高中物理光學(xué)在實際生活的應(yīng)用

劉振生

光學(xué)工程在日常生活很多領(lǐng)域扮演著重要的角色，以愈發(fā)聰明的方法和燈具，確保效果更好、更加節(jié)能的照明.工業(yè)生產(chǎn)中激光處理材料，光學(xué)感應(yīng)和光學(xué)通信技術(shù)，以及顯示器技術(shù)，這些只是現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境日益重要的一些光學(xué)技術(shù)范例.這里介紹光學(xué)的應(yīng)用：彩虹的形成； 天空是藍的，晚霞是紅色的；星系譜線“紅移”；全息技術(shù)的原理等等.

一、彩虹的形成

例1彩虹涉及的物理原理主要有（）.

A.光的折射 B.光的反射

C.光的色散 D.光的折射、全反射以及色散

解析彩虹是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象.彩虹常在下午，雨后剛轉(zhuǎn)天晴時出現(xiàn).這時空氣內(nèi)塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因為仍有雨云而較暗.而觀察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較容易被看到.

很多人一提到彩虹，就想當說是光的折射，我想說的是遠遠不止這么簡單.它包括光的折射，全反射，以及光的散射.

答案D

夏日的午后，雨過天晴.在陽光照射的對面天空中，有時會顯現(xiàn)出一個內(nèi)紫外紅，顏色排列有規(guī)律的半圓形彩環(huán)，就是虹，也稱彩虹.很多時候會見到兩條同心彩虹同時出現(xiàn)，上方顏色較暗的彩虹稱為副虹（又稱霓），下方顏色較鮮艷的彩虹稱為主虹.彩虹是怎么形成的？為什么很少在中午看到出現(xiàn)彩虹呢？很多人都覺得奇怪.最早研究彩虹的是法國科學(xué)家笛卡兒，1637年他發(fā)表文章解釋了彩虹由于太陽光射入空中的水滴里，發(fā)生了折射和反射的結(jié)果.但他不明白虹的顏色和它按一定次序排列的原因.直到1667年，英國物理學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡時的色散現(xiàn)象后虹的顏色才得以解釋.但很多人對彩虹的成因還是不理解，包括一些物理專業(yè)的學(xué)生，甚至教師.筆者經(jīng)過多年的教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，通過對光路圖的分析，人們對彩虹成因更容易理解.

彩虹形成的光學(xué)原理：

由于太陽光是一種復(fù)合光（包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）而這些不同顏色的色光其對應(yīng)的波長不同，也就是說它們的頻率是不同的.又由于頻率不同的色光對于同一種介質(zhì)的折射率是不同.而折射率不同的光線會發(fā)生色散現(xiàn)象.

其光路圖，如圖所示：

雨過天晴，太陽光照射到小水珠（球形）上，① 空氣與水的折射率不同，當光線射入兩種不同折射率的介質(zhì)時，會發(fā)生折射.② 進入水珠里的光線由于水珠的折射率比空氣的折射率更大，滿足全反射的條件，當滿足一定的角度時，發(fā)生全反射.③ 發(fā)生全反射的光線射出水珠，此時光線會發(fā)生散射，光線由于頻率的不同甴復(fù)合光分散成七種色光：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫.當然完全有可能發(fā)生第一次全發(fā)射之后，光線還是不能射出，此時會出現(xiàn)第二次或者是第三次全反射.這就是彩虹形成的原因.

二、天空是藍的，晚霞是紅的原理

例2天空為什么是藍的，晚霞為什么是紅的？

解析天空是藍的，晚霞是紅的，這是非常常見的自然現(xiàn)象.這現(xiàn)象主要是光的散射.

大氣雖然透明，然而空氣中的分子卻能夠使太陽光（復(fù)合光）發(fā)生散射.而且，光的波長越短，越容易受到空氣分子的散射. 即，太陽光中的紫色光和藍色光容易發(fā)生散射.所以，當我們朝天空的某個方向望去時，就會有比較多的藍色或紫色光射到我們的眼睛.我們的眼睛對藍色光比紫色光更敏感，所以天空看起來是藍色的.

那么， 傍晚西方的天空為什么又是紅色的？當出現(xiàn)晚霞時，太陽下落正位于地平線附近時，太陽光必須在大氣層里通過更長的光程才能夠到達我們的眼睛.在太陽光進入大氣層以后，由于藍色光的波長比較短，容易被空氣分子散射，其中的藍色光在遠處早早地就被散射衰減掉了，在到達我們眼睛的太陽光中已經(jīng)幾乎沒有藍色光.既然進入我們眼睛的太陽光中已經(jīng)沒有了藍色光和紫色光，我們看見的自然便是紅色.而且，紅色光盡管不容易被散射（波長較長），但是在空氣中行進如此長的距離也會被散射而來到我們的眼睛.結(jié)果，傍晚從天空來到我們眼睛的就基本上只有紅色光.這就是形成晚霞的原因.

因為太陽光是由七種光組成的，其中紅光可以傳的最遠，其他的都在半路被空氣折射掉了.因此，天空是藍的，晚霞是紅的.

三、與光衍射有關(guān)的問題

例3出現(xiàn)沙塵暴的時候為什么天空呈現(xiàn)紅黃的顏色？

解析沙塵暴出現(xiàn)時天氣通常呈現(xiàn)的是大風(fēng)，這樣造成天空中含有大量的粉塵顆粒，同時因為太陽光中紅光和黃光的波長較長，傳播的更遠并且很容易發(fā)生衍射而穿過沙塵，然而太陽光中波長比較短的其他顏色的容易減，所以很難穿越粉塵顆粒這個屏障，因此我們看到的天空就呈現(xiàn)出紅黃的顏色.即沙塵暴天空呈現(xiàn)紅黃色利用了光的衍射原理.

四、星系譜線“紅移”的緣由

例4請解釋星系譜線的“紅移”.

解析星系譜線“紅移”說明當前宇宙中的其它星球正在遠離地球，宇宙也處于不斷膨脹的狀態(tài)，這種現(xiàn)象的主要原因是光的多普勒效應(yīng)造成的.

因為光的頻率向紅光移動，意味著光的頻率在減小.當其它的星球到地球的距離不變的時，所接收到的光的頻率也是固定的，當接收到從其它星球射來的光的頻率在減小時，這表明其它星球正在遠離地球.

五、全息技術(shù)的應(yīng)用

例5全息技術(shù)所運用的光學(xué)原理是什么？

解析全息技術(shù)的光學(xué)原理主要有兩個：光的干涉與光的衍射.全息技術(shù)第一步是利用光的干涉原理記錄物體光波信息，此時是拍攝過程：被拍攝物體在激光輻射下形成漫射式的物光束；而另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，與物光束疊加形成干涉，把物體光波上各點的相位和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的間隔將物體光波的信息記錄下來.記錄著的干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖 ；其第二步是利用光的衍射原理再現(xiàn)物體光波信息， 即成象過程：全息圖在相干激光照射下，全息圖的衍射光波一般可給出兩個像，即原始像和共軛像.再現(xiàn)的圖象立體感強，具有真實的視覺效果.全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，所以它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖象.這就是全息技術(shù)的光學(xué)原理.

光學(xué)工程在日常生活很多領(lǐng)域扮演著重要的角色，以愈發(fā)聰明的方法和燈具，確保效果更好、更加節(jié)能的照明.工業(yè)生產(chǎn)中激光處理材料，光學(xué)感應(yīng)和光學(xué)通信技術(shù)，以及顯示器技術(shù)，這些只是現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境日益重要的一些光學(xué)技術(shù)范例.這里介紹光學(xué)的應(yīng)用：彩虹的形成； 天空是藍的，晚霞是紅色的；星系譜線“紅移”；全息技術(shù)的原理等等.

一、彩虹的形成

例1彩虹涉及的物理原理主要有（）.

A.光的折射 B.光的反射

C.光的色散 D.光的折射、全反射以及色散

解析彩虹是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象.彩虹常在下午，雨后剛轉(zhuǎn)天晴時出現(xiàn).這時空氣內(nèi)塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因為仍有雨云而較暗.而觀察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較容易被看到.

很多人一提到彩虹，就想當說是光的折射，我想說的是遠遠不止這么簡單.它包括光的折射，全反射，以及光的散射.

答案D

夏日的午后，雨過天晴.在陽光照射的對面天空中，有時會顯現(xiàn)出一個內(nèi)紫外紅，顏色排列有規(guī)律的半圓形彩環(huán)，就是虹，也稱彩虹.很多時候會見到兩條同心彩虹同時出現(xiàn)，上方顏色較暗的彩虹稱為副虹（又稱霓），下方顏色較鮮艷的彩虹稱為主虹.彩虹是怎么形成的？為什么很少在中午看到出現(xiàn)彩虹呢？很多人都覺得奇怪.最早研究彩虹的是法國科學(xué)家笛卡兒，1637年他發(fā)表文章解釋了彩虹由于太陽光射入空中的水滴里，發(fā)生了折射和反射的結(jié)果.但他不明白虹的顏色和它按一定次序排列的原因.直到1667年，英國物理學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡時的色散現(xiàn)象后虹的顏色才得以解釋.但很多人對彩虹的成因還是不理解，包括一些物理專業(yè)的學(xué)生，甚至教師.筆者經(jīng)過多年的教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，通過對光路圖的分析，人們對彩虹成因更容易理解.

彩虹形成的光學(xué)原理：

由于太陽光是一種復(fù)合光（包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）而這些不同顏色的色光其對應(yīng)的波長不同，也就是說它們的頻率是不同的.又由于頻率不同的色光對于同一種介質(zhì)的折射率是不同.而折射率不同的光線會發(fā)生色散現(xiàn)象.

其光路圖，如圖所示：

雨過天晴，太陽光照射到小水珠（球形）上，① 空氣與水的折射率不同，當光線射入兩種不同折射率的介質(zhì)時，會發(fā)生折射.② 進入水珠里的光線由于水珠的折射率比空氣的折射率更大，滿足全反射的條件，當滿足一定的角度時，發(fā)生全反射.③ 發(fā)生全反射的光線射出水珠，此時光線會發(fā)生散射，光線由于頻率的不同甴復(fù)合光分散成七種色光：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫.當然完全有可能發(fā)生第一次全發(fā)射之后，光線還是不能射出，此時會出現(xiàn)第二次或者是第三次全反射.這就是彩虹形成的原因.

二、天空是藍的，晚霞是紅的原理

例2天空為什么是藍的，晚霞為什么是紅的？

解析天空是藍的，晚霞是紅的，這是非常常見的自然現(xiàn)象.這現(xiàn)象主要是光的散射.

大氣雖然透明，然而空氣中的分子卻能夠使太陽光（復(fù)合光）發(fā)生散射.而且，光的波長越短，越容易受到空氣分子的散射. 即，太陽光中的紫色光和藍色光容易發(fā)生散射.所以，當我們朝天空的某個方向望去時，就會有比較多的藍色或紫色光射到我們的眼睛.我們的眼睛對藍色光比紫色光更敏感，所以天空看起來是藍色的.

那么， 傍晚西方的天空為什么又是紅色的？當出現(xiàn)晚霞時，太陽下落正位于地平線附近時，太陽光必須在大氣層里通過更長的光程才能夠到達我們的眼睛.在太陽光進入大氣層以后，由于藍色光的波長比較短，容易被空氣分子散射，其中的藍色光在遠處早早地就被散射衰減掉了，在到達我們眼睛的太陽光中已經(jīng)幾乎沒有藍色光.既然進入我們眼睛的太陽光中已經(jīng)沒有了藍色光和紫色光，我們看見的自然便是紅色.而且，紅色光盡管不容易被散射（波長較長），但是在空氣中行進如此長的距離也會被散射而來到我們的眼睛.結(jié)果，傍晚從天空來到我們眼睛的就基本上只有紅色光.這就是形成晚霞的原因.

因為太陽光是由七種光組成的，其中紅光可以傳的最遠，其他的都在半路被空氣折射掉了.因此，天空是藍的，晚霞是紅的.

三、與光衍射有關(guān)的問題

例3出現(xiàn)沙塵暴的時候為什么天空呈現(xiàn)紅黃的顏色？

解析沙塵暴出現(xiàn)時天氣通常呈現(xiàn)的是大風(fēng)，這樣造成天空中含有大量的粉塵顆粒，同時因為太陽光中紅光和黃光的波長較長，傳播的更遠并且很容易發(fā)生衍射而穿過沙塵，然而太陽光中波長比較短的其他顏色的容易減，所以很難穿越粉塵顆粒這個屏障，因此我們看到的天空就呈現(xiàn)出紅黃的顏色.即沙塵暴天空呈現(xiàn)紅黃色利用了光的衍射原理.

四、星系譜線“紅移”的緣由

例4請解釋星系譜線的“紅移”.

解析星系譜線“紅移”說明當前宇宙中的其它星球正在遠離地球，宇宙也處于不斷膨脹的狀態(tài)，這種現(xiàn)象的主要原因是光的多普勒效應(yīng)造成的.

因為光的頻率向紅光移動，意味著光的頻率在減小.當其它的星球到地球的距離不變的時，所接收到的光的頻率也是固定的，當接收到從其它星球射來的光的頻率在減小時，這表明其它星球正在遠離地球.

五、全息技術(shù)的應(yīng)用

例5全息技術(shù)所運用的光學(xué)原理是什么？

解析全息技術(shù)的光學(xué)原理主要有兩個：光的干涉與光的衍射.全息技術(shù)第一步是利用光的干涉原理記錄物體光波信息，此時是拍攝過程：被拍攝物體在激光輻射下形成漫射式的物光束；而另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，與物光束疊加形成干涉，把物體光波上各點的相位和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的間隔將物體光波的信息記錄下來.記錄著的干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖 ；其第二步是利用光的衍射原理再現(xiàn)物體光波信息， 即成象過程：全息圖在相干激光照射下，全息圖的衍射光波一般可給出兩個像，即原始像和共軛像.再現(xiàn)的圖象立體感強，具有真實的視覺效果.全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，所以它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖象.這就是全息技術(shù)的光學(xué)原理.

光學(xué)工程在日常生活很多領(lǐng)域扮演著重要的角色，以愈發(fā)聰明的方法和燈具，確保效果更好、更加節(jié)能的照明.工業(yè)生產(chǎn)中激光處理材料，光學(xué)感應(yīng)和光學(xué)通信技術(shù)，以及顯示器技術(shù)，這些只是現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境日益重要的一些光學(xué)技術(shù)范例.這里介紹光學(xué)的應(yīng)用：彩虹的形成； 天空是藍的，晚霞是紅色的；星系譜線“紅移”；全息技術(shù)的原理等等.

一、彩虹的形成

例1彩虹涉及的物理原理主要有（）.

A.光的折射 B.光的反射

C.光的色散 D.光的折射、全反射以及色散

解析彩虹是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象.彩虹常在下午，雨后剛轉(zhuǎn)天晴時出現(xiàn).這時空氣內(nèi)塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因為仍有雨云而較暗.而觀察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較容易被看到.

很多人一提到彩虹，就想當說是光的折射，我想說的是遠遠不止這么簡單.它包括光的折射，全反射，以及光的散射.

答案D

夏日的午后，雨過天晴.在陽光照射的對面天空中，有時會顯現(xiàn)出一個內(nèi)紫外紅，顏色排列有規(guī)律的半圓形彩環(huán)，就是虹，也稱彩虹.很多時候會見到兩條同心彩虹同時出現(xiàn)，上方顏色較暗的彩虹稱為副虹（又稱霓），下方顏色較鮮艷的彩虹稱為主虹.彩虹是怎么形成的？為什么很少在中午看到出現(xiàn)彩虹呢？很多人都覺得奇怪.最早研究彩虹的是法國科學(xué)家笛卡兒，1637年他發(fā)表文章解釋了彩虹由于太陽光射入空中的水滴里，發(fā)生了折射和反射的結(jié)果.但他不明白虹的顏色和它按一定次序排列的原因.直到1667年，英國物理學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡時的色散現(xiàn)象后虹的顏色才得以解釋.但很多人對彩虹的成因還是不理解，包括一些物理專業(yè)的學(xué)生，甚至教師.筆者經(jīng)過多年的教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，通過對光路圖的分析，人們對彩虹成因更容易理解.

彩虹形成的光學(xué)原理：

由于太陽光是一種復(fù)合光（包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）而這些不同顏色的色光其對應(yīng)的波長不同，也就是說它們的頻率是不同的.又由于頻率不同的色光對于同一種介質(zhì)的折射率是不同.而折射率不同的光線會發(fā)生色散現(xiàn)象.

其光路圖，如圖所示：

雨過天晴，太陽光照射到小水珠（球形）上，① 空氣與水的折射率不同，當光線射入兩種不同折射率的介質(zhì)時，會發(fā)生折射.② 進入水珠里的光線由于水珠的折射率比空氣的折射率更大，滿足全反射的條件，當滿足一定的角度時，發(fā)生全反射.③ 發(fā)生全反射的光線射出水珠，此時光線會發(fā)生散射，光線由于頻率的不同甴復(fù)合光分散成七種色光：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫.當然完全有可能發(fā)生第一次全發(fā)射之后，光線還是不能射出，此時會出現(xiàn)第二次或者是第三次全反射.這就是彩虹形成的原因.

二、天空是藍的，晚霞是紅的原理

例2天空為什么是藍的，晚霞為什么是紅的？

解析天空是藍的，晚霞是紅的，這是非常常見的自然現(xiàn)象.這現(xiàn)象主要是光的散射.

大氣雖然透明，然而空氣中的分子卻能夠使太陽光（復(fù)合光）發(fā)生散射.而且，光的波長越短，越容易受到空氣分子的散射. 即，太陽光中的紫色光和藍色光容易發(fā)生散射.所以，當我們朝天空的某個方向望去時，就會有比較多的藍色或紫色光射到我們的眼睛.我們的眼睛對藍色光比紫色光更敏感，所以天空看起來是藍色的.

那么， 傍晚西方的天空為什么又是紅色的？當出現(xiàn)晚霞時，太陽下落正位于地平線附近時，太陽光必須在大氣層里通過更長的光程才能夠到達我們的眼睛.在太陽光進入大氣層以后，由于藍色光的波長比較短，容易被空氣分子散射，其中的藍色光在遠處早早地就被散射衰減掉了，在到達我們眼睛的太陽光中已經(jīng)幾乎沒有藍色光.既然進入我們眼睛的太陽光中已經(jīng)沒有了藍色光和紫色光，我們看見的自然便是紅色.而且，紅色光盡管不容易被散射（波長較長），但是在空氣中行進如此長的距離也會被散射而來到我們的眼睛.結(jié)果，傍晚從天空來到我們眼睛的就基本上只有紅色光.這就是形成晚霞的原因.

因為太陽光是由七種光組成的，其中紅光可以傳的最遠，其他的都在半路被空氣折射掉了.因此，天空是藍的，晚霞是紅的.

三、與光衍射有關(guān)的問題

例3出現(xiàn)沙塵暴的時候為什么天空呈現(xiàn)紅黃的顏色？

解析沙塵暴出現(xiàn)時天氣通常呈現(xiàn)的是大風(fēng)，這樣造成天空中含有大量的粉塵顆粒，同時因為太陽光中紅光和黃光的波長較長，傳播的更遠并且很容易發(fā)生衍射而穿過沙塵，然而太陽光中波長比較短的其他顏色的容易減，所以很難穿越粉塵顆粒這個屏障，因此我們看到的天空就呈現(xiàn)出紅黃的顏色.即沙塵暴天空呈現(xiàn)紅黃色利用了光的衍射原理.

四、星系譜線“紅移”的緣由

例4請解釋星系譜線的“紅移”.

解析星系譜線“紅移”說明當前宇宙中的其它星球正在遠離地球，宇宙也處于不斷膨脹的狀態(tài)，這種現(xiàn)象的主要原因是光的多普勒效應(yīng)造成的.

因為光的頻率向紅光移動，意味著光的頻率在減小.當其它的星球到地球的距離不變的時，所接收到的光的頻率也是固定的，當接收到從其它星球射來的光的頻率在減小時，這表明其它星球正在遠離地球.

五、全息技術(shù)的應(yīng)用

例5全息技術(shù)所運用的光學(xué)原理是什么？

解析全息技術(shù)的光學(xué)原理主要有兩個：光的干涉與光的衍射.全息技術(shù)第一步是利用光的干涉原理記錄物體光波信息，此時是拍攝過程：被拍攝物體在激光輻射下形成漫射式的物光束；而另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，與物光束疊加形成干涉，把物體光波上各點的相位和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的間隔將物體光波的信息記錄下來.記錄著的干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖 ；其第二步是利用光的衍射原理再現(xiàn)物體光波信息， 即成象過程：全息圖在相干激光照射下，全息圖的衍射光波一般可給出兩個像，即原始像和共軛像.再現(xiàn)的圖象立體感強，具有真實的視覺效果.全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，所以它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖象.這就是全息技術(shù)的光學(xué)原理.