生活中常见的光现象及物理原理

2023-11-18马昊明

大众标准化 2023年18期

马昊明

（河西学院物理与机电工程学院，甘肃张掖 734000）

当光线照射到物体上时，会产生折射，使光波的能量部分地反射出去，而这部分波束的动能是守恒的，所以光在介质中传播时不受阻碍，即“自由传播”；在真空中的光波只能沿直线传播，当介质对光波不透明时，则光在其中无反射。光线在有介质的地方会发生折射。当物体表面有一定厚度或者深度时，光将会绕过物体后再折射回来。在生活中，我们经常会遇到光现象，如日食、彩虹、光的折射、激光光束、白光等等。了解这些光现象的物理原理，有助于在日常生活中对这些物理现象进行解释、应用和预测。

1 生活中常见的光现象及物理原理

根据数据显示，90%的外界信息，都是由眼睛来传递的。在光线照射到目标上时，会产生反射、折射、干涉和衍射等多种情况。在相同的均匀媒质中，光会沿着一条线行进。其中光波，包含红外，其波长较短，频率较高。一般情况下，光由许多光子组成，在荧光（普通的太阳光、灯光、烛光等）中，光子与光子之间，毫无关联，即波长不一样、相位不一样，偏振方向不一样、传播方向不一样，就像是一支无组织、无纪律的光子部队，各光子都是散兵游勇，不能做到行动一致。

1.1 生活中的反射现象与物理原理

光的折射：在天空中经常会看到太阳光线从太阳附近通过后发生折射现象，也就是在天空中从高光变到了低光区，进而产生折射。月晕：当看到月亮周围的一些星体在不断移动时，很容易会认为月亮正在旋转。海市蜃楼：在海边，经常会看到海市蜃楼。这是因为光线经过空气中一些气体和液体后发生了折射，而这些气体和液体中就存在一些特殊物质，造成光线散射，从而产生虚像；另外由于光在空气中传播速度为光速，所以通过空气可以观察到光经过空气折射后形成了各种形状的虚影。日光透过玻璃管产生折射：打开日光灯时会发现光线是从玻璃管的侧面进入的；但是用手遮挡住强光时，会看到光从外面进入到内部；打开手电筒时就可以发现光在玻璃上发生折射。月光透过窗户射进屋内；阳光则通过云层折射到地面。日食、日全食：日光通过窗户射进来后，由于光的衍射而形成不同程度的阴影。

1.2 生活中的折射现象与物理原理

几种常见的光的反射与折射现象：水面波纹：水表面由于粗糙而引起的水波。彩虹：空气中的小水滴通过镜面折射后形成的特殊景象。空气中水雾：水滴通过雾体发生折射，使光沿直线传播。雾中光线：由于水对光线进行了选择性折射，而使光线发生弯曲现象，反射入射光经后发生反射现象，形成反射光。云外阳光：云在高空中运行时，由于大气层对空气起到一定阻挡作用，而使光发生散射。彩虹是因为天空中云朵在阳光下会折射所产生的特殊现象。水中倒影是由于水中有空气使光线发生了偏转而形成的。

（1）水面波纹是由于水面粗糙而引起的水波。这种波纹可以分为垂直波纹和水平波纹。水中倒影是光在介质表面传播时发生折射而形成的，由于反射面有空气，使得光线的方向发生改变，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层向外散发热量的小水滴反射的现象，通过镜面的折射将天空照得非常明亮。彩虹出现时，地面上会有几道颜色鲜艳的小圆圈，这些小圆点称为反射点。彩虹是因为水和空气对光线进行了选择性折射而形成的一种特殊光学现象。此外，海市蜃楼是在空气中存在一定高度的物体，它受到镜面作用向外发散大量的光线进入大气圈后在天空中形成幻景。

生活中还有很多有趣却又不太容易理解且让人摸不着头脑的现象和理论，比如：玻璃杯中装满水，用玻璃杯边缘往里注水（内壁留有空气），当杯子满了时玻璃杯就会形成一个凹窝；把水杯放在阳台上，用绳子系住瓶子，当绳子系好后玻璃杯中水会形成一条线；镜子对着太阳照时就会形成日食等等，其实这些都是光在介质内和介质之间进行折射和反射产生的一些特殊现象。

（2）彩虹是因为空气中的小水滴对太阳光进行了选择性折射而形成的。彩虹的形成是由于太阳光在空气中折射后，通过大气层，穿过人们的眼睛，就能看到天空中出现五彩缤纷的光环或者彩带。光在折射时产生了彩虹：①光线先从低处进入大气层，然后穿过水滴形成彩虹；②光线发生弯曲：光线由垂直于光源的方向射出后产生弯曲；③折射时两种光都会从彩虹的另一侧射出；④光是直线传播：光线不可能射到一处地方会折向另一处而不会射到另外一处。如果有小水滴滴落在天空中，那么阳光将被反射到水滴中，这是因为水对太阳光进行了选择性折射所致。

（3）空气中水雾、光线均通过光的折射产生。光入射光和反射光：入射光经折射后，穿过或反射物体表面的光波，称为入射光波，穿过或反射介质表面的一次为入射光波；入射色光，反射色光经照射形成。

水中倒影是指将水在镜子和其他物体之间传播时经过不同介质界面所产生的折射现象。现象：水中倒影是指将一块平面镜放在水面上，透过水面上一块小方块观察水面时会出现这种现象。原理：光线在有水存在的地方传播时，经过不同介质界面时会发生折射现象。由于水对光线进行了选择性折射，使光束发生弯曲。光线进入空气后，遇到墙壁、物体等就会产生反射和折射。

1.3 生活中看不见的光及物理原理

除可见光外，也存在着许多无形的光，也就是看不见的光。这种不可视的光线，虽然平时眼睛看不见，但其应用却是非常广泛，比如现在，很多学校都会在课堂上安装紫外线灯，消防、军队使用的红外线、红外线遥控等等，都是眼睛无法看到的。例如紫外线的波长在100～400 nm，不会对人类的视觉造成伤害，紫外线可以起到一定的杀灭作用，但长期暴露在阳光下，会对身体造成很大的伤害。而红外线是一种介于微波和可见光的一种，其光谱范围大约在760 mm，只要超过此限度，就会发出红外辐射，在物理学上，它被称作“热辐射”，其中最主要的能量就是由红外来承担。实际上，红外是一种非常有效的方法，它可以用于治疗皮肤上的斑点，这种红外射线可以释放出体内的黑色素，在4～14 μm之间，红外射线被称作“生育光线”，可以加速身体的新陈代谢，激活身体的每一个部位。

2 生活中的光污染现象与物理原理

任何事物都有两面性甚至多面性，光也是一样，在研究中，不但要了解其正面的光学现象与原理，还要知道其具有什么样的作用，只有这样，才能更好地解决它。在日常的环境中，光线污染有很多种，例如车辆在马路上开了一个大灯，这种灯光的污染会对车辆和行人造成很大的干扰，从而导致交通事故。还有就是，紫外线会损害眼睛和肌肤，如果长期暴露在阳光下，会引起恶心、头晕、眼睛疼痛甚至是视觉减退等症状。为何远光会变成光线的污染？因为很多轿车的远光灯，都是用氙气灯，这种光源的强度超过了人类的视力，会对人体造成一定的伤害。那么，为什么紫外线太多会对身体造成伤害。因为紫外光的波长有很大的差别，大致可以划分成320～400 nm、中波280～320 nm、100～280 nm。短波长的紫外线可以被臭氧隔离，而长波的紫外线杀伤力很大，通常采用的是长波的紫外线，人体的细胞不可能长期处于这种情况下，由于长波紫外线的穿透性极好，可以深入到身体的内部，因此要尽量避开长波的紫外线。

光污染是指通过不同的形式、不同的时间、不同的地点，对人类生活以及工作造成各种不良影响。例如，人工照明产生的光辐射；光污染对人的视觉系统产生不利影响；光污染对人体健康产生危害；光污染也会影响生态环境，使景观恶化；光污染还会导致人们产生心理和生理方面的反应，如视力下降，情绪烦躁等。由于光污染带来的各种危害，所以人们对光进行了大量的研究。在20世纪初开始了人工照明技术的研究，并被应用于工业、农业、交通运输、公共服务、商业及住宅等方面，以满足人们工作和生活对于光源要求。

2.1 光污染的危害

白天的光强太大，而夜晚的光强很小，在夜间休息时，眼睛在受到较强的刺激后，会出现疲劳、酸涩，甚至头痛；白天看手机容易造成视力下降、视网膜损伤，夜间玩手机对眼睛的伤害更大。在城市中有大量的路灯设施，当光线照射到地面时会发生反射和折射，使地面物体产生很暗并呈现反光状态。这种现象称为“光污染”。光污染不仅给人视觉上带来伤害和刺激。在夜晚太阳光中含有大量的紫外线，对人体健康不利。

此外，生活中所见到的光污染现象，大都是由人们在室内过度使用灯光而产生的，所以要想预防光污染就要注意室内灯光的合理使用。对于儿童来说，长时间在光线昏暗中生活容易引起视力下降等问题。在夜晚时霓虹灯往往都是五颜六色的，使人眼花缭乱。而霓虹灯在夜间发出耀眼的光芒会影响视觉而影响睡眠甚至引起头晕等现象。夜晚如果打开夜灯睡觉就会影响睡眠质量从而导致第二天早上起来感觉很疲惫。对于孕妇来说因为太亮了所以对眼睛有很大危害；对于老人来说太亮也会影响老人的视力导致出现白内障等症状；但是如果将光源调暗一点可以减轻其危害。

2.2 光污染是由于在室内灯光使用过多而产生的

①人工照明光源在日常生活中广泛应用，如日光灯、白炽灯、荧光灯等，这些灯光照射下来的光被均匀地散布到整个房间内；②在照明灯具中都有一个发光体荧光灯的发光效率高达90%，普通白炽灯只有50%左右，日光灯能达到70%以上；③当光线在室内直射时，眼睛会感到很不舒服；④随着经济水平的发展，人们越来越注重自己生活环境的美观了，所以很多家庭会选择安装射灯来增加室内的亮度和氛围。在室内光环境中最常见的是日光照射下的室内光环境。日光对人体的影响主要表现在两个方面：一是使皮肤变黑；二是使人体细胞膜发生改变。日光中含有紫外线和红外线，这些光波对皮肤起到杀菌和保护作用。但过量照射会加速细胞老化并产生黑色素沉淀，造成人们皮肤变黑或产生皱纹等不良后果。长期使用日光直射还可导致白内障的发生，其发病率约为30%。所以，在家中尽量少用日光灯和其他光源，以减少对人体的有害因素。

3 光之镜与光现象

其实，光之镜原理是基于“物象到人像”的映射原理。光从透镜射入透镜，通过透镜后再折射到物镜上；观察的时候，看到的是物体在一个点上得像（也就是物镜中的像）。但是当看其他物体时，这个东西就会从透镜里面反射回来，回到原来的地方。因此，看到不同大小和不同颜色的“光”时，也会看到不同颜色和大小的物体。所以说如果把“光”当成反射镜的话，那么就可以做到以光为镜了。比如：可以利用“光之镜”来观察一个物体在周围环境中所呈现出的各种形态；同时将一个光斑投射到“光之镜”上，也可以观察其他颜色和大小的物体。

光现象在生活中经常会看到：一束光从高处射下，在不同的位置看起来有相同的颜色（其实就是一束光射在不同物体上，因为这些物体的表面有吸收和反射功能）。光色定色，当光线通过不同材料时，会发生色散作用，而不同物质对光的吸收、反射、透射等物理性质不同。光色（或饱和度）在光学系统中，同一颜色物体对角线上分量相同的那部分叫作主光谱，是光波；另一部分分量相同的那部分叫作辅光谱，是吸收与反射的波峰和波谷。光线经过红绿蓝三种颜色区域，到达人眼之前的位置叫饱和区。因为光波越短，射入人眼时所受到的干扰越小，反之则干扰越大。由于人眼对不同颜色物体敏感程度不一样。因此红、绿、蓝三色光波在人眼中分别呈现为红、绿、蓝这三种颜色。生活中看到这些不同颜色物品时会有不同的心理感受；色彩对认知事物有很大影响，所以了解了这些光现象和光色后就可以做到：光以光速传播、通过三原色可以任意混合成各种所需要的颜色；同时也了解了光的吸收、反射和折射性质，从而在生活中做到更好地保护眼睛。