第二章 光學天地
第一節 廬山真貌—光的本質與分類
現代科學指出，光的本質特徵是它的波粒二象性，也就是說，光是一種能引起視覺的電磁波，同時也是一種粒子（即我們常說的光量子，簡稱光子）。通常，人類肉眼所能看到的可見光只是整個電磁波譜的一部分。
第二節 光的神秘面紗—光學原理
1.神奇的小孔—光的直線傳播
（1）光的直線傳播特性
太陽賜予人類光和熱，是人類不可或缺的光源。但是由於地球有自轉運動，地球上便產生了白晝和黑夜的交替現象。每到晚上，太陽就不見了，黑暗就籠罩著大地。生活在遠古時代的人類祖先，把黑暗看作一種可怕、可惡的東西，他們對於黑夜是無能為力的。直到今天，黑暗仍然被人們用來形容邪惡。後來，不知經歷了多少個世紀，人類終於發現了火，並用它來提供光和熱。而意味著「人類歷史劃時代進步」的發明—人工摩擦取火，使人類「第一次擁有了支配自然的力量」，從而把人同動物分開。在過去漫長的時間裡，雖然後來人們又創造了油燈、蠟燭，但還是與火有關。因此，火一直是人們唯一可以利用的人造光源。直到近代發明了新的人造光源，光取代了火的作用。
在長期的生活中，人們通過對光的觀察，已經意識到光的直線傳播特性。為了證明光的這一性質以及針孔成像原理，在大量的實驗和觀察的基礎上，我國先秦時期科學家墨子及元代著名的天文數學家趙友欽分別在其著作《墨經》和《革象新書》中，做了相當詳盡的記載和論述，這在當時世界是絕無僅有的。
（2）光的直線傳播定律
光的直線傳播是指光在同種均勻介質中沿直線傳播，它是幾何光學的基本定律之一。通常人們利用這一原理，可以簡明地解釋成像問題（如針孔成像）。人的眼睛也是根據直線傳播來確定物體或像的位置的。另外，在光的衍射理論中，其直線傳播特性也是成立的，這一點，在本書稍後的部分會講到。
（3）光與影的結合
影子的產生和光的直線傳播特性有密切關係，是一種光學現象。光（是指可見光）從光源傳播出來時，照射在不透光的物體上，因為沿直線傳播的光線被不透光的物體擋住了，於是在其後面受光不到的地方形成一個較暗區域，這個較暗區域就是我們平時所說的影子。它是一個投影，而並非實體。通常，光和不透明物體是影子產生的兩個必要條件。
影子有本影和半影之分，本影是影子中部特別黑暗的部分，而半影是四周灰暗的部分。由於影子和光線的相互關係，在自然界，光與影巧妙結合產生了許多奇妙的自然現象，如日食、月食以及前面講過的小孔成像，就是我們大家所熟知的。其中，日食和月食是光在天體中沿直線傳播受到阻礙的典型例證。
2.有趣的天文現象—日食和月食
（1）日食現象
當月球繞地球轉到太陽和地球中間時，太陽、月球、地球三者正好排成或接近一條直線，由於這時的月亮，正好擋住了射到地球上去的太陽光，而其身後的黑影也正好落到了地球上，於是地球上便發生了日食。
日食發生時，一開始，人們會看到陽光逐漸減弱，天色轉暗，太陽面被圓的黑影逐漸地遮住。當太陽被全部遮住時，能夠看到最亮的恆星和行星掛在天空中。幾分鐘之後，月球黑影的邊緣又逐漸露出陽光，然後，開始生光，直至復圓。這是日食發生的整個過程。
日食有三種情況。如果月球把太陽全部擋住，則發生日全食現象；如果遮住一部分，則發生日偏食；遮住太陽的中央部分則稱為日環食。 一般來說，發生日食需要滿足兩個條件：
①日食總是發生在朔日，即農曆初一（但並不是所有朔日必定發生日食）。
②太陽運行的軌道（黃道）和月球運行的軌道（白道）有5°9′的夾角。這是因為在農曆初一（朔日）這天，太陽和月球都移到白道和黃道的交點附近，只有太陽與交點處形成一定的角度時，日食現象才能發生。
通常，天空中發生日全食時，人們根據月球圓面和太陽圓面的位置關係，把它分為初虧、食既、食甚、生光和復圓五種食象。
（2）月食現象
月食是一種很特殊的天文現象，當月球運行到地球的陰影部分時，月球和地球之間的地區因為太陽光被地球所遮蔽，人們就看到月球「缺了一塊」的現象。此時地球位於太陽與月球之間，太陽、地球、月球恰好（或幾乎）在同一條直線上，地球掩蓋了太陽照射到月球的光線。
月食必定發生在望日（即農曆十五）前後。這是因為太陽軌道（黃道）和月球軌道（白道）有一個約5度的交角存在，並不在同一個平面上，只有當太陽和月球分別位於黃道和白道的兩個交點附近時，太陽、月球、地球才有機會連成一條直線，產生月食現象。月食有月偏食、月全食及半影月食三種：
①月偏食：月球只有部分進入地球的本影。
②月全食：整個月球進入地球的本影。
③半影月食：月球只掠過地球的半影區，月面亮度減弱極輕微，人們用肉眼很難看出差別，因此，一般不為人們所注意。
通常情況下，一個完整的月食過程分為初虧、食既、食甚、生光、復圓五個階段。
3.成像的秘密—光的反射
（1）反射現象
光從一種介質射向另一種介質的交界面時，一部分光返回原來的介質中，使其傳播方向發生了改變，人們把這種現象稱為光的反射。
鏡面反射和漫反射是生活中常見的兩種反射現象。
通常，鏡面反射是指平行光線經交界面反射後沿某一方向平行射出，只能在某一方向接收到反射光線的現象。這時的反射面是光滑平面。而漫反射現象則是平行光經交界面反射後向各個不同的方向反射出，可在各個不同的方向接收到反射光線的現象。這時它所穿過的反射面是粗糙的平面或曲面。
光在反射時，有一部分光會被物體吸收，有一部分反射回來。能看見的物體中除黑色物體外都會反射光線。白色物體反射各色光，使其看起來是白色。灰色物體也反射各色光（它只反射一部分）。其他物體無論是哪一種顏色，可以反射並按一定比例混合而成的本色光。
（2）光的反射定律
光的反射定律：反射光線與入射光線、法線位於同一平面上，反射光線和入射光線分別居於法線的兩側，且反射角等於入射角。我們可把反射定律簡單概括為：三線共面、兩線分居、兩角相等。
我們可以通過下面幾點來認識光的反射規律。
①法線是入射光線與反射光線的角平分線。
②反射光線與反射面的夾角和入射角的和為90°。
③光的反射現象中，光路具有可逆性。
（3）平面鏡成像
物體反射光源的光，射向平面鏡進入人的眼睛後，能看到正像等於其反射的虛像，這就是平面鏡成像的原理（即光的反射）。平面鏡不能改變光的性質，即當入射光分別是平行光束、匯聚光束時，反射後則仍是平行光束、匯聚光束。
物體在平面鏡裡所成的像是虛像，這個時候，它的像距與物距大小相等，連線垂直於鏡面，像與物上下相同，左右相反，到達鏡面的距離相等。一般平面鏡成像有以下特點：
①所成之像為虛像。
②像和物體正好左右相反。
③像和物體到鏡面的距離相等。
④像和物體的大小相同。
4.表象背後的事實—光的折射
光從一種介質斜射到另一種介質時，傳播方向一般會發生變化，這種現象就是我們常說的光的折射現象。通常，光的折射能力會因介質不同而不同。
光的折射規律：當光從空氣斜射入水或其他介質中時，折射光線和入射光線及法線位於同一平面上，其折射光線和入射光線分別居於法線兩側，折射角小於入射角；當入射角增大時，折射角也隨著增大，且當光線垂直射向介質表面時，它的傳播方向不變，但光速改變，在折射中光路具有可逆性。
生活中，光的折射現象有很多，如筷子變彎、池水變淺、凸透鏡成像等。
5.光彩耀人—光的散射
（1）光的散射
光的散射是指光通過不均勻介質時，分光束偏離原來的方向而發生的分散傳播現象，一般人們可從側面看到光的這種現象。
為什麼光會發生散射現象呢？
這是因為，介質中存在大量不均勻小區域，當光射入時，每個小區域分別向四面八方發出同頻率的次波，成為散射中心。發出的次波間並無固定相位關係，因此，他們在某方向上的疊加便形成了該方向上的散射光。散射光一般為偏振光，它的波長不發生變化的有廷德耳散射、分子散射等；而其波長發生變化的有拉曼散射、康普頓散射、布裡淵散射等。 一般來說，人們可通過對散射光譜的研究了解原子或分子的結構特性，因為波長發生改變的散射與其構成物質（原子或分子）本身的微觀結構有關。
（2）丁達爾效應
生活中，常見的光的散射現象有丁達爾效應、大氣散射等。
當一束光線透過膠體時，人的眼睛可從入射光的垂直方向觀察到膠體裡有一條光亮的「通路」，這種現象，就是我們常說的丁達爾現象，有時也叫做「丁達爾效應」。它是由英國物理學家丁達爾在膠體中首先發現並研究的。 在天氣晴朗的清晨，在茂密的樹林中，樹的枝葉間常常透過一道道光柱，這是自然界中一種類似「丁達爾」的自然現象。
6.可以「走彎路」的光—光的衍射
光的衍射是指光繞過障礙物，偏離直線傳播路徑而進入陰影區裡的現象。它包括單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑等幾種。科學證明，和光的幹涉一樣，光的衍射具有光的波動性。
光的波長只有十分之幾微米，很短，因此日常生活中很少見到明顯的光的衍射現象。不過，如果當光射向一個針孔、一根細絲或一條狹縫時，人們可以清楚地看到光的衍射現象。用複色光照射，看到的衍射圖案是彩色的。
衍射的種類有狹縫衍射和小孔衍射兩種，那麼，這兩種現象究竟是怎麼一回事呢？
（1）狹縫衍射
如果將雷射發出的單色光照射到狹縫上，當狹縫的寬度遠大於光的波長時，光的衍射現象極不明顯。又由於光沿直線傳播的特性，光在屏上產生一條跟縫寬度相當的亮線。當縫的寬度調到很窄時（可以跟光波相比時），這時的光通過縫後就明顯地偏離了直線傳播方向。當其照射到屏上相當寬的地方後，會出現明暗相間的衍射條紋。狹縫越小，衍射範圍越大。衍射條紋越寬，亮度越暗。
（2）小孔衍射
當孔的半徑較大時，光沿直線傳播，在屏上得到一個一樣大小的亮光圓斑。當減小孔的半徑時，按光的直線傳播特性得到一個倒立的光源的像，即小孔成像。如果繼續減小孔的半徑，屏上將會出現明暗相間的圓形衍射光環。
想爆料？請登錄《陽光連線》（
http://minsheng.iqilu.com/）、撥打新聞熱線0531-81695000，或登錄齊魯網官方微博（
@齊魯網）提供新聞線索。