03 级二班李霄栋

物理论文：形形色色的光现象 03级二班李霄栋

物理论文——形形色色的光现象 在实际生活当中，有很多有趣而奇妙的光现象。大到吸引全球注意力的日食、月食，小到肥皂泡上的彩色图案，只要你留心，随时都能发现自己身边的光现象。不过，你有没有思考过它们的原因呢？其实，这些光现象很多都可以用我们学过的波的知识来解释，现在就让我们去看一看自己身边奇妙的光现象吧!

物理论文——形形色色的光现象 广义范围内的光指全部电磁波。迄今为止，所知的最长波长为107米左右，最短波长为10-15米左右。可见光指能引起人视觉的电磁波，其波长约在7.7×10-7～3.9×10-7米，它包括从红光到紫光的各种单色光。下面我们将针对可见光谈以下几个问题： • 1 光的传播 • 2 光的反射 • 3 光的折射 • 4 光的衍射 • 5 光的干涉 • 6 光的散射 • 7 极光

物理论文——形形色色的光现象 一、光的传播在均匀介质中光沿直线传播。这条性质我们是司空见惯了。也正是光的这条性质，使人们费了很大劲才弄清光的波动性质。究竟有什么现象是光的直线传播造成的呢？就让我们看一下吧。

物理论文——形形色色的光现象 日食、月食是一重要的天文现象，是光在同一种均匀介质中沿直线传播的例证。

物理论文——形形色色的光现象 • 日全食、日偏食和日环食 • 月球的影可以分为本影、半影和伪半影三部分。月球绕地球的轨道和地球绕太阳的轨道都不是正圆，所以日、月同地球之间的距离时近时远。因此，在日食时，观察者在本影范围看到太阳全部被月球遮住，称为日全食；观察者在半影内则见到太阳部分被月球遮住，称为日偏食；观察者在伪本影内见到太阳的中间部分被月球遮住，周边剩下一个光环，称为日环食。当月球绕地球运行到太阳与地球之间几乎与太阳同起同落时，从地球上见不到月球，这时称为朔，日食现象发生在朔的时候。朔的周期约为29.5天。但不是每隔29.5天都发生一次日食，原因是月球绕地球运行的轨道平面和地球绕太阳运行的轨道平面不完全重合，两者之间有5°9’的平均夹角。所以只有当朔时太阳离两个轨道平面的交点在某一角度以内时才会发生日食。

物理论文——形形色色的光现象 • 月全食、月偏食与半影月食 • 月食是月球进入地球阴影，月面变暗的现象。地球在背着太阳的方向有一条阴影，叫地影。地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太阳直接射来的光，半影受到一部分太阳射来的光。月球在绕地球运行过程中进入地影后就发生月食。月球整个都进入本影发生月全食；部分进入本影发生月偏食。月全食和月偏食叫本影月食。有时月球只进入半影而不进入本影，发生半影月食。 • 当地球处在太阳与月球之间时，月球朝向地球的一面照满太阳光，从地球上看月球，月球呈光亮的圆形，这叫望。望的周期与朔相同，月食只能发生在望的时候。但由于地球与月球运行轨道不在同一平面，而有一个5°9′的夹角，不是所有望的时候都发生月食。只有当月球运行到两个轨道平面的交点附近时，月食才可能发生。

物理论文——形形色色的光现象 由于地球的本影比月球大得多，在月全食时，月球会會完全进入地球的本影区內，因此，绝不会出现月环食这种现象。　　发生月食时，地面上的观测面积很大，可覆盖半个地球，只要是天气晴朗的夜空就能看得到。

物理论文——形形色色的光现象 本影区是光线完全射不到的地方。点光源生成的影区周围可以出现亮边，这是由于光的波动性，光遇到障碍物后，发生衍射的结果。发光体越大，本影区越小。如白炽灯下的人影很清楚，荧光灯下的人影十分模糊，就是两者比较而言，白炽灯可看成是点光源，发光面小；荧光灯的发光面就比白炽灯大得多。医院里外科手术用的无影灯，就是在一个很大的圆形灯罩里交错排列或呈环形排列几个到10多个灯球，每个灯球里有一个镜面灯泡，灯炮下半部的内壁上涂有一层铝，把光线均匀柔和地反射到整个灯球上。这样，各个灯球都能把光线照射到手术台上，既保证有足够的亮度，同时又不留任何影子。

物理论文——形形色色的光现象 星光闪烁夜晚，天上的星星，特别是地平线附近的星星，常以震动的形式急速变化。时明时暗，上下跳动，左右摇晃。而且有时颜色也有变化，这就使所谓的星光闪烁，或者说是星星“眨眼”。这是由于大气处于经常不断地运动中，空气密度也相应地不断变化。又因为不同光波的折射率是不同的，所以看起来，位置和颜色都不断地变化。来自地平线附近的星光，由于穿过的大气层厚，又由于底层大气变化大，所以闪烁显著。地面的发光物也会有同样的闪烁现象。星光闪烁往往反映出大气的不稳定，是天起变化的征兆，所以有“天上星星跳，风雨就来到”的谚语。同样的原因，在炎热的夏季，地面上的目标物，由于强烈的增热，空气密度变化大，大气层不稳定，折射率不断变化，远处看起来一些树木、房屋等会产生晃动，气象学上称为闪晃。这中闪晃也和星星闪烁一样，是天起变化的征兆，因为这是大气层不稳定的表现。

物理论文——形形色色的光现象 假设地球表面不存在大气层，那么人们观察到的日出时刻与实际存在的大气层的情况相比将延后。这是由于太阳光在不均匀的大气层中传播发生弯曲的原因。海市蜃楼也是介质不均匀造成的众人皆知的现象。这些现象等说到折射时再详细说明。

物理论文——形形色色的光现象 二、光的反射我们能够看到的物体有的是光源（自己能发出光线），有的则是因为它们能反射光。光的反射分为镜面反射和漫反射，而以漫反射最为常见。光线经光滑面发生的反射现象。镜反射遵循反射定律，反射光线是有规律的。平面镜、球面镜及各种曲面的反射都是镜反射。镜反射能生成各种像，并在适当位置和范围内能观察到。在现实中，大量的反射都不是在光滑面上进行的，反射面是粗糙的。在粗糙的表面进行的无规则反射叫漫反射。漫反射的光线能到各个方向，但就其中的每条光线而言，都遵循反射规律。一般物体，我们之所以能从各个方向看到它，就是漫反射的结果。漫反射在实际中有广泛的应用。

物理论文——形形色色的光现象 我们常见的平面镜的反射就是镜面反射。平行光经镜面反射仍平行。很多时候我们都利用镜面反射，但有时镜面反射却是我们要避免的。比如教学用的黑板，如果太光滑就会造成很多同学看不清字。这是因为反射光大部分光沿与镜面反射的路径传播。这时只要把黑板弄粗糙一些即可。

物理论文——形形色色的光现象 当光射到两种媒质界面，只产生反射而不产生折射的现象叫全反射。当光由光密媒质射向光疏媒质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏媒质中将不出现折射光线，只要入射角大于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射。所以，产生全反射的条件是：①光必须由光密媒质射向光疏媒质。②入射角必须大于临界角。由于镜面反射常常造成光的能量损失，常常用全反射透镜代替平面镜。潜望镜就是这样做的。全反射的应用很广，如改变光的传播方向、测量折射率和传导光束等。

物理论文——形形色色的光现象 三、光的折射光的折射满足折射定律。其内容如下：①折射线、法线、入射线在同一平面内。②折射线、入射线在法线的两侧。③折射角的正弦与入射角的正弦的比值是一常数。光由光速大的媒质进入光速小的媒质，光线将向法线偏折，即光线配法线的夹角变小。在水底有一束光源，光束达到水面然后折射到空气中，当然，也有一部分光线产生反射。当入射角加大时，更多的光线产生反射。当入射角大于或等于临界角时，发生全反射。临界角是由两个介质的折射率来决定的：是两个介质的折射率。

物理论文——形形色色的光现象 在地球上观察日出时，太阳发出的光线进入大气层经过无数次折射才映入观察者的眼帘，观察者认为光是直线传播的，所见太阳好像在如图1-40所示的S′处的“太阳”乃是阳光经过大气层折射后形成的虚像。实际上这时的太阳S还在地平线以下。

物理论文——形形色色的光现象 透过燃烧得很旺的炉火上方空气看炉火另一侧竖立木棍，发现木棍不规则地左右晃动变得弯曲了，如图所示，这是由于人眼所见木棍的虚像密度分布变化的气流飘移。

物理论文——形形色色的光现象 雨后初晴的早晨或傍晚，或者远处还落着小雨，另一边又在出太阳，常观察到天空出现彩虹，这是由于光的折射产生的色散现象，如图所示，太阳光进入水滴后，因各色光的折射率不同而产生色散。实际上是一部分光线反射，一部分光线折射进入水滴，在水滴里面发生内部反射（全反射）然后再从水滴折射而出，人眼可见各色光。

物理论文——形形色色的光现象 • 眼睛 • 视觉器官。眼睛和照相机相似，一部分是光学成像系统，能够保证在视网膜上形成外界物体清晰的像；另一部分是与照相底片相似的感光层，即视网膜上的感光细胞及其外段的光敏色素。 • 眼球近似于球体，内部的角膜、水样液、晶状体及玻璃体构成屈光系统，起到一个双凸透镜的作用。眼睛比照相机机构要复杂得多。除了有一套自动调节控制机制外还能把光携带的信息变成神经电信号并经过初步加工处理传到大脑。 • 眼睛有一套自动调节控制机制，即能使远处的物体成像在视网膜上，也能使近处的物体成像在视网膜上。其原因是晶状体本身是有弹性的，可以靠周围肌肉的运动改变它的表面的弯曲程度，从而改变其焦距。因此眼睛是一种精巧的变焦距系统。眼睛要看清一个物体，除了像要成在视网膜上以外，还需要成在视网膜上的像足够的明亮，这主要靠瞳孔的调节，瞳孔的大小是可以改变的，改变它就可以控制进入眼球的光线的多少，它的作用像照相机的光圈。另外眼睛要看清楚一个物体还要满足第三个条件，就是物体的两端对眼睛光心所张的视角要大于1分。当物体对眼睛所张的视角小于1分的时候，在视网膜上所成的像就会落在同一个感光细胞上，整个物体看上去就会缩成了一点无从分辨。 • 物体上射出的光一部分进入眼睛在视网膜上成一实像，我们就看清了物体。眼睛不仅能看清物体，而且还能看清物体通过光学系统所成的虚像，虚像是反射光线或折射光线的反向延长线形成的，但这些反射光线或折射光线进入眼睛后能在视网膜上成一实像。 • 人们眼球的焦距只有1.5厘米左右，所以观察的物体一般总在眼睛的两倍焦距以外，它在视网膜上所成的像是缩小倒立的实像，由于长时间的感受已养成习惯，脑神经能清楚地识别各种物体，不至有上下倒置、左右易位的感觉。

物理论文——形形色色的光现象 近视眼一种远点为有限距离的非正常眼，这种眼睛的折光本领比正常的眼睛大些，或者角膜到视网膜的距离比正常的眼睛长些。晶状体在曲率最小的时候，也不能把平行光束会聚在视网膜上（而是聚在视网膜前），这种眼睛远点不是无限远，只适于看较近的物体，近点也比10厘米小，要使这种眼睛能够看清楚无限远的物体，必须把物体在视网膜前所成的像，移到视网膜上。矫正近视眼的方法是配带一副用凹透镜做的眼镜，利用这种透镜对于光束的发散作用可以使得物体所成的像远一点，刚好成在视网膜上。青少年多患近视眼，因此应该注意眼睛的保健

物理论文——形形色色的光现象 远视眼一种近点变远的非正常眼。这种眼睛的晶状体的折射本领比正常的眼睛小些，或者角膜到视网膜的距离比正常的眼睛短些，晶状体在曲率最小的时候，无限远处物体的像，成在视网膜的后面，要经过调节才能看清楚无限远处的物体；较近处物体的像成在视网膜的更后面一些，要看清楚物体晶状体需做更大的调节。矫正远视眼的方法是戴一副凸透镜做的眼镜。利用这种眼镜对光的会聚作用，使得物体所成的像移近一些，刚好成像在视网膜上。

物理论文——形形色色的光现象 夏天游泳时带上游泳防水镜潜入平静清澈的水中，抬头向上观看，会看到一幅别有洞天的奇异景象：水面外的景物（如彩云、树木、建筑物等）不仅变高了，而且都呈现在顶角为90°的倒立圆锥体中。倒立圆锥的底面，是一个外红内紫的彩色“圆洞”，如图所示。

物理论文——形形色色的光现象 • 夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中．古人不明白产生这种景象的原因，对它作了不科学的解释，认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的，因而叫做“海市蜃楼”，也叫蜃景．海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射而产生的．夏天，海面上的下层空气，温度比上层低，密度比上层大，折射率也比上层大．我们可以把海面上的空气看作是由折射率不同的许多水平气层组成的．远处的山峰、船舶、楼房、人等发出的光线射向空中时，由于不断被折射，越来越偏离法线方向，进入上层空气的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中。 • 　在沙漠里也会看到蜃景．太阳照到沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小．从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射，人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒景，仿佛是从水面反射出来的一样．沙漠里的行人常被这种景象所迷惑，以为前方有水源而奔向前去，但总是可望而不可及． • 　在炎热夏天的柏油马路上，有时也能看到上述现象．贴近热路面附近的空气层同热沙面附近的空气层一样，比上层穿空气的折射率小．从远处物体射向路面的光线，也可能发生全反射，从远处看去，路面显得格外明亮光滑，就像用水淋过一样．

物理论文——形形色色的光现象 看了那么多折射现象，折射究竟是怎样造成的呢？这要从光的波动说谈起。下面让我们看一段《物理学的进化》（爱因斯坦、英费尔德）中的叙述。光的波动说——光是纵波还是横波——以太与机械观——结语光的波动说　　让我们回忆一下前面描写光学现象时突然停下来的原因。我们当时的目的是要介绍另一个光的理论，这个理论与微粒说不同，但也想做到能解释同样多的现象。为了这个缘故，我们不得不中断我们的故事而来介绍波的概念。现在我们可以回到原题上来了。　　第一个提出一个完全新的光理论的人是和牛顿同时代的惠更斯（Huygens）。在他的光学论文中，他写道：　　　　假如光的通过需要一定的时间——这正是我们现在要考查的——则这种在介质中传播的运动是一个接着一个的，因此它是和声一样以球面及波的形式传播的。我　　所以把它叫做波，是因为它与石子丢在水中所激起的波相似，这些波也是相继地以一个个的圈子传播出去，不过产生的原因不同，而且只在平面上而已。　　按照惠更斯的说法，光是一种波，它是能的迁移而不是物质的迁移。我们已经知道微粒说解释了许多已观察到的现象，光的波动说也能做到这一点吗？我们必须把微粒说已经回答了的问题再问一遍，看光的波动说是否也能口答得同样好。我们试采用谈话的方式，谈话的一方是牛顿学说的信奉者，简称为“牛”；另一方是惠更斯学说的信奉者，简称为“惠”。两个人都不许利用这两位大师死后所发展的论证。

物理论文——形形色色的光现象 牛：在微粒说中光的速度具有完全确定的意义，那就是微粒通过真空的空间的速度。在波动说中它的意义是怎样的呢？　　惠：自然，它就是光波的速度。每个人都知道波是以某种确定的速度传播的，光波当然也是这样。　　牛：这看来不像那样简单吧！声波是在空气中传播的，海波是在水中传播的。每一种波都必须有一种具体的介质才能在其中传播，但是光能透过真空，而声却不能。设定真空中的波实际上等于根本没有设定波。　　惠：是的，这是一个困难，不过对我来说这并不是一个新的困难。我的老师已经把这个问题仔细想过，而认为惟一的出路便是假定一种假设的物质——以太的存在，这是一种充斥于整个宇宙的透明的介质。整个的宇宙可以说是浸在以太之中，一旦我们有勇气引用这个概念，其余一切都是明白而确切的了。　　牛：但是我反对这样一个假定，首先因为它引用一个新的虚假的物质，而物理学中的物质已经大多了。还有一个反对它的理由，毫无疑问，你相信我们必须用力学来解释一切，但是怎样来解释以太呢？你能答复下面这个简单的问题吗？以太是怎样由基本粒子组成的，而且在旁的现象中它是怎样出现的？　　惠：您的第一个反驳当然有道理，但是引入稍为牵强的没有重力的以太以后，我们便可以立刻放弃那更为牵强的光的微粒。这里我们只有一种“神秘的”物质，而不致于有与光谱中的许多种色相对应的无数的物质。你不觉得这实在是一个进步吗？至少，所有的困难都集中在一点上了。我们不再需要虚伪地假定各种色的粒子都以相同的速率通过真空了。您的第二个反驳也是对的，我们不能够对以太作一个力学的解释。但是毫无疑问，对光学的现象以及旁的现象的往后研究中也许会显示出以太的结构来。目前我们必须等待新的实验与结论，但是我希望最后我们总能够解决以大的机械结构问题。　　牛：我们暂且丢开这个问题，因为目前无法解决它。即使我们撇开那些困难，我还想知道你的理论如何去解释那些被微粒说解释得很明白而容易理解的现象，例如光线沿直线在“真空”或空气中通过的情况。把一张纸放在灯的前面，结果会在墙上产生一个清晰的、轮廓分明的影。假如光的波动说是正确的，清晰的影决不可能有，因为光会绕过纸的边缘，使影变得模糊。您知道，在海洋中小船不能阻挡波，波会绕过它，也不会出现小船的影子。　　惠：这不是一个能使人信服的论证。试看河里短的波打在大船的边上，在船的这一面发生的波在另一面就看不到。如果波十分小而船十分大，便会出现一个清晰的影。我们所以觉得光是沿直线行进的，很可能是因为它的波长比起普通的障碍物以及实验中所用的孔来要小得多。如果我们能够做出一个足够小的障碍物，很可能也会什么影也没有。要制造一个能够证明光是否能被弯曲的仪器，我们可能会遇到很大的实验上的困难。可是，如果能想出这样一个实验，就能对光的波动说和微粒说下一个判决性的结论了。　　牛：光的波动说也许在将来能导致新的论据，但是现在我不知道有何可以确切地确认它的实验资料。除非用实验确实证明了光会弯曲，我看不出有什么理由不相信微粒说。这个学说，在我看来比波动说简单，因而也就较好。

物理论文——形形色色的光现象 虽然这个问题还没有彻底解决，我们可以把谈话在这里停下来了。　　我们还需要说明光的波动说怎样去解释光的折射和色的多样性，我们知道光的微粒说能够作出这种解释。我们从研究折射开始，但是将首先考察一个与光学毫无关系的例子，因为这对考察折射现象很有用处。　　假设在一个空旷的场地上有两个人悬着一根坚实的棍子在走路，棍子由两人各执一端（图３９）。只要开始时他们以相同的速度笔直向前走去，只要两人的速度保持一样，那未不论速度的大小如何，棍总是作平行的位移，就是说，它的方向不会改变。棍的连续不断的所有位置都是相互平行的。现在，我们设想在一极短的时间之内，也许只有几分之一秒，两个人走路的速度不同了，会发生什么情况呢？很明显，在这一瞬间，棍子转向了，因此它不再对原有的位置作平行位移了。等到恢复为相等的速度时，它的方向已经与原来的方向不同。这在图上已明显地表现出来了，方向的变更发生在两个行路者的速度不同的瞬间。　　

物理论文——形形色色的光现象 这个例子使我们能了解波的折射。一列在以太中行进的平面波碰在玻璃表面上，在图４０中，我们可以看到一个具有比较大的波前的波在向前行进。波前是一个平面，在任何时刻，这个平面上的以大的各部分其行为相同。因为光的速度依光所通过的介质而异）因此光在玻璃中与在“真空”中的速度不相同。在波前进入玻璃的极短时间内，波前的各个部分各有不同的速度。很明显，已经到达玻璃的那部分便会以玻璃中光的速度行进，而其余部分则仍以光在以太中的速度运动。由于“浸”人玻璃时波前各部分的速度不同，波本身的方向便有了变更。　由此可见，不仅光的微粒说，而且光的波动说也可以解释折射。假如再加上一点儿数学知识用作进一步的考察，便会发现光的波动说的解释更简单。更好，而且结果与观察完全相符。事实上，如果我们知道一束光进入介质时的折射情况，使用定量的推理方法，我们可以推出折射介质中的光速来。直接测量的结果圆满地确认了这些预言，因而也确认了光的波动说。

物理论文——形形色色的光现象 四、光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，先将偏离直线传播的路径绕到障碍物后面，这就是光的衍射现象。

物理论文——形形色色的光现象常见的衍射现象：物理论文——形形色色的光现象常见的衍射现象： 1、光通过狭缝的衍射单色光通过很窄的狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹较宽，其余亮条纹变窄，白光通过狭缝时在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。 2、光通过小孔的衍射光通过小孔(小到一定程度)在屏上会出现明暗相间的圆环，这些圆环达到的范围远大于小孔的面积。 3、光找到小圆板上的衍射光照到不透明的小圆板上，在屏上圆板的阴影中心，有一个亮斑，这个亮斑取名叫泊松亮斑。

物理论文——形形色色的光现象 • 在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小的时候衍射现象就十分明显，出现明显的衍射现象。用狭缝代替小孔，狭缝成为线光源，而线光源可以认为由许多个发光点沿一条线排列组成的，每个点光源分别产生自己的干涉图样，在屏上的干涉条纹则是各个点光源的干涉图样的叠加。由于这些点光源与双缝的相对位置完全一样，产生的干涉图样完全相同。虽然不同的点光源的光互不相干，但它们叠加起来仍与点光源产生干涉图样相似，只是强度增大而由亮点变成明线，易于观察。

物理论文——形形色色的光现象 • 五、光的干涉两列频率相同的光波在空中相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，出现明暗相间的条纹或者是彩色条纹的现象叫做光的干涉。只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。光的干涉现象十分常见。白光干涉后能产生很漂亮的条纹。例如油膜干涉，肥皂膜干涉，牛顿环等。眼睛的睫毛交叉时可造成衍射光栅看到太阳光的彩纹。下面，让我们比较详细地看一下光的干涉现象。

物理论文——形形色色的光现象 1、双缝干涉：按上图放好三个屏。放置时屏与屏平行，单缝与双缝平行。然后用一束单色光投射到前面的屏上，结果在后面的屏上能看到明暗相间的等宽的干涉条纹。若换用白光做上述实验，在屏上看到的是彩色条纹。

物理论文——形形色色的光现象 双缝干涉中屏上出现明暗条纹的位置和宽度与两缝间距离、缝到屏的距离以及光波的波长有关。且相邻两明条纹和相邻两暗条纹之间的距离是相等的。设双缝间距S1=S2=S，缝到屏的距离r0，光波波长λ，相邻两明条纹间距y。如图所示：

物理论文——形形色色的光现象 • 图中P为中央亮条纹，P1为离开中央亮条纹的第一条亮条纹。它们间距为y。 • ∴θ角很小(＜5°) • sinθ=tgθ • 在Rt△P1OP中， • 上式说明，两缝间距离越小、缝到屏的距离越大，光波的 • 波长越大，条纹的宽度就越大。 • 当实验装置一定，红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距 • 最小。这表明不同色光的波长不同，红光最长，紫光最 • 短。

物理论文——形形色色的光现象 双缝干涉中条纹间距与屏距D、缝距2d、波长λ的关系： |CkA|-|CkB|=kλ Ck所在双曲线方程为：解得: y Ck(xk,D) B(d,J0) x A(-d,0) O(0,0)

物理论文——形形色色的光现象 2、薄膜干涉肥皂泡上的彩色干涉条纹油膜上的彩色干涉条纹蝉翼上的彩色干涉条纹

物理论文——形形色色的光现象 竖立的肥皂液薄膜上出现的明暗相间的条纹；阳光下肥皂泡上的彩色花纹；水面上飘浮的油膜上的彩色条纹；蝴蝶等昆虫翅膀上的彩色花纹，都是薄膜干涉现象。公园里见到的孔雀羽毛色彩艳丽，是由于它的羽毛上生长着厚度不同的透明薄膜，由于薄膜的干涉而形成漂亮的颜色。竖立的肥皂膜在重力的作用下形成上薄下厚的楔形，当光照在薄膜上时，从膜的前后表面各反射回一列光波，这两列波即是频率相同的相干光波，由于薄膜的厚度不同，这两列光波的路程差不同。当路程差为光波波长的整数倍时，则为波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇，使光波的振动加强，形成亮条纹；当光波的路程差为半波长的奇数倍时，则波峰与波谷相遇，光波的振动减弱，形成暗条纹。如果用白光照射上述肥皂液薄膜，薄膜就出现各种不同颜色的条纹。这也是由于白光是由种种不同颜色的光组成的，而每种颜色的光各有一定的波长，所以在薄膜某一厚度的地方，某一波长的光反射回来互相增强，另外一些波长的光反射回来互相削弱。这样，在薄膜上就出现了不同颜色的条纹。

物理论文——形形色色的光现象 图中所画的波都是反射波，是从楔形薄膜前表面和后表面分别反射的两列波叠加，这两列波是同一光源发出的，所以是相干波，由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同，所以干涉后能产生水平的明暗条纹。若用白光照射，则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射后增强，而另一些波长的光反射后弱，这样薄膜的像上就出现彩色条纹。在水面的油膜上常常看到彩色花纹就是由于油膜的各部分的厚度不均匀，从油膜的上表面和下表面分别反射的光发生干涉而形成的。

物理论文——形形色色的光现象 • 增透膜 • 增透膜是光的薄膜干涉的一个应用。 • 增透膜是在透镜、棱镜等光学元件表面涂的一层氟化镁薄膜。当薄膜的两个表面上反射光的路程差等于半个波长时，反射回来的光抵消。从而增强了透射光的强度。显然增透膜的厚度应该等于光在该介质中波长的1/4。由能量守恒可知，入射光总强度=反射光总强度+透射光总强度。在墨的厚度等于光波长的1/4时，光恰好实现波峰与波谷相叠加，实现干涉相消，使其合振幅接近于零，即反射光的总强度接近于零，从总效果上看，相当于光几乎不发生反射而透过薄膜，因而大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度。 • 增透膜只对人眼或感光胶片上最敏感的绿光起增透作用。当白光照到(垂直)增透膜上，绿光产生相消干涉，反射光中绿光的强度几乎是零。这时其他波长的光(如红光和紫光)并没有被完全抵消。因此，增透膜呈绿光的互补色——淡紫色。

物理论文——形形色色的光现象 现已知入射光的频率v，求增透膜的最小厚度：要使薄膜起到增透的作用，必须使从增透膜两个表面反射回的两列光的路程差等于光波半波长的奇数倍，即：又两列光的路程差恰为增透膜的2倍，即： d=2D(D为增透膜的厚度) 要使增透膜厚度最小，k=0．又由光的波长λ，光速v及频率v之间的关系 λ=v/ν

物理论文——形形色色的光现象 3、干涉法检查精密部件的表面取一个透明的标准样板，放在待检查的部件表面并在一端垫一薄片，使样板的平面与被检查的平面间形成一个楔形空气膜，用单色光从上面照射，入射光从空气层的上下表面反射出两列光形成相干光，从反射光中就会看到干涉条纹，如图2-3甲所示。如果被检表面是平的，那么空气层厚度相同的各点就位于一条直线上，产生的干涉条纹就是平行的(如图乙)；如果观察到的干涉条纹如图所示，A、B处的凹凸情况可以这样分析：由丙图知，P、Q两点位于同一条亮纹上，故甲图中与P、Q对应的位置空气层厚度相同。由于Q位于P的右方(即远离楔尖)，如果被检表面是平的，Q处厚度应该比P处大，所以，只有当A处凹陷时才能使P与Q处深度相同。同理可以判断与M对应的B处为凸起。

物理论文——形形色色的光现象 • 牛顿环 • 一种光的干涉图样。是牛顿在1675年首先观察到的。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相间的同心圆环。圆环分布是中间疏、边缘密，圆心在接触点O。从反射光看到的牛顿环中心是暗的，从透射光看到的牛顿环中心是明的。若用白光入射，将观察到彩色圆环。牛顿环是典型的等厚薄膜干涉。平凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同。因此使干涉图样呈圆环状。这种由同一厚度薄膜产生同一干涉条纹的干涉称作等厚干涉。 • 牛顿环装置常用来检验光学元件表面的准确度。如果改变凸透镜和平板玻璃间的压力，能使其间空气薄膜的厚度发生微小变化，条纹就会移动。用此原理可以精密地测定压力或长度的微小变化。 • 牛顿环是牛顿首先观察到的，但是由于牛顿持光的粒子说，他并不认为牛顿环是干涉的结果，他用微粒说解释了他的观测结果，但很不令人满意。直到19世纪初才由英国科学家杨氏用光的波动理论解释了牛顿环。

物理论文——形形色色的光现象 六、光的色散复色光分解为单色光而形成光谱的现象。让一束白光射到玻璃棱镜上，光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带，其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色，靠近底边的一端是紫色，中间依次是橙黄绿蓝靛，这样的光带叫光谱。光谱中每一种色光不能再分解出其他色光，称它为单色光。由单色光混合而成的光叫复色光。自然界中的太阳光、白炽电灯和日光灯发出的光都是复色光。

物理论文——形形色色的光现象 晴朗的天空是蔚蓝色的，天空越是晴朗，天空颜色越加澄澈。为什么晴朗的天空是蓝色的呢？并不是因为大气本身的颜色是蓝色的，也不是因为大气中含有某种蓝色的物质，而是因为太阳光线射入大气层之后，遇到大气分子和浮悬在大气中的微粒发生散射的结果。大气分子和悬浮的微粒本身是不发光的，但是由于它们能把太阳光向四面八方散射出去，所以它们就成了散射光的光源。太阳辐射的可见光部分本来是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色组成的白色光，不同颜色的光波长不同。波长较短的紫、蓝、青色光波最容易被散射，而波长较长的红、橙、黄色光的投射能力较强，它们能透过大气分子和微粒，保持原来的方向前进，很少被空气分子散射。对下层空气分子散射来讲，主要是蓝色光线被散射出来。所以天空是蔚蓝色。天空蓝色只是在低空才看得见，随着高度的增加，由于空气越来越稀薄，大气分子数量急剧减少，分子散射出来的光辉逐渐减弱，天空亮度越来越暗，由蓝而青（8公里以上），由青而暗青（11公里以上），再逐渐变成暗紫色（13公里以上）。到20公里以上的高空，散射作用几乎完全看不出来，天空就变成暗黑色的了。

物理论文——形形色色的光现象 极光在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。有时它像一条彩带，有时它像一团火焰，有时它又像一张五光十色的巨大银幕。它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气。这种壮丽动人的景象就叫做极光。人们知道极光至少己有2000年了，因此极光一直是许多神话的主题。在中世纪早期，不少人相信，极光是骑马奔驰越过天空的勇士。在北极地区，因纽特人认为，极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。

物理论文——形形色色的光现象 产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，例如，在美国，南到北纬40度处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。造成极光动态变化的机制尚示完全明了。在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为"太阳风"。这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北极光。

物理论文——形形色色的光现象 大多数极光出现在地球上空90---130千米处。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州，一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河，也是观看极光的好地方。

03 级二班李霄栋

03 级二班李霄栋

Presentation Transcript