家的任务是，用其利，去其害，造福于子孙后代。

为什么门镜又叫警眼
有些居民的大门上，可以看到一个圆形的小孔，小孔中装有玻璃片，这便是门镜，透过门镜，室内的人可以清楚地看出室外是谁在敲门，可室外敲门的人却不能透过玻璃片看清室内有没有人，故此，也有人称门镜为"警眼"。

"警眼"中的玻璃片到底是什么？贴近小孔一看，就可以猜出来。

由于透过小玻璃片看到室外是个"缩小"的人--一个正立缩小的虚象，所以它是一枚小小的凹透镜。

为什么用凹透镜作"警眼"？为什么它只能使室内人看清室外情况而不能反过来让室外人看到室内情况？借助光路可逆原理可以弄清楚这些问题。

当光在两种媒质分界上反射和折射时，光路是可逆的。

也就是说，如果光线逆着反射光线的方向射到界面，它将逆着原来入射光线方向反射；如果光线逆着折射光线方向射到界面，它将逆着原来入射光线方向折射。

汽车中的光学知识
1．汽车驾驶室外面的观后镜是一个凸镜利用凸镜对光线的发散作用和成正立、缩小、虚像的特点，使看到的实物小，观察范围更大，而保证行车安全。

2．汽车头灯里的反射镜是一个凹镜。

它是利用凹镜能把放在其焦点上的光源发出的光反射成为平行光射出的性质做成的。

3. 汽车头灯里的反射镜是一个凹镜。

它有两个灯丝.远灯丝在焦点上,近灯丝在焦点以内。

4. 汽车的雾灯(转向灯)用黄灯而不用红灯和绿灯,因为红光和绿光尽管穿透能力强,但容易给人们造成禁止通行和顺利通行的错觉.而黄光散射能力弱,穿透能力较强,又不会给人们造成错觉。

5．汽车头灯总要装有横竖条纹的玻璃灯罩汽车头灯由灯泡、反射镜和灯前玻璃罩组成。

根据透镜和棱镜的知识，汽车头灯玻璃罩相当于一个透镜和棱镜的组合体。

在夜晚行车时，司机不仅要看清前方路面的情况，还要看清路边行人、路标、岔路口等。

透镜和棱镜对光线有折射作用，所以灯罩通过折射，根据实际需要将光分散到需要的方向上，使光均匀柔和地照亮汽车前进的道路和路边的景物，同时这种散光灯罩还能使一部分光微向上折射，以便照明路标和里程碑，从而确保行车安全。

6．轿车上装有茶色玻璃后，行人很难看清车中人的面孔
茶色玻璃能反射一部分光，还会吸收一部分光，这样透进车内的光线较弱。

要看清乘客的面孔，必须要从。