生活中常見的光現(xiàn)象及物理原理

馬昊明

（河西學院 物理與機電工程學院，甘肅 張掖 734000）

當光線照射到物體上時，會產(chǎn)生折射，使光波的能量部分地反射出去，而這部分波束的動能是守恒的，所以光在介質中傳播時不受阻礙，即“自由傳播”；在真空中的光波只能沿直線傳播，當介質對光波不透明時，則光在其中無反射。光線在有介質的地方會發(fā)生折射。當物體表面有一定厚度或者深度時，光將會繞過物體后再折射回來。在生活中，我們經(jīng)常會遇到光現(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這些物理現(xiàn)象進行解釋、應用和預測。

1 生活中常見的光現(xiàn)象及物理原理

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，90%的外界信息，都是由眼睛來傳遞的。在光線照射到目標上時，會產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等多種情況。在相同的均勻媒質中，光會沿著一條線行進。其中光波，包含紅外，其波長較短，頻率較高。一般情況下，光由許多光子組成，在熒光（普通的太陽光、燈光、燭光等）中，光子與光子之間，毫無關聯(lián)，即波長不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，就像是一支無組織、無紀律的光子部隊，各光子都是散兵游勇，不能做到行動一致。

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)常會看到太陽光線從太陽附近通過后發(fā)生折射現(xiàn)象，也就是在天空中從高光變到了低光區(qū)，進而產(chǎn)生折射。月暈：當看到月亮周圍的一些星體在不斷移動時，很容易會認為月亮正在旋轉。海市蜃樓：在海邊，經(jīng)常會看到海市蜃樓。這是因為光線經(jīng)過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，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，所以通過空氣可以觀察到光經(jīng)過空氣折射后形成了各種形狀的虛影。日光透過玻璃管產(chǎn)生折射：打開日光燈時會發(fā)現(xiàn)光線是從玻璃管的側面進入的；但是用手遮擋住強光時，會看到光從外面進入到內(nèi)部；打開手電筒時就可以發(fā)現(xiàn)光在玻璃上發(fā)生折射。月光透過窗戶射進屋內(nèi)；陽光則通過云層折射到地面。日食、日全食：日光通過窗戶射進來后，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鏡面折射后形成的特殊景象。空氣中水霧：水滴通過霧體發(fā)生折射，使光沿直線傳播。霧中光線：由于水對光線進行了選擇性折射，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。云外陽光：云在高空中運行時，由于大氣層對空氣起到一定阻擋作用，而使光發(fā)生散射。彩虹是因為天空中云朵在陽光下會折射所產(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表面?zhèn)鞑r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，通過鏡面的折射將天空照得非常明亮。彩虹出現(xiàn)時，地面上會有幾道顏色鮮艷的小圓圈，這些小圓點稱為反射點。彩虹是因為水和空氣對光線進行了選擇性折射而形成的一種特殊光學現(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），當杯子滿了時玻璃杯就會形成一個凹窩；把水杯放在陽臺上，用繩子系住瓶子，當繩子系好后玻璃杯中水會形成一條線；鏡子對著太陽照時就會形成日食等等，其實這些都是光在介質內(nèi)和介質之間進行折射和反射產(chǎn)生的一些特殊現(xiàn)象。

（2）彩虹是因為空氣中的小水滴對太陽光進行了選擇性折射而形成的。彩虹的形成是由于太陽光在空氣中折射后，通過大氣層，穿過人們的眼睛，就能看到天空中出現(xiàn)五彩繽紛的光環(huán)或者彩帶。光在折射時產(chǎn)生了彩虹：①光線先從低處進入大氣層，然后穿過水滴形成彩虹；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折射時兩種光都會從彩虹的另一側射出；④光是直線傳播：光線不可能射到一處地方會折向另一處而不會射到另外一處。如果有小水滴滴落在天空中，那么陽光將被反射到水滴中，這是因為水對太陽光進行了選擇性折射所致。

（3）空氣中水霧、光線均通過光的折射產(chǎn)生。光入射光和反射光：入射光經(jīng)折射后，穿過或反射物體表面的光波，稱為入射光波，穿過或反射介質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經(jīng)過不同介質界面所產(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，透過水面上一塊小方塊觀察水面時會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。原理：光線在有水存在的地方傳播時，經(jīng)過不同介質界面時會發(fā)生折射現(xiàn)象。由于水對光線進行了選擇性折射，使光束發(fā)生彎曲。光線進入空氣后，遇到墻壁、物體等就會產(chǎn)生反射和折射。

1.3 生活中看不見的光及物理原理

除可見光外，也存在著許多無形的光，也就是看不見的光。這種不可視的光線，雖然平時眼睛看不見，但其應用卻是非常廣泛，比如現(xiàn)在，很多學校都會在課堂上安裝紫外線燈，消防、軍隊使用的紅外線、紅外線遙控等等，都是眼睛無法看到的。例如紫外線的波長在100～400 nm，不會對人類的視覺造成傷害，紫外線可以起到一定的殺滅作用，但長期暴露在陽光下，會對身體造成很大的傷害。而紅外線是一種介于微波和可見光的一種，其光譜范圍大約在760 mm，只要超過此限度，就會發(fā)出紅外輻射，在物理學上，它被稱作“熱輻射”，其中最主要的能量就是由紅外來承擔。實際上，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，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了一個大燈，這種燈光的污染會對車輛和行人造成很大的干擾，從而導致交通事故。還有就是，紫外線會損害眼睛和肌膚，如果長期暴露在陽光下，會引起惡心、頭暈、眼睛疼痛甚至是視覺減退等癥狀。為何遠光會變成光線的污染？因為很多轎車的遠光燈，都是用氙氣燈，這種光源的強度超過了人類的視力，會對人體造成一定的傷害。那么，為什么紫外線太多會對身體造成傷害。因為紫外光的波長有很大的差別，大致可以劃分成320～400 nm、中波280～320 nm、100～280 nm。短波長的紫外線可以被臭氧隔離，而長波的紫外線殺傷力很大，通常采用的是長波的紫外線，人體的細胞不可能長期處于這種情況下，由于長波紫外線的穿透性極好，可以深入到身體的內(nèi)部，因此要盡量避開長波的紫外線。

光污染是指通過不同的形式、不同的時間、不同的地點，對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；光污染對人的視覺系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響； 光污染對人體健康產(chǎn)生危害；光污染也會影響生態(tài)環(huán)境，使景觀惡化；光污染還會導致人們產(chǎn)生心理和生理方面的反應，如視力下降，情緒煩躁等。由于光污染帶來的各種危害，所以人們對光進行了大量的研究。在20世紀初開始了人工照明技術的研究，并被應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、公共服務、商業(yè)及住宅等方面，以滿足人們工作和生活對于光源要求。

2.1 光污染的危害

白天的光強太大，而夜晚的光強很小，在夜間休息時，眼睛在受到較強的刺激后，會出現(xiàn)疲勞、酸澀，甚至頭痛；白天看手機容易造成視力下降、視網(wǎng)膜損傷，夜間玩手機對眼睛的傷害更大。在城市中有大量的路燈設施，當光線照射到地面時會發(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上帶來傷害和刺激。在夜晚太陽光中含有大量的紫外線，對人體健康不利。

此外，生活中所見到的光污染現(xiàn)象，大都是由人們在室內(nèi)過度使用燈光而產(chǎn)生的，所以要想預防光污染就要注意室內(nèi)燈光的合理使用。 對于兒童來說，長時間在光線昏暗中生活容易引起視力下降等問題。在夜晚時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)出耀眼的光芒會影響視覺而影響睡眠甚至引起頭暈等現(xiàn)象。夜晚如果打開夜燈睡覺就會影響睡眠質量從而導致第二天早上起來感覺很疲憊。對于孕婦來說因為太亮了所以對眼睛有很大危害；對于老人來說太亮也會影響老人的視力導致出現(xiàn)白內(nèi)障等癥狀；但是如果將光源調(diào)暗一點可以減輕其危害。

2.2 光污染是由于在室內(nèi)燈光使用過多而產(chǎn)生的

①人工照明光源在日常生活中廣泛應用，如日光燈、白熾燈、熒光燈等，這些燈光照射下來的光被均勻地散布到整個房間內(nèi)；②在照明燈具中都有一個發(fā)光體熒光燈的發(fā)光效率高達90%，普通白熾燈只有50%左右，日光燈能達到70%以上；③當光線在室內(nèi)直射時，眼睛會感到很不舒服；④隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展，人們越來越注重自己生活環(huán)境的美觀了，所以很多家庭會選擇安裝射燈來增加室內(nèi)的亮度和氛圍。在室內(nèi)光環(huán)境中最常見的是日光照射下的室內(nèi)光環(huán)境。日光對人體的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是使皮膚變黑；二是使人體細胞膜發(fā)生改變。日光中含有紫外線和紅外線，這些光波對皮膚起到殺菌和保護作用。但過量照射會加速細胞老化并產(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。長期使用日光直射還可導致白內(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，以減少對人體的有害因素。

3 光之鏡與光現(xiàn)象

其實，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，通過透鏡后再折射到物鏡上；觀察的時候，看到的是物體在一個點上得像（也就是物鏡中的像）。但是當看其他物體時，這個東西就會從透鏡里面反射回來，回到原來的地方。 因此，看到不同大小和不同顏色的“光”時，也會看到不同顏色和大小的物體。所以說如果把“光”當成反射鏡的話，那么就可以做到以光為鏡了。比如：可以利用“光之鏡”來觀察一個物體在周圍環(huán)境中所呈現(xiàn)出的各種形態(tài)；同時將一個光斑投射到“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)常會看到：一束光從高處射下，在不同的位置看起來有相同的顏色（其實就是一束光射在不同物體上，因為這些物體的表面有吸收和反射功能）。光色定色，當光線通過不同材料時，會發(fā)生色散作用，而不同物質對光的吸收、反射、透射等物理性質不同。光色（或飽和度）在光學系統(tǒng)中，同一顏色物體對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)過紅綠藍三種顏色區(qū)域，到達人眼之前的位置叫飽和區(qū)。因為光波越短，射入人眼時所受到的干擾越小，反之則干擾越大。由于人眼對不同顏色物體敏感程度不一樣。因此紅、綠、藍三色光波在人眼中分別呈現(xiàn)為紅、綠、藍這三種顏色。生活中看到這些不同顏色物品時會有不同的心理感受；色彩對認知事物有很大影響，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、通過三原色可以任意混合成各種所需要的顏色；同時也了解了光的吸收、反射和折射性質，從而在生活中做到更好地保護眼睛。

4 結束語

在日常生活中只要留心觀察身邊事物，細心研究，就一定能在生活、學習中找到更多有用、有趣的物理學知識。