光现象

雨过天晴，一条彩虹挂在天空，它的美丽和神奇曾引起了人们无限的遐想。是谁在天空架起了这样色彩缤纷的桥梁 ? 在中国神话中，女娲炼五色石补天，彩虹即五色石发出的彩光；在希腊神话中，彩虹是沟通天上与人间的使者。

当通过实验在阳光中找到

这些色彩时，我们才逐渐揭开

了彩虹的神秘面纱。

要研究光现象，首先要看看哪些物体能够发光，是谁给我们带来了光明。

在晴朗的日子里，白天，灿烂的阳光普照大地；夜晚，闪烁的星光点缀着漆黑的夜空。太阳以及我们看到的绝大多数星星都是恒星，宇宙中的恒星都能够发光。许多动物也可以发光。夏天的夜晚，常有淡淡的绿光在草丛中闪烁，

这是萤火虫在发光。在大海深处，水母、灯笼鱼、斧头鱼等发出的光，使幽深的海洋世界显得更加神秘。

所有这些能够发光的物体都叫做光源（light source）。现代社会中有很多人造光源（如右上图中的 LED 灯）。你周围有哪些人造光源？

光的直线传播

在有雾的天气，可以看到透过树丛的光束是直的（图 4.1-1）；从汽车前灯射出的光束是直的；电影放映机射向银幕的光束也是直的。这些现象说明，光在空气中是沿直线传播的。光在空气中沿直

第1节光的直线传播

图4.1-1 光在空气中沿直线传播

线传播，那么在液体中是不是也沿直线传播呢？

实验表明，光在水、玻璃中也是沿直线传播的。空气、水和玻璃等透明物质可以作为光传播的介质。光在同种均匀介质中沿直线传播。

为了表示光的传播情况，我们通常用一条带有箭头的直线表示光传播的径迹和方向（图4.1-3）。这样的直线叫做光线（light ray）。

由于光沿直线传播，在开凿隧道时，工人们可以用激光束引导掘进机，使掘进机沿直线前进，保证隧道方向不出偏差（图 4.1-4）。

光在水中的传播

如图 4.1-2 所示，在盛水的玻璃水槽内滴几滴牛奶，用激光笔将一束光射到水中，观察光在水中的传播径迹。

图4.1-4 激光引导掘进方向

如图 4.1-5 所示，在一个空罐的底部中央打一个小孔，再用一片半透明的塑料膜蒙在空罐的口上。将小孔对着烛焰 , 我们可以看到烛焰在薄膜上呈现的像。

图4.1-5 小孔成像图4.1-6 小孔成像的原理

想想做做 演示

图4.1-3 光线图4.1-2 光在水中的传播

激光器激光束

山洞掘进机

科学世界

光的传播速度

打雷和闪电在远处同时同地发生，但是我们总是先看到闪电，后听见雷声。这表明，光比声音传播得快。

与声音不同，光不仅可以在空气、水等物质中传播，

而且可以在真空中传播。真空中的光速是宇宙间最快 的速度，在物理学中用字母 c 表示。光在真空中 1 s 能 传播 299 792 000 m，也就是说，真空中的光速为

c = 2.997 92

×10⁸

m/s

在通常情况下，真空中的光速可以近似取为

c = 3×10

⁸

m/s = 3

×10⁵

km/s

光在空气中的速度非常接近于 c。光在水中的速度 约为 c，在玻璃中的速度约为 c。

仔细观察小孔成像的特点。从烛焰的不同位置发出的光穿过小孔后是怎样传播的？试着在图 4.1-6 中画一画，也许能帮助你解释为什么能成这样的像。

我们看到了古老的光

同学们听过“牛郎织女”的神话故事吧。王母娘娘拆散了牛郎和织女的幸福家庭，他们化作天上的两颗星，只能在每年农历七月初七渡过银河相会一次。这个故事表达了我们祖先反抗封建礼教，追求幸福生活的美好愿望。

但是，神话终归是神话。你知道天上的牛郎星和织女星相距有多远吗？这两颗星都是银河系中的恒星，它们之间的距离如果用千米表示，那可真是个“天文数字”，

大得不得了。即便牛郎和织女以宇宙中最快的速度——光速飞行，从牛郎星飞到织女星也要16年！要想每年相会一次，那是不可能的。

宇宙中恒星间的距离都非常大。为了表达起来方便一些，天文学家使用一个非常大的距离单位——光年，它等于光在1年内传播的距离。这样说来，牛郎星和织女星的距离就是16光年。

3 4

2 3

图4.1-7 如果一个人以光速绕地球飞行，他在1 s的时间内能绕地球转7.5圈。

离太阳系最近的恒星是半人马座的“比邻星”（只能在南半球看到），它距离我们4.3光年。也就是说，我们现在观测到的比邻星的光，是4.3年前发出的，经过了 4年多才到达我们的眼睛。想一想，那时候你正在上几年级？很有趣吧！

银河系是超过1 000亿颗恒星组成的星系。在银河系之外，离我们最近的星系是大、小麦哲伦云（很遗憾，也只能在南半球看到），它们距离我们16万～19万光年。想一想，我们今天看到的麦哲伦云的光，是它们什么时候发出的？那时候人类在进化过程中正处于哪个阶段？

秋天的夜晚可以在东北方向的天空找到一个亮斑，看起来像个纺锤，那就是仙女座大星云（图4.1-8）。它是北半球唯一可用肉眼看到的银河外星系，与我们的距离是225 万光年。

光——宇宙的使者，它不仅告诉我们宇宙的现在，而且还在告诉我们遥远的过去。

请回答以下问题：

1. “光年”是什么物理量的单位？

2. 牛郎星和织女星的距离是多少千米？

3. 为什么在形容一个数字很大、很大的时候，常说这是个“天文数字”？

1. “井底之蛙”这个成语大家都很熟悉。请根据光的直线传播知识画图说明为什么“坐井观天，所见甚小”。

2. 做一做手影游戏（图 4.1-9），

用光的直线传播知识解释影子是怎样形成的。

3. 举出一些例子，说明光的直线传播在生活中的应用。

4. 太阳发出的光，要经过大约 8 min 到达地球。请你估算太阳到地球的距离。如果一辆赛车以 500 km/h 的速度不停地跑，它要经过多长时间才能跑完这段路程？

图4.1-9 手影

图 4.1-8 仙女座大星云

动手动脑学物理

第2节光的反射

光遇到桌面、水面以及其他许多物体的表面都会发生反射（reflection）。我们能够看见不发光的物体，是因为物体反射的光进入了我们的眼睛

（图 4.2-1）。

光的反射定律

^图4.2-1

图4.2-2 研究光反射时的规律图4.2-3 还能看到反射光线吗？

探究光反射时的规律

光反射时遵循什么规律？也就是说，反射光沿什么方向射出？

把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张纸板 ENF 竖直地立在平面镜上，

纸板上的直线 ON 垂直于镜面，如图 4.2-2 所示。

1.

使一束光贴着纸板沿某一个角度射到 O 点，经平面镜反射，沿另一个 方向射出。在纸板上用笔描出入射光 EO 和反射光 OF 的径迹。改变光束入射 的角度，多做几次，换用不同颜色的笔记录每次光的径迹。

取下纸板，用量角器测量 ON 两侧的∠ i 和∠ r，将数据记录在下表中。

实验

2.

纸板 ENF 是用两块纸板连接起来的。把纸板 NOF 向前折或向后折

（图 4.2-3），在纸板上还能看到反射光线吗？

关于光的反射，你发现了什么规律？

物理学中把经过入射点 O 并垂直于反射面的直线 ON 叫做法线，入射光线 与法线的夹角 i 叫做入射角，反射光线与法线的夹角 r 叫做反射角（图 4.2-4）。

根据上面的探究活动，可以归纳出如下的规律：

在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在同一平面内；反射光线、入射光线分别位于法线两侧；反射角等于入射角。

这就是光的反射定律（reflection

law

）。

光路的可逆性

在上面的实验中，如果让光逆着反射光的方向射到镜面，那么，它被反射后就会逆着原来的入射光的方向射出（图 4.2-5）。这表明，在反射现象中，光路可逆。

生活中有很多现象可以说明光路的可逆性。例如，如果你在一块平面

镜中看到了一位同学的眼睛，那么，这位同学也一定会通过这面镜子看到你的眼睛。

次数 ∠ⁱ ∠^r

1 2 3

…

图4.2-4 光的反射 Й࠰Џጲ

Й࠰ᝇ ԥ࠰ᝇ

ԥ࠰Џጲ i r

ԥ࠰᭦

图4.2-5

镜面反射和漫反射

阳光射到镜子上，迎着反射光的方向可以看到刺眼的光，而在其他方向却看不到反射的阳光。如果阳光射到白纸上，则无论在哪个方向看，都能看到纸被照亮了，但不会感到刺眼。这是为什么？

原来，镜面很光滑，一束平行光照射到镜面上后，会被平行地反射

（图 4.2-6 甲）。这种反射叫做镜面反射（mirror reflection）。而看上去很平的白纸，如果在显微镜下观察，可以看出实际是凹凸不平的。凹凸不平的表面会把平行的入射光线向着四面八方反射（图 4.2-6 乙）。这种反射叫做漫反射

（diffuse reflection）。正是由于桌椅、书本等物体会对照射到其上的光线产生漫反射，我们才可以从不同方向看到它们。

甲镜面反射乙漫反射图4.2-6

现在，城市里越来越多的高楼大厦采用玻璃幕墙、磨光的大理石作为装饰。当强烈的太阳光照射到这些光滑的表面时，就会发生镜面反射，眩目的光干扰人们的正常生活，造成“光污染”。

有时，黑板反射的光会“晃”着一些同学的眼睛。请画出这种现象的光路。为了保护同学们的眼睛，请你根据所学的知识提出改变这种状况的建议。

想想议议

1. 光与镜面成 30°角射在平面镜上 , 反射角是多大？试画出反射光线，标出入射角和反射角。如果光垂直射到平面镜上，反射光如何射出？画图表示出来。

2. 自行车尾灯的结构如图 4.2-7 所示。夜晚，用手电筒照射尾灯，看看它的反光效果。试着在图 4.2-7 左图上画出反射光线。

3. 如图 4.2-8 所示，小明想要利用一块平面镜使此时的太阳光竖直射入井中。请你通过作图标出平面镜的位置，并标出反射角的度数。

4. 雨后晴朗的夜晚，为了不踩到地上的积水，人们根据生活经验判断：迎着月光走，地上发亮的是水；背着月光走，地上发暗的是水。请你依据所学光的反射知识进行解释。

5. 激光测距技术广泛应用在人造地球卫星测控、大地测量等方面。激光测距仪向目标发射激光脉冲束，接收反射回来的激光束，测出激光往返所用的时间，就可以算出所测天体与地球之间的距离。现在利用激光测距仪测量月、地之间的距离，精度可以达到 ±10 cm。已知一束激光从激光测距仪发出并射向月球，大约经过 2.53 s 反射回来，则地球到月球的距离大约是多少千米？

图4.2-7

30º

图4.2-8