馬昊明

（河西學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

當(dāng)光線照射到物體上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射，使光波的能量部分地反射出去，而這部分波束的動(dòng)能是守恒的，所以光在介質(zhì)中傳播時(shí)不受阻礙，即“自由傳播”；在真空中的光波只能沿直線傳播，當(dāng)介質(zhì)對(duì)光波不透明時(shí)，則光在其中無(wú)反射。光線在有介質(zhì)的地方會(huì)發(fā)生折射。當(dāng)物體表面有一定厚度或者深度時(shí)，光將會(huì)繞過(guò)物體后再折射回來(lái)。在生活中，我們經(jīng)常會(huì)遇到光現(xiàn)象，如日食、彩虹、光的折射、激光光束、白光等等。了解這些光現(xiàn)象的物理原理，有助于在日常生活中對(duì)這些物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋、應(yīng)用和預(yù)測(cè)。

1 生活中常見(jiàn)的光現(xiàn)象及物理原理

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，90%的外界信息，都是由眼睛來(lái)傳遞的。在光線照射到目標(biāo)上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等多種情況。在相同的均勻媒質(zhì)中，光會(huì)沿著一條線行進(jìn)。其中光波，包含紅外，其波長(zhǎng)較短，頻率較高。一般情況下，光由許多光子組成，在熒光（普通的太陽(yáng)光、燈光、燭光等）中，光子與光子之間，毫無(wú)關(guān)聯(lián)，即波長(zhǎng)不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，就像是一支無(wú)組織、無(wú)紀(jì)律的光子部隊(duì)，各光子都是散兵游勇，不能做到行動(dòng)一致。

1.1 生活中的反射現(xiàn)象與物理原理

光的折射：在天空中經(jīng)常會(huì)看到太陽(yáng)光線從太陽(yáng)附近通過(guò)后發(fā)生折射現(xiàn)象，也就是在天空中從高光變到了低光區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生折射。月暈：當(dāng)看到月亮周圍的一些星體在不斷移動(dòng)時(shí)，很容易會(huì)認(rèn)為月亮正在旋轉(zhuǎn)。海市蜃樓：在海邊，經(jīng)常會(huì)看到海市蜃樓。這是因?yàn)楣饩€經(jīng)過(guò)空氣中一些氣體和液體后發(fā)生了折射，而這些氣體和液體中就存在一些特殊物質(zhì)，造成光線散射，從而產(chǎn)生虛像；另外由于光在空氣中傳播速度為光速，所以通過(guò)空氣可以觀察到光經(jīng)過(guò)空氣折射后形成了各種形狀的虛影。日光透過(guò)玻璃管產(chǎn)生折射：打開(kāi)日光燈時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)光線是從玻璃管的側(cè)面進(jìn)入的；但是用手遮擋住強(qiáng)光時(shí)，會(huì)看到光從外面進(jìn)入到內(nèi)部；打開(kāi)手電筒時(shí)就可以發(fā)現(xiàn)光在玻璃上發(fā)生折射。月光透過(guò)窗戶射進(jìn)屋內(nèi)；陽(yáng)光則通過(guò)云層折射到地面。日食、日全食：日光通過(guò)窗戶射進(jìn)來(lái)后，由于光的衍射而形成不同程度的陰影。

1.2 生活中的折射現(xiàn)象與物理原理

幾種常見(jiàn)的光的反射與折射現(xiàn)象：水面波紋：水表面由于粗糙而引起的水波。彩虹：空氣中的小水滴通過(guò)鏡面折射后形成的特殊景象?？諝庵兴F：水滴通過(guò)霧體發(fā)生折射，使光沿直線傳播。霧中光線：由于水對(duì)光線進(jìn)行了選擇性折射，而使光線發(fā)生彎曲現(xiàn)象，反射入射光經(jīng)后發(fā)生反射現(xiàn)象，形成反射光。云外陽(yáng)光：云在高空中運(yùn)行時(shí)，由于大氣層對(duì)空氣起到一定阻擋作用，而使光發(fā)生散射。彩虹是因?yàn)樘炜罩性贫湓陉?yáng)光下會(huì)折射所產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象。水中倒影是由于水中有空氣使光線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)而形成的。

（1）水面波紋是由于水面粗糙而引起的水波。這種波紋可以分為垂直波紋和水平波紋。水中倒影是光在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)發(fā)生折射而形成的，由于反射面有空氣，使得光線的方向發(fā)生改變，使射向不同方位或不同角度的光都受到折射。例如彩虹是天空中云層向外散發(fā)熱量的小水滴反射的現(xiàn)象，通過(guò)鏡面的折射將天空照得非常明亮。彩虹出現(xiàn)時(shí)，地面上會(huì)有幾道顏色鮮艷的小圓圈，這些小圓點(diǎn)稱為反射點(diǎn)。彩虹是因?yàn)樗涂諝鈱?duì)光線進(jìn)行了選擇性折射而形成的一種特殊光學(xué)現(xiàn)象。此外，海市蜃樓是在空氣中存在一定高度的物體，它受到鏡面作用向外發(fā)散大量的光線進(jìn)入大氣圈后在天空中形成幻景。

生活中還有很多有趣卻又不太容易理解且讓人摸不著頭腦的現(xiàn)象和理論，比如：玻璃杯中裝滿水，用玻璃杯邊緣往里注水（內(nèi)壁留有空氣），當(dāng)杯子滿了時(shí)玻璃杯就會(huì)形成一個(gè)凹窩；把水杯放在陽(yáng)臺(tái)上，用繩子系住瓶子，當(dāng)繩子系好后玻璃杯中水會(huì)形成一條線；鏡子對(duì)著太陽(yáng)照時(shí)就會(huì)形成日食等等，其實(shí)這些都是光在介質(zhì)內(nèi)和介質(zhì)之間進(jìn)行折射和反射產(chǎn)生的一些特殊現(xiàn)象。

（2）彩虹是因?yàn)榭諝庵械男∷螌?duì)太陽(yáng)光進(jìn)行了選擇性折射而形成的。彩虹的形成是由于太陽(yáng)光在空氣中折射后，通過(guò)大氣層，穿過(guò)人們的眼睛，就能看到天空中出現(xiàn)五彩繽紛的光環(huán)或者彩帶。光在折射時(shí)產(chǎn)生了彩虹：①光線先從低處進(jìn)入大氣層，然后穿過(guò)水滴形成彩虹；②光線發(fā)生彎曲：光線由垂直于光源的方向射出后產(chǎn)生彎曲；③折射時(shí)兩種光都會(huì)從彩虹的另一側(cè)射出；④光是直線傳播：光線不可能射到一處地方會(huì)折向另一處而不會(huì)射到另外一處。如果有小水滴滴落在天空中，那么陽(yáng)光將被反射到水滴中，這是因?yàn)樗畬?duì)太陽(yáng)光進(jìn)行了選擇性折射所致。

（3）空氣中水霧、光線均通過(guò)光的折射產(chǎn)生。光入射光和反射光：入射光經(jīng)折射后，穿過(guò)或反射物體表面的光波，稱為入射光波，穿過(guò)或反射介質(zhì)表面的一次為入射光波；入射色光，反射色光經(jīng)照射形成。

水中倒影是指將水在鏡子和其他物體之間傳播時(shí)經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)界面所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象。 現(xiàn)象：水中倒影是指將一塊平面鏡放在水面上，透過(guò)水面上一塊小方塊觀察水面時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。原理：光線在有水存在的地方傳播時(shí)，經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象。由于水對(duì)光線進(jìn)行了選擇性折射，使光束發(fā)生彎曲。光線進(jìn)入空氣后，遇到墻壁、物體等就會(huì)產(chǎn)生反射和折射。

1.3 生活中看不見(jiàn)的光及物理原理

除可見(jiàn)光外，也存在著許多無(wú)形的光，也就是看不見(jiàn)的光。這種不可視的光線，雖然平時(shí)眼睛看不見(jiàn)，但其應(yīng)用卻是非常廣泛，比如現(xiàn)在，很多學(xué)校都會(huì)在課堂上安裝紫外線燈，消防、軍隊(duì)使用的紅外線、紅外線遙控等等，都是眼睛無(wú)法看到的。例如紫外線的波長(zhǎng)在100～400 nm，不會(huì)對(duì)人類的視覺(jué)造成傷害，紫外線可以起到一定的殺滅作用，但長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光下，會(huì)對(duì)身體造成很大的傷害。而紅外線是一種介于微波和可見(jiàn)光的一種，其光譜范圍大約在760 mm，只要超過(guò)此限度，就會(huì)發(fā)出紅外輻射，在物理學(xué)上，它被稱作“熱輻射”，其中最主要的能量就是由紅外來(lái)承擔(dān)。實(shí)際上，紅外是一種非常有效的方法，它可以用于治療皮膚上的斑點(diǎn)，這種紅外射線可以釋放出體內(nèi)的黑色素，在4～14 μm之間，紅外射線被稱作“生育光線”，可以加速身體的新陳代謝，激活身體的每一個(gè)部位。

2 生活中的光污染現(xiàn)象與物理原理

任何事物都有兩面性甚至多面性，光也是一樣，在研究中，不但要了解其正面的光學(xué)現(xiàn)象與原理，還要知道其具有什么樣的作用，只有這樣，才能更好地解決它。在日常的環(huán)境中，光線污染有很多種，例如車輛在馬路上開(kāi)了一個(gè)大燈，這種燈光的污染會(huì)對(duì)車輛和行人造成很大的干擾，從而導(dǎo)致交通事故。還有就是，紫外線會(huì)損害眼睛和肌膚，如果長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光下，會(huì)引起惡心、頭暈、眼睛疼痛甚至是視覺(jué)減退等癥狀。為何遠(yuǎn)光會(huì)變成光線的污染？因?yàn)楹芏噢I車的遠(yuǎn)光燈，都是用氙氣燈，這種光源的強(qiáng)度超過(guò)了人類的視力，會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害。那么，為什么紫外線太多會(huì)對(duì)身體造成傷害。因?yàn)樽贤夤獾牟ㄩL(zhǎng)有很大的差別，大致可以劃分成320～400 nm、中波280～320 nm、100～280 nm。短波長(zhǎng)的紫外線可以被臭氧隔離，而長(zhǎng)波的紫外線殺傷力很大，通常采用的是長(zhǎng)波的紫外線，人體的細(xì)胞不可能長(zhǎng)期處于這種情況下，由于長(zhǎng)波紫外線的穿透性極好，可以深入到身體的內(nèi)部，因此要盡量避開(kāi)長(zhǎng)波的紫外線。

光污染是指通過(guò)不同的形式、不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)，對(duì)人類生活以及工作造成各種不良影響。例如，人工照明產(chǎn)生的光輻射；光污染對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響； 光污染對(duì)人體健康產(chǎn)生危害；光污染也會(huì)影響生態(tài)環(huán)境，使景觀惡化；光污染還會(huì)導(dǎo)致人們產(chǎn)生心理和生理方面的反應(yīng)，如視力下降，情緒煩躁等。由于光污染帶來(lái)的各種危害，所以人們對(duì)光進(jìn)行了大量的研究。在20世紀(jì)初開(kāi)始了人工照明技術(shù)的研究，并被應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、公共服務(wù)、商業(yè)及住宅等方面，以滿足人們工作和生活對(duì)于光源要求。

2.1 光污染的危害

白天的光強(qiáng)太大，而夜晚的光強(qiáng)很小，在夜間休息時(shí)，眼睛在受到較強(qiáng)的刺激后，會(huì)出現(xiàn)疲勞、酸澀，甚至頭痛；白天看手機(jī)容易造成視力下降、視網(wǎng)膜損傷，夜間玩手機(jī)對(duì)眼睛的傷害更大。在城市中有大量的路燈設(shè)施，當(dāng)光線照射到地面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射，使地面物體產(chǎn)生很暗并呈現(xiàn)反光狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為“光污染”。光污染不僅給人視覺(jué)上帶來(lái)傷害和刺激。在夜晚太陽(yáng)光中含有大量的紫外線，對(duì)人體健康不利。

此外，生活中所見(jiàn)到的光污染現(xiàn)象，大都是由人們?cè)谑覂?nèi)過(guò)度使用燈光而產(chǎn)生的，所以要想預(yù)防光污染就要注意室內(nèi)燈光的合理使用。 對(duì)于兒童來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間在光線昏暗中生活容易引起視力下降等問(wèn)題。在夜晚時(shí)霓虹燈往往都是五顏六色的，使人眼花繚亂。而霓虹燈在夜間發(fā)出耀眼的光芒會(huì)影響視覺(jué)而影響睡眠甚至引起頭暈等現(xiàn)象。夜晚如果打開(kāi)夜燈睡覺(jué)就會(huì)影響睡眠質(zhì)量從而導(dǎo)致第二天早上起來(lái)感覺(jué)很疲憊。對(duì)于孕婦來(lái)說(shuō)因?yàn)樘亮怂詫?duì)眼睛有很大危害；對(duì)于老人來(lái)說(shuō)太亮也會(huì)影響老人的視力導(dǎo)致出現(xiàn)白內(nèi)障等癥狀；但是如果將光源調(diào)暗一點(diǎn)可以減輕其危害。

2.2 光污染是由于在室內(nèi)燈光使用過(guò)多而產(chǎn)生的

①人工照明光源在日常生活中廣泛應(yīng)用，如日光燈、白熾燈、熒光燈等，這些燈光照射下來(lái)的光被均勻地散布到整個(gè)房間內(nèi)；②在照明燈具中都有一個(gè)發(fā)光體熒光燈的發(fā)光效率高達(dá)90%，普通白熾燈只有50%左右，日光燈能達(dá)到70%以上；③當(dāng)光線在室內(nèi)直射時(shí)，眼睛會(huì)感到很不舒服；④隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重自己生活環(huán)境的美觀了，所以很多家庭會(huì)選擇安裝射燈來(lái)增加室內(nèi)的亮度和氛圍。在室內(nèi)光環(huán)境中最常見(jiàn)的是日光照射下的室內(nèi)光環(huán)境。日光對(duì)人體的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是使皮膚變黑；二是使人體細(xì)胞膜發(fā)生改變。日光中含有紫外線和紅外線，這些光波對(duì)皮膚起到殺菌和保護(hù)作用。但過(guò)量照射會(huì)加速細(xì)胞老化并產(chǎn)生黑色素沉淀，造成人們皮膚變黑或產(chǎn)生皺紋等不良后果。長(zhǎng)期使用日光直射還可導(dǎo)致白內(nèi)障的發(fā)生，其發(fā)病率約為30%。所以，在家中盡量少用日光燈和其他光源，以減少對(duì)人體的有害因素。

3 光之鏡與光現(xiàn)象

其實(shí)，光之鏡原理是基于“物象到人像”的映射原理。光從透鏡射入透鏡，通過(guò)透鏡后再折射到物鏡上；觀察的時(shí)候，看到的是物體在一個(gè)點(diǎn)上得像（也就是物鏡中的像）。但是當(dāng)看其他物體時(shí)，這個(gè)東西就會(huì)從透鏡里面反射回來(lái)，回到原來(lái)的地方。 因此，看到不同大小和不同顏色的“光”時(shí)，也會(huì)看到不同顏色和大小的物體。所以說(shuō)如果把“光”當(dāng)成反射鏡的話，那么就可以做到以光為鏡了。比如：可以利用“光之鏡”來(lái)觀察一個(gè)物體在周圍環(huán)境中所呈現(xiàn)出的各種形態(tài)；同時(shí)將一個(gè)光斑投射到“光之鏡”上，也可以觀察其他顏色和大小的物體。

光現(xiàn)象在生活中經(jīng)常會(huì)看到：一束光從高處射下，在不同的位置看起來(lái)有相同的顏色（其實(shí)就是一束光射在不同物體上，因?yàn)檫@些物體的表面有吸收和反射功能）。光色定色，當(dāng)光線通過(guò)不同材料時(shí)，會(huì)發(fā)生色散作用，而不同物質(zhì)對(duì)光的吸收、反射、透射等物理性質(zhì)不同。光色（或飽和度）在光學(xué)系統(tǒng)中，同一顏色物體對(duì)角線上分量相同的那部分叫作主光譜，是光波；另一部分分量相同的那部分叫作輔光譜，是吸收與反射的波峰和波谷。光線經(jīng)過(guò)紅綠藍(lán)三種顏色區(qū)域，到達(dá)人眼之前的位置叫飽和區(qū)。因?yàn)楣獠ㄔ蕉?，射入人眼時(shí)所受到的干擾越小，反之則干擾越大。由于人眼對(duì)不同顏色物體敏感程度不一樣。因此紅、綠、藍(lán)三色光波在人眼中分別呈現(xiàn)為紅、綠、藍(lán)這三種顏色。生活中看到這些不同顏色物品時(shí)會(huì)有不同的心理感受；色彩對(duì)認(rèn)知事物有很大影響，所以了解了這些光現(xiàn)象和光色后就可以做到：光以光速傳播、通過(guò)三原色可以任意混合成各種所需要的顏色；同時(shí)也了解了光的吸收、反射和折射性質(zhì)，從而在生活中做到更好地保護(hù)眼睛。

4 結(jié)束語(yǔ)

在日常生活中只要留心觀察身邊事物，細(xì)心研究，就一定能在生活、學(xué)習(xí)中找到更多有用、有趣的物理學(xué)知識(shí)。