正文 第2章 光的概述(1)(1 / 2)

光是什麼

科學表明,光是地球生命的來源之一。光是人類生活的重要依據;光是人類認識外部世界的工具;光是信息的理想載體或傳播媒質。那麼,什麼是光呢?

狹義上光是一種人類眼睛可以見到的電磁波,我們稱之為可見光譜。在科學上的定義,光是指所有的電磁波譜。光是由一種稱為光子的基本粒子組成。具有粒子性與波動性。

光太陽從不間斷地發出大量的可見光譜

有實驗證明,光就是電磁輻射,這部分電磁波的波長範圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米之間。波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。在0.39微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺,但可以用光學儀器或攝影方法去量度和探測這種發光物體的存在。所以,在光學中光的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領域,甚至X射線均被認為是光,而可見光的光譜隻是電磁光譜中的一部分。

科學實驗表明,光具有波粒二象性,既可把光看做是一種頻率很高的電磁波,也可把光看成是一個粒子,即光量子,簡稱光子。

光波,包括紅外線,它們的波長比微波更短,頻率更高,因此,從電通信中的微波通信向光通信方向發展,是一種自然的也是一種必然的趨勢。

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,即它們的波長不一樣、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,各光子都是散兵遊勇,不能做到行動一致。

當光反射時,反射角等於入射角,在同一平麵,位於法線兩邊,且光路可逆行。對人類來說,光的最大規模的反射現象,發生在月球上。我們知道,月球本身是不發光的,它隻是反射太陽的光。相傳為記載夏、商、周三代史實的《書經》中就提起過這件事。可見那個時候,人們就已有了光的反射觀念。戰國時的著作《周髀》就明確指出:“日兆月,月光乃生,成明月。”西漢時人們幹脆說“月如鏡體”,可見對光的反射現象有了深一層的認識。《墨經》裏專門記載一個光的反射實驗:以鏡子把日光反射到人體上,可使人體的影子處於人體和太陽之間。這不但是演示了光的反射現象,而且很可能是以此解釋月魄的成因。

光的折射示意圖

我們知道,當光線從一種介質斜射入另一種介質中,會產生折射。如果射入的介質密度大於原本光線所在介質密度,則折射角小於入射角。反之,若小於,則折射角大於入射角。但入射角為0,則無論如何,折射角為零,不產生折射。但光折射還在同種不均勻介質中產生,理論上可以從一個方向射入不產生折射,但因為分不清界線且一般分好幾個層次又不是平麵,故無論如何看都會產生折射。

比如說,魚兒在清澈的水裏麵遊動,可以看得很清楚。然而,沿著你看見魚的方向去叉它,卻叉不到。有經驗的漁民都知道,隻有瞄準魚的下方才能把魚叉到,魚叉叉向的是魚的實像。

從上麵看水,玻璃等透明介質中的物體,會感到物體的位置比實際位置高一些,這是光的折射現象引起的。

由於光的折射,池水看起來比實際的淺。所以,當你站在岸邊,看見清澈見底,深不過齊腰的水時,千萬不要貿然下去,以免因為對水深估計不足,驚慌失措,發生危險。

把一塊厚玻璃放在鋼筆的前麵,筆杆看起來好像“錯位”了,這種現象也是光的折射引起的。光到底是什麼?這是一個值得研究和必須研究的問題。當今物理學研究已經達到了一個瓶頸,即相對論與量子論的衝突,光的本質是基本微粒還是和聲音一樣的波,對未來研究具有指導性作用。