淺談高中物理光學知識在生活中的應用

曾科言

摘 要：光學知識是高中物理的重要組成部分，其內容在初中反射、折射、透鏡等知識理論的基礎上進行了豐富的拓展，研究的光學現象更加復雜，對光的本質的探索不斷加深。人類的生存與延續離不開光、整個世界充滿光，高中階段學習的光學知識已經足夠讓我們理解平常遇到的光學現象，而將這些知識應用到生產與創新中也促進了我們人類科技和生活的發展。本文簡要介紹了光學理論的發展歷史以及在生活中的應用，并通過查閱文獻簡要介紹目前光學理論的高精尖前沿研究內容，促進我們高中生學習物理的興趣。

關鍵詞：高中 物理 光學 應用

一、物理光學理論的發展與演變

光學是一門古老的學科，我國戰國末年的《墨經》一書中就記錄了很多當時的人們對于一些光學現象的思考，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光反射的相關研究寫出了《反射光學》一書，之后反射定律和折射定律的完善標志著光學真正成為一門獨立學科。到了十七世紀牛頓首次進行了光的色散實驗，制作了反射式望遠鏡，牛頓分光實驗和牛頓環的發現標志著光學理論從幾何光學轉變為物理光學。我們高中階段學習的光的偏振、干涉和衍射相關知識都是19世紀初物理學家從實踐實驗中總結而來，之后麥克斯韋提出光的波動學說，從理論上驗證了光的本質是種電磁波。到了20世紀以后，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，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識。經過幾千年的發展，光學理論的發展逐漸衍生出激光化學、量子光學等新的學科，極大地推動了物理學的發展，使人類對這個世界的運行規律和自然現象有了更深刻和全面的了解。

二、在生活中的光學知識應用

（1）在檢測分析中的應用

光學在檢測分析中的應用非常廣泛，有很多分析檢測儀器都是基于光學原理制造的。一批光學檢測儀器在生物分析和化學分析領域有廣泛應用，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，但其實它們的基本構造原理都是基于我們已經學習過的高中物理知識。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、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，利用不同強度的光轉換為電信號的強度不同進而檢測物質的種類及含量。

（2）在探索觀測中的應用

人類對世界的探索方向主要有微觀和宏觀兩個方向，光學在這兩個方向都有關鍵性作用。在宏觀方向，光學望遠鏡技術的發展直接影響了人類對宇宙探索的遠度。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鏡，經過簡單改造后就可以觀測月食、日食現象，之后天文望遠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，光學顯微鏡的出現使我們可以“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。初代光學望遠鏡和顯微鏡都是利用透鏡的成像規律，之后不斷與其他先進技術如液晶屏幕技術、光電轉換技術結合，使光學儀器的觀測倍數不斷增加，附加功能也不斷強大。

（3）在建筑設計中的應用

古代人們就在建筑設計、室內布置方面使用光學知識，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用已經有2000多年歷史，從透明玻璃，到美麗燦爛的彩色玻璃，種類繁多，應用廣泛。到了現代，人們開始注意光能在建筑節能方面的應用，充分利用光的能量，如太陽能光纖照明系統，太陽能熱水器等，當然大規模玻璃幕墻的使用造成的光污染等問題也是現在社會需要注意的一個問題。

（4）解釋分析自然現象

經過高中階段的物理學習，我們已經可以理解很多自然界的物理現象，并且能夠在實驗室里重現這些現象。彩虹的形成就是在雨后空氣中會漂浮大量球形小水珠，會對太陽光產生色散現象，從而在天空中出現七彩彩虹。在海面和沙漠中出現的海市蜃樓現象就是由于不同高度的空氣層密度不同，會對光線產生折射現象，從而使我們看到遠處的景象。

三、關于光學的前沿研究與探索

時代在不斷向前進步，儀器設備等硬件設備的進步以及物理化學等基礎理論的完善使當代物理研究者們有了更高的研究起點，物理光學的研究深度和應用范圍都在快速擴展。現代光學研究已經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，它們的性質與應用被進一步拓展；此外，光學與材料學、機械學、電學等其他學科的聯系也越來越緊密，人們認識世界和改造世界的能力隨著光學的進步不斷增強。例如蘇州大學李述湯院士課題組首次成功地在實驗上揭示了天然材料平面內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 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，吸引無數人苦苦探索。千百年來科學家們苦苦思索光的本質，探究光學現象，并且將光學知識用于生產生活，促進人類文明的進步。現在光學儀器、光學知識的應用在生活中隨處可見，這是無數前人孜孜探索的成果，也是我們當代繼續奮斗的力量源泉。

參考文獻

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