淺談高中物理光學(xué)知識在生活中的應(yīng)用

曾科言

摘 要：光學(xué)知識是高中物理的重要組成部分，其內(nèi)容在初中反射、折射、透鏡等知識理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了豐富的拓展，研究的光學(xué)現(xiàn)象更加復(fù)雜，對光的本質(zhì)的探索不斷加深。人類的生存與延續(xù)離不開光、整個世界充滿光，高中階段學(xué)習(xí)的光學(xué)知識已經(jīng)足夠讓我們理解平常遇到的光學(xué)現(xiàn)象，而將這些知識應(yīng)用到生產(chǎn)與創(chuàng)新中也促進(jìn)了我們?nèi)祟惪萍己蜕畹陌l(fā)展。本文簡要介紹了光學(xué)理論的發(fā)展歷史以及在生活中的應(yīng)用，并通過查閱文獻(xiàn)簡要介紹目前光學(xué)理論的高精尖前沿研究內(nèi)容，促進(jìn)我們高中生學(xué)習(xí)物理的興趣。

關(guān)鍵詞：高中 物理 光學(xué) 應(yīng)用

一、物理光學(xué)理論的發(fā)展與演變

光學(xué)是一門古老的學(xué)科，我國戰(zhàn)國末年的《墨經(jīng)》一書中就記錄了很多當(dāng)時的人們對于一些光學(xué)現(xiàn)象的思考，包括了平面鏡、凹面鏡、投影等原理探索。在公元前300年左右歐洲文明的歐幾里得總結(jié)光反射的相關(guān)研究寫出了《反射光學(xué)》一書，之后反射定律和折射定律的完善標(biāo)志著光學(xué)真正成為一門獨(dú)立學(xué)科。到了十七世紀(jì)牛頓首次進(jìn)行了光的色散實(shí)驗(yàn)，制作了反射式望遠(yuǎn)鏡，牛頓分光實(shí)驗(yàn)和牛頓環(huán)的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著光學(xué)理論從幾何光學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砉鈱W(xué)。我們高中階段學(xué)習(xí)的光的偏振、干涉和衍射相關(guān)知識都是19世紀(jì)初物理學(xué)家從實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中總結(jié)而來，之后麥克斯韋提出光的波動學(xué)說，從理論上驗(yàn)證了光的本質(zhì)是種電磁波。到了20世紀(jì)以后，愛因斯坦大膽摒棄了牛頓時空觀，提出光速不變原理與相對性原理的假設(shè)，解決了光速的不變性與速度合成法則存在的矛盾，論述了"同時"的相對性，時間延緩，長度收縮以及相對性與絕對性，這是對洛倫茲時空變換的解釋，也是對時空的全新認(rèn)識。經(jīng)過幾千年的發(fā)展，光學(xué)理論的發(fā)展逐漸衍生出激光化學(xué)、量子光學(xué)等新的學(xué)科，極大地推動了物理學(xué)的發(fā)展，使人類對這個世界的運(yùn)行規(guī)律和自然現(xiàn)象有了更深刻和全面的了解。

二、在生活中的光學(xué)知識應(yīng)用

（1）在檢測分析中的應(yīng)用

光學(xué)在檢測分析中的應(yīng)用非常廣泛，有很多分析檢測儀器都是基于光學(xué)原理制造的。一批光學(xué)檢測儀器在生物分析和化學(xué)分析領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如紫外可見分光光度計、X射線衍射光譜、原子吸收光譜、光譜法等，這些儀器聽起來非常高深神秘，但其實(shí)它們的基本構(gòu)造原理都是基于我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過的高中物理知識。例如剛剛提到的紫外可見分光度計，它是一種常用的檢測裝置，可以檢測食物中硝酸鹽、重金屬含量；分析植物中的氮含量、葉綠素含量、酶活力；還可以用于生命分析，檢測蛋白質(zhì)、葡萄糖、維生素C和微量元素等。紫外可見分光光度計常用氫燈或氘燈作為紫外光源，用鹵鎢燈提供可見光，用單色器從光源中提取所需特定波長的單色光，然后用棱鏡或光柵這類的色散元件利用光的色散原理篩選特定光線，利用不同強(qiáng)度的光轉(zhuǎn)換為電信號的強(qiáng)度不同進(jìn)而檢測物質(zhì)的種類及含量。

（2）在探索觀測中的應(yīng)用

人類對世界的探索方向主要有微觀和宏觀兩個方向，光學(xué)在這兩個方向都有關(guān)鍵性作用。在宏觀方向，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展直接影響了人類對宇宙探索的遠(yuǎn)度。1609年伽利略采用凸透鏡為物鏡、凹透鏡為目鏡制造了第一臺望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過簡單改造后就可以觀測月食、日食現(xiàn)象，之后天文望遠(yuǎn)鏡的觀測范圍越來越大，人類對宇宙奧秘的理解也越來越深刻。在微觀方面，光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)使我們可以“看到”微米甚至納米尺寸的畫面，揭開了微觀世界的神秘面紗。初代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡都是利用透鏡的成像規(guī)律，之后不斷與其他先進(jìn)技術(shù)如液晶屏幕技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合，使光學(xué)儀器的觀測倍數(shù)不斷增加，附加功能也不斷強(qiáng)大。

（3）在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

古代人們就在建筑設(shè)計、室內(nèi)布置方面使用光學(xué)知識，但以前主要是為了增加建筑的美觀以及采光，例如我國的房屋都是坐北朝南，為了更多的面光時間；此外玻璃在建筑中的應(yīng)用已經(jīng)有2000多年歷史，從透明玻璃，到美麗燦爛的彩色玻璃，種類繁多，應(yīng)用廣泛。到了現(xiàn)代，人們開始注意光能在建筑節(jié)能方面的應(yīng)用，充分利用光的能量，如太陽能光纖照明系統(tǒng)，太陽能熱水器等，當(dāng)然大規(guī)模玻璃幕墻的使用造成的光污染等問題也是現(xiàn)在社會需要注意的一個問題。

（4）解釋分析自然現(xiàn)象

經(jīng)過高中階段的物理學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)可以理解很多自然界的物理現(xiàn)象，并且能夠在實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)這些現(xiàn)象。彩虹的形成就是在雨后空氣中會漂浮大量球形小水珠，會對太陽光產(chǎn)生色散現(xiàn)象，從而在天空中出現(xiàn)七彩彩虹。在海面和沙漠中出現(xiàn)的海市蜃樓現(xiàn)象就是由于不同高度的空氣層密度不同，會對光線產(chǎn)生折射現(xiàn)象，從而使我們看到遠(yuǎn)處的景象。

三、關(guān)于光學(xué)的前沿研究與探索

時代在不斷向前進(jìn)步，儀器設(shè)備等硬件設(shè)備的進(jìn)步以及物理化學(xué)等基礎(chǔ)理論的完善使當(dāng)代物理研究者們有了更高的研究起點(diǎn)，物理光學(xué)的研究深度和應(yīng)用范圍都在快速擴(kuò)展?，F(xiàn)代光學(xué)研究已經(jīng)不僅僅局限于可見光的探索，從波長小于可見光的伽馬射線、X射線還有紫外線，到波長大于可見光的紅外線微波，它們的性質(zhì)與應(yīng)用被進(jìn)一步拓展；此外，光學(xué)與材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、電學(xué)等其他學(xué)科的聯(lián)系也越來越緊密，人們認(rèn)識世界和改造世界的能力隨著光學(xué)的進(jìn)步不斷增強(qiáng)。例如蘇州大學(xué)李述湯院士課題組首次成功地在實(shí)驗(yàn)上揭示了天然材料平面內(nèi)各項異性傳播的極化激元，并且建立了兩種各向異性極化激元的理論模型。

結(jié) 語

光是美麗的，五顏六色，燦爛我們的生活；光是慈祥的，光照萬物，提供我們生存的能量；光是神秘的，充滿未知，吸引無數(shù)人苦苦探索。千百年來科學(xué)家們苦苦思索光的本質(zhì)，探究光學(xué)現(xiàn)象，并且將光學(xué)知識用于生產(chǎn)生活，促進(jìn)人類文明的進(jìn)步?，F(xiàn)在光學(xué)儀器、光學(xué)知識的應(yīng)用在生活中隨處可見，這是無數(shù)前人孜孜探索的成果，也是我們當(dāng)代繼續(xù)奮斗的力量源泉。

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