光的直線傳播 - 光學(xué)現(xiàn)象
在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播,通常簡稱光的直線傳播。它是幾何光學(xué)的重要基礎(chǔ),利用它可以簡明地解決成像問題。人眼就是根據(jù)光的直線傳播來確定物體或像的位置的,這是物理光學(xué)里的一部分。
原理
自身能夠發(fā)光的物體叫做光源。它分為兩種,一種是自然光源,如太陽、螢火蟲等,另一種是人造光源,如發(fā)光的電燈、點燃的蠟燭(燭焰)。
月亮不是光源。月亮依靠太陽的光反射而發(fā)光?;鹦且膊皇枪庠?。
通過對光的長期觀察,人們發(fā)現(xiàn)了沿著密林樹葉間隙射到地面的光線形成射線狀的光束,從小窗中進(jìn)入屋里的日光也是這樣。大量的觀察事實,使人們認(rèn)識到光是沿直線傳播的。為了證明光的這一性質(zhì),大約二千四五百年前我國杰出的科學(xué)家墨翟和他的學(xué)生完成了世界上第一個小孔成倒像的實驗,發(fā)現(xiàn)并解釋了小孔成倒像的原理。雖然他講的并不是成像而是成影,但是道理是一樣的。
在一間黑暗的小屋朝陽的墻上開一個小孔,人對著小孔站在屋外,屋里相對的墻上就出現(xiàn)了一個倒立的人影。為什么會有這奇怪的現(xiàn)象呢?墨家解釋說,光穿過小孔如射箭一樣,是直線行進(jìn)的,人的頭部遮住了上面的光,成影在下邊,人的足部遮住了下面的光,成影在上邊,就形成了倒立的影。這是對光直線傳播的第一次科學(xué)解釋。
性質(zhì)
為了表示光的傳播情況,我們通常用一條帶箭頭的直線表示光的徑跡和方向。這樣的直線叫光線。
光在同種均勻的介質(zhì)中是沿直線傳播的。
光的直線傳播性質(zhì),在我國古代天文歷法中得到了廣泛的應(yīng)用。我們的祖先制造了圭表和日晷,測量日影的長短和方位,以確定時間、冬至點、夏至點;在天文儀器上安裝窺管,以觀察天象,測量恒星的位置。
光在同一種均勻物質(zhì)中沿直線傳播.光可以在空氣、水、玻璃等透明物質(zhì)中傳播.光的傳播可以不需要介質(zhì),光可以在真空中傳播。要注意光沿直線傳播的條件是同種均勻物質(zhì).。
此外,我國很早就利用光的這一性質(zhì),發(fā)明了皮影戲。漢初齊少翁用紙剪的人、物在白幕后表演,并且用光照射,人、物的影像就映在白幕上,幕外的人就可以看到影像的表演。皮影戲到宋代非常盛行,后來傳到了西方,引起了轟動。
種類
點光源
點光源是理想化為質(zhì)點的向四面八方發(fā)出光線的光源,點光源是抽象化了的物理概念,為了把物理問題的研究簡單化。就像平時說的光滑平面,質(zhì)點,無線光源空氣阻力一樣,點光源在現(xiàn)實中也是不存在的,指的是從一個點向周圍空間均勻發(fā)光的光源。
線光源
線光源是指發(fā)光的模式,是通過專門設(shè)計的光學(xué)鏡頭組輸出一條狹長的紫外光帶,滿足封邊,印刷等領(lǐng)域的生產(chǎn)需要。
面光源
面光源是指發(fā)光的模式,相對led點光源及普通燈具光源而言,現(xiàn)有面光源如平板光源,led面光源具有出光柔和、不傷眼、省電、光線自然等特點,是將來光源產(chǎn)品發(fā)展的重要方向。
歷史沿革
十四世紀(jì)中葉,元代天文數(shù)學(xué)家趙友欽在他所著的《革象新書》中進(jìn)一步詳細(xì)地考察了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙相當(dāng)小的時候,盡管孔隙的形狀不是圓形的,所得的像卻都是圓形的;日食的時候,像也有缺,和日的食分相同;孔的大小不同,但是像的大小相等,只是濃淡不同;如果把像屏移近小孔,所得的像變小,亮度增加。對于這一現(xiàn)象,趙友欽經(jīng)過精心思索和研究,得出了關(guān)于小孔成像的規(guī)律。
他認(rèn)為孔相當(dāng)小的時候,不管孔的形狀怎樣,所成的像是光源的倒立像,這時孔的大小只不過和像的明暗程度有關(guān),不改變像的形狀。當(dāng)孔相當(dāng)大的小孔成像示意圖。時候,所得到的像就是孔的正立像。
實驗方法
為了證實這個結(jié)論,趙友欽設(shè)計了一個比較完備的實驗。在樓下的兩間房子的地板中各挖兩個直徑四尺多的圓井,右邊的井深四尺,左邊的深八尺,在左井里放置一張四尺高的桌子,這樣兩井的深度就相同。作兩塊直徑四尺的圓板,板上各密插一千多枝蠟燭,點燃后,一塊放在右井井底,一塊放在左井桌上。
在井口各蓋直徑五尺、中心開小方孔的圓板,左板的方孔寬一寸左右,右板的方孔寬半寸左右。這時可以看到樓板上出現(xiàn)的都是圓像,只是孔大的比較亮,孔小的比較暗。趙友欽用光的直線傳播的道理,說明了東邊的燭成像于西,西邊的成像于東,南邊的成像于北,北邊的成像于南,每根燭都有對應(yīng)的像,由于一千多枝燭是密集成圓的,所成的像也相互連接成為圓像。這樣就說明了在光源、小孔、像屏距離不變的情況下,所成的像形狀不變,只有照度上的差別:孔大的“所容之光較多”,因而比較亮;孔小的“所容之光較少”,因而比較暗。
如果把右井里東邊的蠟燭熄滅五百枝,那右邊房間樓板上的像西邊缺半,相當(dāng)于日月食的時候影和日、月食分相等一樣。如果在左邊中蠟燭巰密相間,只燃點二三十枝,那像雖是圓形分布,但是各是一些不相聯(lián)接的暗淡方像;如果只燃一燭,方孔對于燭光源來說不是相當(dāng)?shù)匦?,因而出現(xiàn)的是方孔的像;把所有的燭重新點著,左邊的像就恢復(fù)圓形。
其次,在樓板上平行于地面吊兩塊大板作為像屏,這時像屏距孔近,看到的像變小而明亮。接著去掉上面所說的吊著的兩塊板,仍以樓板作為像屏,撤去左井里的桌子,把蠟燭放到井底,這時左井的光源離方孔遠(yuǎn),左邊的樓板上出現(xiàn)的像變小,而且由于燭光弱,距離增加后亮度也變?nèi)酢?/p>
從這些實驗結(jié)果,趙友欽歸納得出了小孔成像的規(guī)律,指出了燭(光源)的遠(yuǎn)近、強(qiáng)弱和小孔、像屏的遠(yuǎn)近之間的關(guān)系,指出像屏近孔的時候像小,遠(yuǎn)孔的時候像大;燭距孔遠(yuǎn)的時候像小,近孔的時候像大;像小就亮,像大就暗;燭雖近孔,但是光弱,像也就暗;燭雖遠(yuǎn)孔,但是光強(qiáng),像也就亮。實驗的最后一步是撤去復(fù)蓋井面的兩塊板,另在樓板下各懸直徑一尺多的圓板,右板開廣四寸的方孔,左板開各邊長五寸的三角形孔,調(diào)節(jié)板的高底,就是改變光源、孔、像屏之間的距離。
這時仰視樓板上的像,左邊是三角形,右邊是方形。這說明孔大的時候所成的像和孔的形狀相同:孔距屏近,像小而明亮;孔距屏遠(yuǎn),像大而暗淡。
從以上的實驗結(jié)果,趙友欽得出了小孔的像和光源的形狀相同、大孔的像和孔的形狀相同的結(jié)論,并指出這個結(jié)論是“斷乎無可疑者”。用這樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒?,來證明光的直線傳播,闡明小孔成像的原理,這在當(dāng)時世界上是絕無僅有的。
解釋現(xiàn)象
物影關(guān)系
墨家還利用光的直線傳播這一特性,解釋了物和影的關(guān)系。飛翔著的鳥兒,它的影子也仿佛在飛動著。墨家分析了光、鳥、影的關(guān)系,揭開了影子自身并不直接參加運動的秘密。墨家指出鳥影是由于直線行進(jìn)的光線照在鳥身上被鳥遮住而形成的。當(dāng)鳥在飛動中,前一瞬間光被遮住出現(xiàn)影子的地方,后一瞬間就被光所照射,影子便消失了;新出現(xiàn)的影子是后一瞬間光被遮住而形成的,已經(jīng)不是前一瞬間的影子。
因此,墨家得到了“景不徙”的結(jié)論,“景”通“影”,就是說,影子不直接參加運動。那么為什么影子看起來是活動著的呢?這是因為鳥飛動的時候,前后瞬間影子是連續(xù)不斷地更新著,并且變動著位置,看起來就覺得影是隨著鳥在飛動一樣。在二千四五百年前,能這樣深入細(xì)致地研究光的性質(zhì),解釋影的動和不動的關(guān)系,的確是非常難能可貴的。墨家還從光線直線傳播的原理解釋了投影和半影的現(xiàn)象。
影子形成
光從光源傳播出來,照射在不透光的物體上,不透光的物體把沿直線傳播的光擋住了,在不透光的物體后面受不到光照射的地方就形成了影子。
日食
日食,又作日蝕,在月球運行至太陽與地球之間時發(fā)生。這時對地球上的部分地區(qū)來說,月球位于太陽前方,因此來自太陽的部分或全部光線被擋住,因此看起來好像是太陽的一部分或全部消失了。
月食
當(dāng)月球運行至地球的陰影部分時,在月球和地球之間的地區(qū)會因為太陽光被地球所遮閉,就看到月球缺了一塊。此時的太陽、地球、月球恰好 - 或幾乎在同一條直線上。
小孔成像
用一個帶有小孔的板遮擋在屏幕與物之間,屏幕上就會形成物的倒像,我們把這樣的現(xiàn)象叫小孔成像。
激光準(zhǔn)直
激光束作為基準(zhǔn)線,在被測點上設(shè)置激光束的接收裝置,求得準(zhǔn)直點偏離值的一種測量方法
其它
隊列對齊
射擊瞄準(zhǔn)
木匠只用一只眼看木板是否刨平
古代人用影子來計時
光在真空中傳播速度最快,最快為c=3x10m/s=3x10km/s??諝庵械墓馑俾孕∮谡婵罩械墓馑?,光在水中的速度為3/4c,在玻璃中的速度為2/3c。
同時,介質(zhì)的密度越大,光速越小。
應(yīng)用領(lǐng)域
人造光源
太陽給人類以光和熱,這是人類不可缺少的光源。但是由于地球的自轉(zhuǎn),形成了白晝和黑夜。每到晚上,黑暗就籠罩著大地。生活在遠(yuǎn)古的人類祖先,對黑夜是無能為力的。黑暗給人們以可怕、可惡的感覺,直到今天黑暗仍為人們用來形容邪惡。不知經(jīng)歷了多少個世紀(jì),人類才發(fā)現(xiàn)火也能提供光和熱。開始是使用天然火,以后又發(fā)明了人工摩擦取火。
人工摩擦取火的發(fā)明是人類歷史的一個劃時代進(jìn)步,它“第一次使人支配了一種自然力,從而最終把人同動物界分開”。生活在五十萬年以前的北京猿人就已經(jīng)懂得使用天然火,大約在幾萬年前人類又學(xué)會了用鉆木的方法人工取火?;鹪陂L時期里一直是人們唯一可以利用的人造光源,后來人們創(chuàng)造了油燈、蠟燭,但還是離不開火,一直到近代發(fā)明了電燈才取代了火。
