初中物理 04 光现象：光的直线传播、反射、折射

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光的直线传播

光在同种均匀介质中沿直线传播。这意味着光在同一类型且密度均匀的物质中，会以直线的路径进行传播。例如，光在真空中、均匀的空气、清澈的水等介质中都能保持直线传播的特性。若介质不均匀，如在含有杂质或温度不均匀的液体中，光的传播路径会发生弯曲。

小孔成像：用一个带有小孔的板遮挡在墙体与物之间，墙体上就会形成物的倒立的实像。这是因为物体上的一点发出的光线，通过小孔后，在光屏（墙体）的对应位置形成一个光斑，众多这样的光斑组合在一起就形成了倒立的像。像的形状与物体相似，与小孔的形状无关，其原理就是光的直线传播。比如在暗室中，点燃的蜡烛通过小孔在光屏上成倒立的像。

影子的形成：当光照射到不透明物体上时，物体阻挡了光线的传播，在物体后方光线无法到达的区域便形成了影子。由于光沿直线传播，所以影子的形状与物体的轮廓相似，并且影子的大小和位置会随着光源的位置和角度的变化而改变。例如，人在阳光下行走时，身体挡住了太阳光，地面上就会出现人的影子。

日食和月食：日食是由于太阳射向地球的光线被月球遮挡，使得地球上处于月球影子区域的人们无法看到太阳的全部或部分，从而形成日食现象。月食则是地球运行到太阳和月球之间，地球挡住了太阳射向月球的光线，导致月球进入地球的影子区域，使得地球上的人们看到月球部分或全部变暗，形成月食现象。这两种天文现象都是光沿直线传播的典型例证。

激光准直：在建筑、挖掘隧道等工程中，常利用激光的直线传播特性来确保施工方向的准确性。通过发射一束激光，施工人员可以依据激光的路径来确定直线方向，保证工程按照预定的直线进行，从而提高工程质量和施工效率。

光的反射

反射定律

光的反射定律可概括为：反射光线、入射光线和法线在同一平面内；反射光线和入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。这里的法线是指过入射点垂直于反射面的直线，入射角是入射光线与法线的夹角，反射角是反射光线与法线的夹角。该定律是光发生反射现象时必须遵循的基本规律，无论是镜面反射还是漫反射都遵循此定律。

反射类型

镜面反射：当平行光线照射到光滑平整的平面上时，反射光线仍然是平行光线，这种反射称为镜面反射。例如，镜子表面非常光滑，当光线照射到镜子上时，会发生镜面反射，反射光比较集中且方向一致，只有在特定的角度才能看到很强的反射光，因此我们能在镜子中看到清晰的像。

漫反射：当平行光线照射到粗糙不平的表面上时，反射光线会向四面八方散射，这种反射称为漫反射。虽然反射光线不再平行，但每一条光线都遵循光的反射定律。正是由于物体表面大多是粗糙的，发生漫反射，才使得我们能够从不同方向看到本身不发光的物体。比如教室里的黑板，其表面相对粗糙，光照射到黑板上时发生漫反射，从而让各个位置的同学都能看清黑板上的字。

光的折射

折射规律

当光从空气斜射入水或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折，折射角小于入射角。

当光从水或其他介质斜射入空气中时，折射光线远离法线，折射角大于入射角。

当光垂直射向介质表面时，传播方向不变，此时入射角和折射角都为0°。

常见现象

水中的筷子“折断”：当把筷子插入水中时，筷子反射的光从水进入空气，发生折射。人眼逆着折射光线的方向看去，感觉筷子在水中的部分好像向上弯折了，这是因为折射光线偏离了原来的直线传播路径，导致我们看到的筷子的像的位置与实际位置不同。

海市蜃楼：在海面上，由于海水温度和空气温度的差异，导致空气密度不均匀。远处物体反射的光，从密度较大的空气层射向密度较小的空气层，光发生折射，使得物体的像出现在实际物体的下方，形成下现蜃景。在沙漠中，情况则相反，由于沙子受热快，靠近地面的空气温度高、密度小，上层空气温度低、密度大，远处物体反射的光从密度小的空气层射向密度大的空气层，发生折射，物体的像出现在实际物体的上方，形成上现蜃景。海市蜃楼现象是光的折射和全反射共同作用的结果，是一种光学幻景。

透镜成像：透镜对光有折射作用，凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用。根据光的折射规律，不同位置的物体发出的光经过透镜折射后，会形成不同特点的像，如照相机利用凸透镜成倒立、缩小的实像原理，投影仪利用凸透镜成倒立、放大的实像原理，放大镜利用凸透镜成正立、放大的虚像原理等，这些都是光的折射在实际生活中的重要应用。

光现象是物理学中研究光的传播、特性及与物质相互作用的重要内容，主要包括光的直线传播、反射、折射、色散、干涉、衍射、偏振等。

一、光的直线传播

原理：光在同种均匀介质中沿直线传播，这是光的基本传播特性。

1. 小孔成像：蜡烛火焰的光通过小孔，在光屏上形成倒立的实像。因为光沿直线传播，物体上部的光通过小孔到达光屏下部，下部的光到达上部。

2. 影子的形成：阳光下人或物体的影子。光沿直线传播时，被不透明物体挡住，在物体后方形成光照不到的区域。

3. 日食：月球运行到太阳和地球之间，挡住太阳射向地球的光。月球的影子落在地球上，形成日食（光沿直线传播被遮挡）。

4. 月食：地球运行到太阳和月球之间，地球挡住太阳射向月球的光。地球的影子落在月球上，形成月食（光直线传播被地球遮挡）。

5. 激光准直：建筑施工中用激光校准直线。激光沿直线传播，可保证施工路径的笔直。

6. 步枪瞄准：“三点一线”（准星、缺口、目标在同一直线）。利用光的直线传播，确保子弹沿瞄准方向射出。

7. 站队看齐：队列中后面的人只能看到前面人的后脑勺，说明队伍排直了。光沿直线传播，若不共线则会看到更多物体。

8. 手影游戏：用手做出各种形状，在灯光下形成对应的影子。光被手挡住，沿直线传播的光无法绕过手，形成与手形状相似的阴影。

9. 林间光斑：阳光穿过树叶缝隙，在地面形成圆形光斑。缝隙相当于小孔，光沿直线传播，太阳的像呈圆形（太阳是圆形光源）。

10. 打靶瞄准：靶心、准星、眼睛在同一直线时才能瞄准。光沿直线传播，确保视线与子弹飞行路径一致。

二、光的反射

原理：光在两种介质的分界面上，改变传播方向返回原介质的现象，遵循反射定律（反射光线、入射光线、法线在同一平面；反射角等于入射角）。

1. 平面镜成像：照镜子时看到自己的像。光经镜面反射后，反射光线的反向延长线相交形成等大、正立的虚像。

2. 平静湖面倒影：岸边景物在湖中的倒影。湖面相当于平面镜，光经水面反射后进入人眼，使人看到与景物对称的虚像。

3. 汽车后视镜：凸面镜扩大视野。凸面镜对光有发散反射作用，反射光线的反向延长线形成缩小的虚像，能看到更大范围的景物。

4. 潜望镜：潜艇中通过两块平面镜观察水面情况。光经两次反射改变传播方向，使水下的人能看到水面上方的物体。

5. 黑板反光：部分同学看不清黑板上的字。黑板表面光滑，发生镜面反射，强光反射进入人眼，掩盖了漫反射的字迹光。

6. 自行车尾灯：夜间被灯光照射时发亮。尾灯由多个互成直角的小平面镜组成，光经两次反射后沿原方向返回，提醒后方车辆。

7. 月光照亮地面：月球本身不发光，反射太阳的光后照亮地球。太阳光射到月球表面，经漫反射后射向地球。

8. 凹面镜聚光：太阳灶利用凹面镜反射太阳光会聚于一点。凹面镜对光有会聚反射作用，使该点温度升高，可加热物体。

9. 演员对着镜子练动作：通过镜子观察自己的姿势是否标准。光经镜面反射形成虚像，便于演员自我修正。

10. 水面波光粼粼：阳光照射在波动的水面上，光线向不同方向反射。水面不平整，发生漫反射，使水面看起来闪烁。

三、光的折射

原理：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象，遵循折射定律（折射光线、入射光线、法线在同一平面；入射角的正弦与折射角的正弦成正比）。

1. 筷子在水中“折断”：将筷子插入水中，看起来向上弯折。光从水中斜射入空气，折射角大于入射角，人眼逆着折射光线看，觉得筷子端点位置变高。

2. 池水变浅：池塘底看起来比实际浅。光从水射向空气，折射光线偏离法线，人眼看到的是池底的虚像，位置比实际高。

3. 海市蜃楼：沙漠或海面出现远处景物的幻象。空气密度不均匀，光在不同密度的空气中折射，传播路径弯曲，使人看到虚像。

4. 凸透镜成像：放大镜放大物体。凸透镜对光有会聚作用，光经透镜折射后，折射光线的交点形成放大的虚像（物距小于焦距时）。

5. 凹透镜矫正近视：近视眼看不清远处物体，凹透镜使光发散后再折射进入眼睛。凹透镜对光有发散作用，使像成在视网膜上。

6. 照相机成像：镜头（凸透镜）将景物成像在底片上。光经透镜折射后，会聚在底片上形成倒立、缩小的实像。

7. 彩虹的形成（部分原因）：阳光进入雨滴后，先折射、再反射、最后折射射出。折射使不同颜色光的偏折角度不同，形成彩色光带（结合色散）。

8. 鱼缸中的鱼看起来变大：从侧面看鱼缸里的鱼，体积比实际大。光从水射向玻璃再到空气，多次折射使鱼的虚像放大。

9. 叉鱼时瞄准鱼的下方：看到的鱼是虚像，实际位置更深。光从水射向空气折射，人眼判断的位置比实际高，需瞄准下方才能叉中。

10. 三棱镜使光偏折：白光通过三棱镜后向底边偏折。不同颜色光的折射角不同，为色散现象奠定基础。

四、光的色散

原理：复色光（如白光）通过棱镜等介质时，因不同颜色光的折射角不同而分解为单色光的现象（本质是光的折射的差异）。

1. 雨后彩虹：阳光通过空中的水滴，经折射、反射、再折射后分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。不同色光折射角不同，形成彩色圆弧。

2. 三棱镜分光：白光通过三棱镜后，在光屏上形成彩色光带。红光折射角最小，紫光最大，导致不同色光分离。

3. 肥皂泡上的彩色条纹：肥皂泡薄膜前后表面反射的光叠加，同时因薄膜厚度不同，不同色光干涉加强或减弱，结合色散呈现彩色（同时涉及干涉）。

4. 光盘表面的彩色花纹：光盘表面的凹凸纹路使光发生反射和折射，不同色光折射角度不同，加上干涉，呈现彩色。

5. 露珠上的彩色光：清晨露珠在阳光下呈现彩色。露珠相当于小棱镜，白光经折射后色散为单色光。

6. 彩虹糖的彩色反光：彩色糖衣表面反射的光经色散后，呈现更鲜艳的彩色。糖衣的透明层对光的折射差异导致色散。

7. 阳光下的油膜彩色：水面上的油膜在阳光下呈现彩色。油膜上下表面反射的光干涉，同时因色散，不同色光的干涉条纹叠加，形成彩色。

8. 棱镜式光谱仪：将复色光分解为光谱，用于分析物质成分。利用色散原理，不同波长（颜色）的光被分离，形成特征光谱。

9. 彩色气球的反光：透明彩色气球在阳光下，表面反射的光经色散后颜色更丰富。气球材质对不同色光的折射和反射差异导致色散。

10. 阳光透过玻璃三棱镜的光斑：在暗室中，白光通过三棱镜投射到墙上，形成彩色光带。与三棱镜分光原理相同，体现光的色散。

五、光的干涉

原理：两列频率相同、振动方向一致、相位差恒定的相干光相遇时，在叠加区域形成明暗相间条纹的现象（加强区亮，减弱区暗）。

1. 杨氏双缝干涉：单色光通过两个相距很近的狭缝，在光屏上形成等间距的明暗条纹。两缝发出的相干光叠加，波峰与波峰（或波谷与波谷）相遇加强（亮纹），波峰与波谷相遇减弱（暗纹）。

2. 薄膜干涉（肥皂泡）：肥皂泡表面的彩色条纹。肥皂泡前后表面反射的光为相干光，不同厚度处的光程差不同，导致不同色光干涉加强，呈现彩色。

3. 牛顿环：平凸透镜与平板玻璃间的空气膜，在光照射下形成明暗相间的同心圆环。空气膜厚度不同，干涉条件不同，形成环状条纹。

4. 油膜干涉：水面上的油膜在阳光下呈现彩色。油膜上下表面反射的光干涉，不同位置厚度对应不同色光的加强，形成彩色花纹。

5. 迈克尔逊干涉仪：通过调整两反射镜的距离，产生等倾或等厚干涉条纹。用于精确测量长度或研究光的特性，基于光的干涉原理。

6. 相机镜头的增透膜：镜头表面的薄膜使反射光减弱，透射光增强。薄膜厚度为某色光半波长的1/4，两表面反射光干涉相消，减少反射损失。

7. 干涉滤光片：只允许特定波长的光通过。利用多膜层的干涉，使目标波长光透射加强，其他波长光反射或吸收。

8. 全息照相：记录光的振幅和相位信息，再现立体像。物光和参考光干涉，将物体反射光的全部信息编码在底片上。

9. 金属表面的彩色氧化膜：某些金属经氧化处理后，表面形成薄膜，反射光干涉呈现彩色。如铝的阳极氧化膜，厚度不同对应不同颜色。

10. 昆虫翅膀的彩色：如蝴蝶翅膀的鳞片薄膜，对光的干涉和色散共同作用，形成鲜艳颜色。薄膜厚度和结构导致特定波长光干涉加强。

六、光的衍射

原理：光绕过障碍物边缘传播的现象（光的波动性的体现），当障碍物或孔的尺寸与光的波长相当或更小时，衍射明显。

1. 单缝衍射：单色光通过单缝后，在光屏上形成中央宽、两侧窄的明暗相间条纹。光绕过缝的边缘，不同位置的光叠加产生干涉加强或减弱。

2. 泊松亮斑：单色光照射小圆板，在板后的中央出现亮斑。光绕过圆板边缘衍射，叠加后中央形成亮斑（证明光的波动性）。

3. 圆孔衍射：光通过小圆孔后，在光屏上形成明暗相间的环状条纹。圆孔边缘使光衍射，不同环对应不同衍射级次。

4. 光栅衍射：光通过由大量等宽等间距狭缝组成的光栅，形成尖锐明亮的条纹。光栅的多缝干涉和单缝衍射共同作用，条纹更清晰。

5. 眯眼看到灯光的彩色条纹：眯眼时睫毛形成微小缝隙，光通过缝隙发生衍射，不同色光衍射角不同，呈现彩色。

6. CD光盘表面的彩色：光盘上的微小凹坑间距与光波长相当，光衍射后不同色光加强，呈现彩色（同时涉及反射）。

7. 阳光下的刀片边缘彩色：刀片边缘较薄，光绕过边缘衍射，不同色光衍射效果不同，形成彩色条纹。

8. 雾天车灯的光束扩散：雾中水滴使光发生衍射，光束不再沿直线传播，而是向周围扩散。

9. 无线电波绕过高山：无线电波（属于电磁波，与光本质相同）波长较长，能绕过山体传播。体现长波长电磁波的衍射现象。

10. 双缝干涉中的衍射背景：双缝干涉条纹的亮度从中央向两侧逐渐减弱，因单缝衍射对干涉的调制作用。

七、光的偏振

原理：横波的振动方向相对于传播方向的不对称性，光的偏振证明光是横波，自然光通过偏振片后成为偏振光。

1. 偏振片太阳镜：减少路面或水面的反射光。反射光多为偏振光，偏振片的透振方向与反射光偏振方向垂直，吸收反射光，使视野清晰。

2. 3D电影：左右眼接收不同偏振方向的光。两台放映机发射垂直偏振光，观众眼镜的偏振片分别过滤，使左右眼看到不同画面，产生立体感。

3. 液晶显示器（LCD）：通过偏振片控制光的透过。液晶分子在电场作用下改变偏振方向，配合前后偏振片，实现像素的亮暗显示。

4. 蓝天的偏振光：天空散射光具有偏振性。阳光被大气分子散射，散射光为偏振光，可用偏振片观察到亮度变化。

5. 水面反射光的偏振：湖面或路面的反射光多为水平偏振光。偏振片旋转到垂直方向时，可减弱反射光。

6. 偏振显微镜：观察具有双折射特性的物质（如晶体）。偏振光通过双折射物质后产生相位差，形成明暗对比，便于观察微观结构。

7. 光弹性效应：透明塑料受力后呈现偏振干涉条纹。应力使塑料产生双折射，偏振光通过后干涉，条纹分布反映应力大小。

8. 蜜蜂导航：蜜蜂能感知太阳光的偏振方向，确定方位。利用天空偏振光的分布，判断太阳位置，实现导航。

9. 偏振滤光片摄影：拍摄蓝天时，用偏振片加深蓝色。过滤掉部分偏振散射光，使天空颜色更浓郁。

10. 激光的偏振：多数激光器输出的光是线偏振光。激光的产生机制使其振动方向单一，具有偏振性。

物理基础