高中物理光學在實際生活的應用

劉振生

光學工程在日常生活很多領域扮演著重要的角色，以愈發聰明的方法和燈具，確保效果更好、更加節能的照明.工業生產中激光處理材料，光學感應和光學通信技術，以及顯示器技術，這些只是現代工業環境日益重要的一些光學技術范例.這里介紹光學的應用：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現象.彩虹常在下午，雨后剛轉天晴時出現.這時空氣內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，有時會顯現出一個內紫外紅，顏色排列有規律的半圓形彩環，就是虹，也稱彩虹.很多時候會見到兩條同心彩虹同時出現，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彩虹呢？很多人都覺得奇怪.最早研究彩虹的是法國科學家笛卡兒，1637年他發表文章解釋了彩虹由于太陽光射入空中的水滴里，發生了折射和反射的結果.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，英國物理學家牛頓發現太陽光通過棱鏡時的色散現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，包括一些物理專業的學生，甚至教師.筆者經過多年的教學研究發現，通過對光路圖的分析，人們對彩虹成因更容易理解.

彩虹形成的光學原理：

由于太陽光是一種復合光（包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）而這些不同顏色的色光其對應的波長不同，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的折射率是不同.而折射率不同的光線會發生色散現象.

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時，會發生折射.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，發生全反射.③ 發生全反射的光線射出水珠，此時光線會發生散射，光線由于頻率的不同甴復合光分散成七種色光：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫.當然完全有可能發生第一次全發射之后，光線還是不能射出，此時會出現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象.這現象主要是光的散射.

大氣雖然透明，然而空氣中的分子卻能夠使太陽光（復合光）發生散射.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幾乎沒有藍色光.既然進入我們眼睛的太陽光中已經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、與光衍射有關的問題

例3出現沙塵暴的時候為什么天空呈現紅黃的顏色？

解析沙塵暴出現時天氣通常呈現的是大風，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出紅黃的顏色.即沙塵暴天空呈現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，這種現象的主要原因是光的多普勒效應造成的.

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、全息技術的應用

例5全息技術所運用的光學原理是什么？

解析全息技術的光學原理主要有兩個：光的干涉與光的衍射.全息技術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原物的整個圖象.這就是全息技術的光學原理.

光學工程在日常生活很多領域扮演著重要的角色，以愈發聰明的方法和燈具，確保效果更好、更加節能的照明.工業生產中激光處理材料，光學感應和光學通信技術，以及顯示器技術，這些只是現代工業環境日益重要的一些光學技術范例.這里介紹光學的應用：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現象.彩虹常在下午，雨后剛轉天晴時出現.這時空氣內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，有時會顯現出一個內紫外紅，顏色排列有規律的半圓形彩環，就是虹，也稱彩虹.很多時候會見到兩條同心彩虹同時出現，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彩虹呢？很多人都覺得奇怪.最早研究彩虹的是法國科學家笛卡兒，1637年他發表文章解釋了彩虹由于太陽光射入空中的水滴里，發生了折射和反射的結果.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，英國物理學家牛頓發現太陽光通過棱鏡時的色散現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，包括一些物理專業的學生，甚至教師.筆者經過多年的教學研究發現，通過對光路圖的分析，人們對彩虹成因更容易理解.

彩虹形成的光學原理：

由于太陽光是一種復合光（包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）而這些不同顏色的色光其對應的波長不同，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的折射率是不同.而折射率不同的光線會發生色散現象.

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時，會發生折射.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，發生全反射.③ 發生全反射的光線射出水珠，此時光線會發生散射，光線由于頻率的不同甴復合光分散成七種色光：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫.當然完全有可能發生第一次全發射之后，光線還是不能射出，此時會出現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象.這現象主要是光的散射.

大氣雖然透明，然而空氣中的分子卻能夠使太陽光（復合光）發生散射.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幾乎沒有藍色光.既然進入我們眼睛的太陽光中已經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、與光衍射有關的問題

例3出現沙塵暴的時候為什么天空呈現紅黃的顏色？

解析沙塵暴出現時天氣通常呈現的是大風，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出紅黃的顏色.即沙塵暴天空呈現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，這種現象的主要原因是光的多普勒效應造成的.

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、全息技術的應用

例5全息技術所運用的光學原理是什么？

解析全息技術的光學原理主要有兩個：光的干涉與光的衍射.全息技術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原物的整個圖象.這就是全息技術的光學原理.

光學工程在日常生活很多領域扮演著重要的角色，以愈發聰明的方法和燈具，確保效果更好、更加節能的照明.工業生產中激光處理材料，光學感應和光學通信技術，以及顯示器技術，這些只是現代工業環境日益重要的一些光學技術范例.這里介紹光學的應用：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現象.彩虹常在下午，雨后剛轉天晴時出現.這時空氣內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，有時會顯現出一個內紫外紅，顏色排列有規律的半圓形彩環，就是虹，也稱彩虹.很多時候會見到兩條同心彩虹同時出現，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彩虹呢？很多人都覺得奇怪.最早研究彩虹的是法國科學家笛卡兒，1637年他發表文章解釋了彩虹由于太陽光射入空中的水滴里，發生了折射和反射的結果.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，英國物理學家牛頓發現太陽光通過棱鏡時的色散現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，包括一些物理專業的學生，甚至教師.筆者經過多年的教學研究發現，通過對光路圖的分析，人們對彩虹成因更容易理解.

彩虹形成的光學原理：

由于太陽光是一種復合光（包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）而這些不同顏色的色光其對應的波長不同，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的折射率是不同.而折射率不同的光線會發生色散現象.

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時，會發生折射.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，發生全反射.③ 發生全反射的光線射出水珠，此時光線會發生散射，光線由于頻率的不同甴復合光分散成七種色光：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫.當然完全有可能發生第一次全發射之后，光線還是不能射出，此時會出現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象.這現象主要是光的散射.

大氣雖然透明，然而空氣中的分子卻能夠使太陽光（復合光）發生散射.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幾乎沒有藍色光.既然進入我們眼睛的太陽光中已經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、與光衍射有關的問題

例3出現沙塵暴的時候為什么天空呈現紅黃的顏色？

解析沙塵暴出現時天氣通常呈現的是大風，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出紅黃的顏色.即沙塵暴天空呈現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，這種現象的主要原因是光的多普勒效應造成的.

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、全息技術的應用

例5全息技術所運用的光學原理是什么？

解析全息技術的光學原理主要有兩個：光的干涉與光的衍射.全息技術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原物的整個圖象.這就是全息技術的光學原理.