光学与自然现象

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光学与自然现象篇一：自然现象中的光学

光学与自然现象篇二：巧借高中物理光学知识诠释自然现象

光学与自然现象篇三：浅析自然现象中的光学原理

光学与自然现象篇四：光学论文

蜃景中的光学及其原理应用

郑紫阳†

（西安交通大学，理学院，应用物理系21，西安 710049）

（西安交通大学，理学院，物理系，西安 710049）

蜃景包含海市蜃楼与沙漠幻景两种情况，是一种因光的折射和全反射而形成的自然现象。本文就其中的光学原理进行分析，并探讨其原理在科技中的应用。

关键词：蜃景，折射，全反射，隐形

1. 引 言

长期以来，蜃景这种奇幻的自然现象在没有被人们充分认识之前，一直人们神秘化，在中国古代传说和书籍中便有相应的记载。秦始皇、汉武帝当年还曾率人前往蓬莱寻访仙境。宋代沈括也在其文章中提及过海市蜃楼发生的景象。但随着科学技术的不断发展，这种自然现象的形成原因逐步清晰。

2. 蜃景原理

2.1光的折射与全反射

当光线在同一密度的均匀介质内进行的时候，光的速度不变，它以直线的方向前进，可是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时，光的速度就会发生改变，进行的方向也发生曲折，这种现象叫做折射。当你用一根直杆倾斜地插入水中时，可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好像折断的一般，这就是光线折射所成的。如下图1所示。

图1

当光由光密介质射向光疏介质时，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°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，光线就全部反射到水里，再没有折射到空气中去的光线，这就是全反射。如下图2所示。

图2

2.2海市蜃楼现象分析

当温度不同时，空气的密度便不同，因而折射率便不同。在夏季，白昼海水湿度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，下层空气受水温更低，下层空气受水温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暧的反常现象。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。

如果由于这时空气下密上稀的差异太大了，来自远方物体的光线先由密度的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来

（如下图3），经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的物体映像比实物是抬高了许多（如下图4），所以叫做上现蜃景，也即我们平时看到的海市蜃楼的形成。

图3 图4

2.3沙漠幻景现象分析

与海市蜃楼的原理相同。在夏天，沙漠里的下层空气密度小于上层空气密度，相应的折射率也小于上层空气折射率，也形成一个梯度折射率的空气层，但其折射率的渐变规律正好与海面的情况相反，即上方的图3倒过来便是沙漠幻景的形成图解，因此我们所看到的物体映像比实物是降低了许多，所以叫做下现蜃景（如下图5）。

图5

3. 原理应用——隐形

3.1隐形多种原理 隐形，是我们每个人孩提时代的梦想。我们都希望拥有这样一项超能力，逃避繁重功课与家长惩罚。而长大后，我们又希望可以隐形不被家庭工作的压力所烦扰。很显然，我们自身不可能存在这么一种能力，所以我们只能借助外物。电影《哈利波特》中的隐形衣就给了科学家们很大的启发——可以披在身上便隐形的衣服。

在日本，有科学家发明出光学隐形衣。这项研究的核心理论是将物体前后移动的影像集成在一起，制造出“透明”的效果。实际上这是一种幻想是觉得“隐形”手段，有点类似自然界变色龙的做法。但这并不是我们想要追求的效果。模拟环境终究还是有细微差别会被察觉，而通过蜃景原理我们可以实现真正的意义的隐形，让光线无法反射且不留下阴影。

研究人员说，隐形衣试验中的现象就像是海市蜃楼一样，在海市蜃楼中，热量引起光线弯曲，隐去了天空中出现的影像后面延伸的道路。我们可以人工制作一个海市蜃楼，隐藏一些东西，让观察者从任何角度都看不到物体的存在。

3.2相关研究

在英国，约翰·彭得利爵士和美国的同事们研究的方向是如何在衣服上设置一个装置，让光波可以像河水从一块光滑的岩石周围流过一样在衣服上流动，从而达到隐形目的。约翰爵士认为通过改变光线，让光线经过一堆特殊材料制成的衣物而不发生反射，也不留下阴影是完全有可能的。不过制作隐形衣的过程非常困难。毕竟遮挡光线不是一件容易的事。约翰爵士说：“由于我们现在还没有完

美的隐身衣，被覆盖的物体仍能够反射一些光，也有一些影子，这意味着它的背景仍然能够看见，只不过是变暗了。我们现在需要改进隐形材料结构的性能。”

美国杜克大学也正在试图成功掌握这项技术。在首次尝试中，研究人员设计了一个外衣能够阻止探测到物体的微波。像光线和雷达波一样，微波遇到物体时通常会反射回来，所以仪器就会发现这种物体，形成一个可以探测到的影子。而隐形外衣使用的是一种特殊的材料，可以让雷达波或者光线或者其它的波绕过物体而不会反弹回来，就像是小河中的水流能够绕过一块平滑的岩石继续向前流去而不会反弹回来一样（如下图6）。为了达到有效的隐身，你必须对所有的光波波长达到显著控制的能力，而这个是由光学材料决定的，通常都是纳米级别的，本质上是一些微小的电磁场和电路，但能处理光的电场和磁场。理论上说，这种技术适应可见光的概念是不错的，但从工程学观点来自具有很大的挑战性。不过研究人员已成功地将一个柱面隐藏起来让微波探测不到。那么很显然，这种材料如果能够研制成功，可能不仅仅能够反射电磁波，甚至能够反射机械波，隐藏声音，不会产生震动。这一研究向民用和军用功能材料的研制迈出了第一步。

图6

但是以上几个测试都存在或多或少的问题，材料问题是首位的。上述实验的超材料可以控制的波长都很有限，尤其对于黄光就很不明显。斯坦福大学的团队

光学与自然现象篇五：自然辩证法 光学历程

光学历程

光学，一门古老而又充满活力的学科，它的产生和发展的几乎伴随着人类文明史的发展全程，它的发展史就是人类从敬畏自然到利用自然到改造自然再到同自然和谐相处的历史。

光学作为最古老的物理学基础学科。伴随着人类对自然的认识不断深入，其大致经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等几个时期。自然辩证法是指自然界的辩证法，其内容是指自然界自身存在着的不以人的意志为转移的内在的、本质的必然联系，“辩证法的规律是自然界的实在的发展规律”；辩证法的规律是从自然界以及人类社会的历史中被概括起来的；研究的任务在于客观真实地概括和反映自然界的规律，为人们的实践活动提供必须遵循的法则，自然辩证法有其深刻的理论依据和实践的合理性。

光是一种重要的自然现象，我们之所以能够看到客观世界中五彩缤纷、瞬息万变的景象，是因为眼睛接收物体发射、反射或散射的光。人类感官收到外部世界的总信息量中，至少有90％以上来自眼睛。光学悠久的历史几乎和人类文明史本身一样久远；近半个世纪以来它又以令人惊叹的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成果、以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代科学技术的前沿。

中国古代对光的认识是伴随着生产、生活实践而产生的。它起源于对火的获取及利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据书籍记载，中国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神

秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。

在西方，克莱门德和托勒密研究了光的折射现象；罗马哲学家塞涅卡指出充满水的玻璃泡具有强大功能；从阿拉伯的巴斯拉来到埃及的学者阿尔哈雷认为光线来自所观察的物体，并对球面镜、抛物面镜和人眼构造进行了研究；14世纪，波特研究了成像暗箱；从15世纪末到16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件相继出现。

不难看出，不论是在东方还是西方，光学的产生都是在人类经历了漫长的生产实践之后，逐步总结产生而来的。而后，光学的发展为生产技术提供许多精密、快速、生动的实验手段和重要的理论依据，随着技术的发展，又反过来不断向光学提供许多要求解决的新课题，并为进一步深入研究光学准备了物质条件，这体现了认识论的理论和实践的辩证法。

光的反射定律和折射定律的发现，奠定了几何光学的基础。荷兰的李普塞在1608年发明了第一架望远镜。开普勒于1611年发表了他的著作《折光学》，提出照度定律，还设计了几种新型的望远镜，他还发现当光以小角度入射到界面时，入射角和折射角近似地成正比关系。折射定律的精确公式则是斯涅耳和笛卡儿提出的。1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的余割和折射角的余割之比是常数，而笛卡儿约在1630年在《折光学》中给出了用正弦函数表述的折射定律。接着费马在1657年首先指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。到十七世纪中叶，基本上已经建立起了几何光学的基础。

十七世纪开始，光的直线传播这一基础受到了冲击：意大利人格里马首先观察到了光的衍射现象，接着胡克也观察到了这一现象，并和波意耳独立地研究了薄膜所产生的彩色条纹干涉，光的波动理论从此萌芽。1672年，牛顿完成了著名的三棱镜色散实验，发现了牛顿圈（但最早观测到牛顿圈的是胡克），并从牛顿圈现象中确定了光是具有周期性的。1704年，牛顿提出了光是微粒流的理论，并以此观点解释光的反射和折射定律，但却难以说明牛顿圈和光的衍射现象。惠更斯反对光的微粒说，1678年他在《论光》一书中从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波．所谓“以太”则是一种假想的弹性

媒质，充满于整个宇宙空间，光的传播取决于“以太”的弹性和密度．运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。

这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，由于相继发现了干涉、衍射和偏振等光的被动现象，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了，因而这个时期也可以说是几何光学向波动光学过渡的时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。

十九世纪，托马斯·杨圆满地解释了“薄膜的颜色”的现象和用双狭缝实验显示了光的干涉现象,第一次测得光波的波长。1815年，菲涅耳(Fresnel)用干涉原理补充了惠更斯原理，形成了惠更斯-菲涅耳原理，解释了光在均匀的各向同性的介质中的直线传播，而且还解释了光通过障碍物时所产生的衍射现象，成为波动光学中的重要原理。在1846年，法拉弟(Faraday)发现了光的振动面在磁场中发生旋转，这表明光学现象与磁学现象间存在内在的联系。1856年，韦伯(Weber)发现，光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值为，这表明光学现象与电学现象有一定的关系。人们得到启示，即必须把光学现象和其他物理现象联系起来考虑，而不能孤立地研究光的本性。事物矛盾是普遍联系的，如单纯考虑一方面，则不能完整地认识一个事物。

麦克斯韦(C.Maxwell)1860年指出，电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值速度传播，即电磁波以光速传播，说明光是一种电磁现象。这个理论被赫兹(H．R．Hertz，1857-1894)在1888年证实,因此,也就确定了光的电磁理论基础。洛仑兹(Lorentz)由折射率随光波波长而改变的色散现象的发现，在1896年创立了电子论，认为在外力作用下，电子作阻尼振动而产生光的辐射。当光通过介质，介质中的电子的固有频率和外场的频率相同时,则束缚的电子使成为较显著的吸收体。这样，利用Lorentz的电子论，不仅可以解释物质发射和吸收光的现象，还解释了光在物质中的传播过程,同时光的色散现象也得到了较好的解释。在认识光的本性的过程中,应该遵循实践-假设-理论-实践的过程，同时在认识时，只有反映自然现象普遍联系的认识才有生命力。

1900年普朗克提出了量子假说，从物质的分子结构理论中借用不连续性的

概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能象微粒似地以一定最小份的能量发生，这种能量微粒称为量子，正比于频率，成功地解释了黑体辐射问题光的量子称为光子。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。

这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。光和一切微观粒子斗具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和粒子研究的发展，也推动人们去进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。

20世纪中叶激光问世，光学开始进入了一个新的时期。在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“傅里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

可见，光学发展的历史过程，是人类不断揭露矛盾、解决矛盾。统一矛盾的过程，遵循了科学认识论中的实践—假设—理论—实践的原理。

相信对光的认知与探索的过程将永不止步，这是由于客观世界是无限的、时间是无限的。因此认识也是无限的。正如毛泽东同志所说：“实践，认识，再实践，再认识，这种形式，循环往复以至无穷，而实践和认识之每一循环的内容，都比较地进行到高一级程度”。现代光学和其他学科和技术的结合，在人们的生产和生活中发挥这日益重大的作用和影响，正在成为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产率的越来越强有力的武器。

光学与自然现象篇六：组合光学

组合光学

光是一种自然现象.有关光的研究学科称为光学.习惯上光学分为几何光学与物理光

学.物理光学中又分波动光学和量子光学.在波动光学中以光的波动性为基础研究光传播的

干涉,衍射,偏振等现象.本实验就是利用综合光学实验仪组合元器件,完成波动光学中光的

干涉和衍射几个代表性实验.

实验目的

1. 观察单缝夫琅和费衍射现象。

2. 掌握单缝衍射相对光强的测量方法，并求出单缝宽度。

3. 观察等厚干涉现象。

4. 学习测平凸透镜的曲率半径。

实验仪器

He-Ne激光器,单缝,光轨,光具座、光电探测器、数字式检流计。

牛顿环装置，钠光灯，改进型读数显微镜。

实验原理

一、 夫琅和费衍射

光波的波振面受到阻碍时，光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区，并在屏幕上出

现光强不均匀分布的现象叫做光的衍射。衍射是波动光学的重要特征之一，研究光的衍射

不仅有助于进一步加深对光的波动性的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，

如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，利

用硅光电池等光电器件测量光强的相对分布是一种常用的光强分布测量方法。

衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称

为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照

射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲

涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就

可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激

光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，单缝宽

度约为0.1mm，单缝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致

满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件。

物理学家菲涅耳假设：波在传播的过程中，从同一波阵面上的各点发出的次波是相

干波，经传播而在空间某点相遇时，产生相干叠加，这就是著名的惠更斯—菲涅耳原理。

如图1所示，单缝AB所在处的波阵面上各点发出的子波，在空间某点P所引起光振动振

幅的大小与面元面积成正比，与面元到空间某点的距离成反比，并且随单缝平面法线与衍

射光的夹角（衍射角Ф）增大而减小，计算单缝所在处波阵面上各点发出的子波在P点引

起光振动的总和，就可以得到P点的光强度。可见，空间某点的光强，本质上是光波在该

点振动的总强度。

根据惠更斯—菲涅耳原理可以推出，当入射光波长为λ，单缝宽度为a时，单缝夫

sin2uasin琅和费衍射的光强分布为：II0 (式子推导可参考物理教科书)（ 1） uu2

式中IO为中央明纹中心处的光强度，u为单缝边缘光线与中心光线的相位差。

根据上面的光强公式，可得单缝衍射的特征如下：

sin2u1 ，I=IO ，对应最大光强，称为中央主极(1) 中央明纹，在Ф=0处，u=0 ，2u

大，中央明纹宽度由k=1的两个暗条纹的衍射角所确

定，即中央亮条纹的角宽度为2。 a

(2) 暗纹，当u=±kπ，k=1，2，3……即：

asin/k 或asink时有：Ｉ＝０。

且任何两相邻暗条纹间的衍射角的差值

a，即

暗条纹是以P0点为中心等间隔左右对称分布的。

由上式可以看出，当光波长的波长一定时，缝宽a

愈小，衍射角Ф愈大，在屏上相邻条纹的间隔也愈大，

衍射效果愈显著。反之，a愈大，各级条纹衍射角Ф愈

小，条纹向中央明纹靠拢。a无限大，衍射现象消失。

(3)

次级明纹，在两相邻暗纹间存在次级明纹，它们的

宽度是中央亮条纹宽度的一半。这些亮条纹的光强最大值称为次极大。由

可得其角位置依次是：

1.432()0，d

a，2.46

a，3.47

a，……

把上述的值代入光强公式（1）中，可求得各级次明纹中心的强度为

I0.047I0，I0.016I0，I0.008I0，……

从上面特征可以看出，各级明纹的光强随着级次K的增大而迅速减小，而暗纹的光强

亦分布其间。单缝衍射图样的相对光强分布如图2所示。

二、牛顿环干涉

干涉也是波动光学的重要特征之一，光的干涉现象在科学研究和工程技术上有着广泛

的应用， “牛顿环”是一种分振幅法等厚干涉现象，最早为牛顿所发现。牛顿环干涉现象

在光学加工中有着广泛应用。如测量透镜的曲率半径，检验表面光洁度和平整度，而且测

量精度较高。

当一个曲率半径很大的平凸透镜的

凸面放在另一块光学平板玻璃上即构成

了牛顿环装置（图3a）。这时，在透镜

凸面和平板玻璃之间形成了一个空气间

隙层，间隙层的厚度从中心接触点到边

缘逐渐增加。若有一束单色光垂直地入

射到平凸透镜上，则空气间隙层上下表

面反射的两束光存在光程差，它们在平图3 牛顿环

凸透镜的凸面上相遇时就会产生干涉现象，由于光程差取决于空气层的厚度，所以厚度相

同处呈现同一级干涉条纹，故此种干涉称为等厚干涉，干涉条纹为以接触点为中心的一系

列明暗相间的同心圆环。如图3b所示。

如图3a，在P点处的两相干光的光程差为：δk2dk

式中2 （2） 是因为光线在平面玻璃界面反射时所产生半波损失而带来的附加光程差。 2

 由干涉条件知:当光程差满足 k2dk(2k1) k=0,1,2,3„„ （3） 22

时，出现暗条纹，由此可见，接触点处dk＝０，对应的是零级暗条纹。

当光程差满足k2dk

2k，k1,2,… （4

）

时出现明条纹，由于一般测量时均使用暗条纹，所以对亮条纹不再详述。

空气间隙层厚度dk和透镜凸面曲率半径R及干涉环暗条纹的半径rk之间有着简单的

2几何关系，即：rk2R2(Rdk)22Rdkdk （5）

因为R>>d k，所以dk22Rdk，略去dk2项，式（3）代入式（5）后，得出暗条纹的半

径为：

rk2kR, k=0,1,2,…… （6）

由式（6）可知，如果单色光源的波长已知，测出k级暗环的半径rk，就可算出曲率半径R；反之，如果R已知，测出rk后，就可计算出入射单色光源的波长。但是用此测量关系式时往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆面，干涉中心为一暗斑，而不是一个暗点。或者空气间隙层中有了尘埃，附加了光程差，干涉环中心为一亮（或暗）斑，这些原因均无法确定环的几何中心。所以比较准确的方法是测量两暗环的直径来计算。

由（6）式得第K级暗环：Dk24kR (7)

2对于第k+m 暗环：Dkm4(km)R (8)

(8)式减（7）式得：

22 Dk mDk4mR （9） 即可算出R或。

实验内容及数据处理

一、单缝夫琅和费衍射

１. 调整光路

图4是实验装置图（图中没有聚焦透镜，是因为激光束的平行度较好,光束的发散角很小,故省去）。调整仪器同轴等高；激光垂直照射在单缝平面上，接收屏与单缝之间的距离大于1m。

2. 观察单缝衍射现象

改变单缝宽度，观察衍射条纹的变化，观察各级明条纹的光强变化。

3. 测量衍射条纹的相对光强

(1)本实验用硅光电池作为光电探测器件测量光的强度，把光信号变成电信号，再接入测量电路以测量光电信号。

图4衍射光强测试系统

(2)测量时，从一侧衍射条纹的第二个暗纹中心开始，记下此时鼓轮读数，同方向转动鼓轮，中途不要改变转动方向。每移动0.1mm，读取一次检流计读数，一直测到另一侧的第二个暗纹中心。

4. 单缝宽度a的测量

由于L>1m，因此衍射角很小，sinXK，有: L

 （10） 暗纹生成条件： asin2K2

asinK

则： aKLK （11） XK

式中L是单缝到硅光电池之间的距离，XK为不同级次暗条纹相对中央主极大之间的距离。a是单缝的宽度。要求求出单缝宽度a，并表示成标准形式。

数据记录及处理

1. 自己设计表格，记录数据，激光波长=635nm。

2. 将所测得的I值做归一化处理，即将所测的数据对中央主极大取相对比值I/IO（称为相对光强），在直角坐标纸上描出I/IO～X曲线。(X为测量点到中央极大值点的距离)

3. 由图中找出各次极大的位置与相对光强，分别与理论值进行比较。

4. 单缝宽度的测量，从所描出的分布曲线上，确定 K=±1，±2，±3时的暗纹位置XK，将XK值与L值代入公式（11）中，计算单缝宽度a，与实际值对比，分析误差原因。 二、牛顿环

牛顿环的观察与曲率半径的测量

光路调节的基本步骤如下:(实验装置如下图5所示)

1。在光具座上安上改进型读数显微镜，牛顿环安装在带读数的测量架上，放上光轨，钠光灯置正前方，调节同轴等高，轻轻旋转45º平面反射玻璃片,使钠光灯发出的黄色光，

光学与自然现象篇七：经典光学的形成

光学与自然现象篇八：奇妙的大气光学折射现象

奇妙的大气光学折射现象

江苏沛县张街中学 张振楼

两个月亮手牵手

有首歌曲叫《半个月亮爬上来》，有位摄影者爱好者却拍摄到“两个月亮手牵手”的有趣图景，如图1。用肉眼即可看到天空下正挂着一弯明亮的月牙，但通过望远镜看到的影像却是这弯月牙共露4只角，同侧角之间的夹角约30°左右。顺其轮廓勾画一下，果然可看出是两弯月牙的不完全重合！

“重月”现象和雨后彩虹等天文现象一样，都是大气折射造成的。只要大气云层中有足够的冰晶，冰晶的颗粒大小、密集程度等条件适宜，就会造成光线的折射，从而再“复制”出一个影像。

三个太阳同映辉

2003年1月20日，新疆塔城地区上空出现三日同辉天空的奇观，太阳两侧出现了两团明亮的光晕，宛如天空中有三个“太阳”。天上居然挂着3个太阳，不是回到“后羿时代”了吧？如图2。这是一种自然现象，在气象学上称为“假日现象”。由于塔城地区连日来持续降雪，空中形成了足够大的冰晶，当阳光折射时，就在太阳周围形成一些光环、光弧和光点，这些光学现象称为晕，其中的明亮光点称为假日，人们视觉上会以为天上出现了多个太阳。

七彩光环抱太阳

“看，七彩光环环抱太阳了”，如图3。青岛天空出现奇特天象──日晕。日晕如一道环抱太阳的彩虹，大约过了1个小时才渐渐消失。许多市民驻足观望，欣赏到了这一鲜见的气象奇观。

日晕是一种比较罕见的大气现象，是因为距离地面10千米以上的高空中出现了由冰晶构成的卷层云，阳光透过这些云层产生折射后，便分解成从内向外呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色，形成了“日晕”。

问题设置：上述三种现象属于光的_____现象，它们形成的共同原因是空中都有______，当光在空气和______这两种不同介质中传播时形成的。 探究平面镜成像时像与物的关系

山东省淄博市淄川区中小学社会实践活动基地 张勤昌

实验原理：平面镜所成的像是物体发出（或反射）的光线射到镜面上发生反射，由反射光线的反向延长线在镜后相交而形成的。平面镜成虚像，虚像只能用眼睛看，而不能成在光屏上。

方案一

实验器材：长方形玻璃板1块、蜡烛3只、铁夹2个、塑料瓶盖3个、A4复印纸1张、铅笔、刻度尺。

实验步骤：

1．在水平桌面上铺一张A4复印纸，使纸面平整，过纸的长边中点画一条垂直于长边的直线MN。

2．使玻璃板长边边缘沿复印纸上的直线MN放置，再用铁夹夹住玻璃板的短边支撑住玻璃板，并使玻璃板垂直于纸面稳定放置（如图1-1）。

3．把2只蜡烛截成大小相同的形状，一只命名为蜡烛A，另一只命名为蜡烛B。把蜡烛A、B分别固定在瓶盖的中心位置（如图1-2）。把蜡烛A放在玻璃板的前面，记下它的位置A1。点燃蜡烛A，在玻璃板后用光屏接收蜡烛A的像，光屏上是否有蜡烛A的像？（看不到“A”的像,说明平面镜成虚像。）

4．从燃蜡烛A的一侧向玻璃板中看，能否看到点燃蜡烛A的像？（可以看到蜡烛在玻璃板中的像）

5．把没有点燃的蜡烛B，竖立着在玻璃板后面的纸面上移动，直到从蜡烛A烛一侧看上去它跟蜡烛A的像完全重合（如图1-3）。记下蜡烛B的位置B1。（这说明像与物大小相等。此时镜后的物体位置就是镜前物体的虚像的位置。）

6．拿去蜡烛B，用与蜡烛A大小不一样的另一支蜡烛C放在玻璃板后面移动，蜡烛C

和蜡烛A的像会完全重合吗？（无法把物体与像补完全重合，再次证明物与像大小相等）

7．熄灭蜡烛A，调整蜡烛B的大小，使蜡烛A、B再次大小相同。改变蜡烛A在玻璃板前的位置，记下它的位置A2，重复步骤5，记下蜡烛B的位置B2。

8．重复步骤7，记下蜡烛A的位置A3，蜡烛B的位置B3。

9．熄灭蜡烛A，从纸面上把玻璃板、蜡烛A、B拿去。用直线依次连接A1的中心点、B1的中心点， A2的中心点、B2的中心点，A3的中心点、B3的中心点。观察连线A1B1，A2B2，A3B3与MN是否垂直，并用刻度尺依次测量A1、B1、A2、B2、A3、B3的中心点到MN的距离，把测量结果记录到表1中。（物与像的连线与平面镜垂直，物与像上的对应点到平面镜的距离相等）

表 1

友情提示：

该实验方法的缺点是蜡烛中心的位置不容易确定，测量物、像到平面镜的距离时误差较大。

方案二

实验器材：长方形玻璃板1块、橡皮3块（其中两块橡皮形状、大小相同，第三块与大小相同的两块橡皮形状相同、大小不相同）、铁夹2个、缝衣针（形状、大小相同）3个、A4复印纸1张、铅笔、刻度尺。

实验步骤：

1． 在桌面上铺一张A4复印纸，使纸面平整，过纸的长边中点画一条垂直于长边的直线MN。

2．使玻璃板长边边缘沿复印纸上的直线MN放置，再用铁夹夹住玻璃板的短边支撑住玻璃板，并玻璃板垂直于纸面稳定放置。

3．把2块形状、大小相同的橡皮，一块命名为橡皮A，另一块命名为橡皮B。把两个缝衣针垂直于橡皮面分别插在A、B两块橡皮比较大的面上的中心位置上，使针尖在橡皮的

另一面刚好露出。（如图2-1所示）

4．把带针的橡皮A放在玻璃板的前面，在玻璃板后用光屏接收带针的橡皮A的像，光屏上是否有橡皮A的像？

5．从带针的橡皮A的一侧向玻璃板中看，能否看到橡皮A的像？

6．把带针的橡皮B在玻璃板后面的纸面上移动，直到从橡皮A一侧看上去橡皮B与橡皮A的像完全重合。用力向下插一下橡皮A、B上的针，橡皮A上的针插在纸上的位置记为A1，橡皮B上的针插在纸上的位置记为B1（如图2-2所示）。

7．在第三块橡皮C的比较大的面上中心位置垂直于橡皮面插上一个针，拿去橡皮B，用带针的橡皮C放在玻璃板后面的纸面上移动，橡皮C和橡皮A的像会完全重合吗？

8．调整橡皮A、B上的针，使针尖刚好露出橡皮表面。改变橡皮A在玻璃板前的位置，重复步骤6，记下橡皮A上的针插在纸上的位置记为A2，橡皮B上的针插在纸上的位置记为B2。

9．重复步骤8，记下橡皮A上的针插在纸上的位置记为A3 ，橡皮B上的针插在纸上的位置记为B3。

10．从纸面上把玻璃板、橡皮A、B拿去。用直线依次连接点A1、B1，点A2、B2，点A3、B3。观察连线A1B1，A2B2，A3B3与MN是否垂直，并用刻度尺依次测量点A1、B1，点A2、B2，点A3、B3到MN的距离，把测量结果记录到表2中。

光学与自然现象篇九：固体光学

光学与自然现象篇十：光学1

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