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光與色的世界

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Academic year: 2021

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第四章

光帶來光明,光也是一種能量,有了光,植物才可進行光合作用而 生長,萬物才得以生存;有了光,我們才可以看的見物體。人類最早 只能利用太陽作為光源,現在則會利用各種光源,哪光具有哪些性 質? 當你面對鏡子時,可看到另一個你在鏡中,但面對牆壁時,則無此 現象,為什麼?有些人因為視力發生問題,必須配戴合適的眼鏡以矯 正視力,而這些鏡片大都是透鏡所製成的,而透鏡除此功能外,還 有哪些用途? 本章所要探討的內容除了光的性質外,還有 (1).光如何傳播 (2).光的反射及折射 (3).透鏡的原理與用途 (4).光與顏色之間的關係 (5).什麼是雷射及其應用

4-1 光的傳播

吾人能見到物體,必須有光由該物體射入我們的眼睛或者外界的光 線照到物體表面,再藉由物體表面反射到眼睛,因而才可看到物體。 光具有能量,可轉換成各式能量如熱能、電能、化學能等等。 1.光的傳播:於先前的章節中,曾提到聲音需要靠介質才可傳播, 而光則不需要靠介質即可傳播。 光的直線傳播:光在真空中或在均勻且透明的介質中,恆沿直線 進行,所以常稱之為光線。 作作看: (1).將一塑膠水管拉直,一端對準手電筒的光源處,眼睛於另一端 觀看,此時打開手電筒光源,則可清楚地看到亮光。 (2).承(1),但將塑膠水管彎曲,則無法看到亮光。 (3).由以上的實驗結果,可得知光是直線前進(傳播)的。 光直線傳播的範例與應用: (1).木匠檢查木棍是否平直時,以單眼從木棍的一端,沿棍身望向 另一端,若無法看到底,則可知木棍不是平的。 (2).步槍射擊時,閉左眼,以右眼沿槍身瞄準目標。 (3).檢查課桌椅是否排列整齊,常以單眼沿桌邊看過去,若無法看

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到底,則可知排得不夠整齊。 (4).夜晚時手電筒或探照燈往空中一照,亦可看出光的直線前進。 (5).影子的生成。 (6).日蝕、月蝕的形成。 (7).穿衣可以蔽體,張開口看不見腸胃,原因是光的直線傳播所致, 而我們的眼睛只能直視。 (8).民俗技藝中的皮影戲。 (9).古時的計時器日晷;立竿見影。 2.影子的形成:由於光是以直線前進的方式傳播,當傳播的過程 中若遇到不透明的障礙物時,則光不能繼續前進而形成陰影。 作作看: (1).將手放在手電筒(為一點光源但接近平行光)與牆壁之間,用手電 筒照射手,便可於牆壁上看到一個影子,這個影子的形狀與手的形 狀相同,並有稍稍放大。 (2).若將硬紙板中間挖成幾個不同的圖形,當手電筒照射紙板,透 過紙板在牆上所顯示的圖形與紙板幾乎完全相同。 (3).由以上的實驗結果,可得知光是直線前進(傳播)的。 影子的大小與障礙物的大小及障礙物到光源的距離有關: (1).若障礙物與光源的距離不變時 ,障礙物愈大則影子愈大。 (2).對同一障礙物而言,若愈靠近 光源,則影子愈大。 (3).光源、障礙物、光屏三者間的 大小、距離的關係如右圖。而關係 式如下: 影子長度(h2):障礙物長度(h1) = 光屏至光源距離(s2):障礙物至光源 距離(s1) 3.光速: 光速的測定: 有無介質,光均可傳播;一般而言,真空>空氣>液體>固體;於

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真空中光速約為3x108公尺 / 秒。 光年 = 光走一年的距離 = 1013公里 = 1016公尺 光速遠大於聲速的實例,如: (1).打雷時,先看到閃電再聽到雷聲。 (2).運度會時,裁判於起跑點鳴槍,終點裁判會先看到鳴槍時所產 生的煙,才會聽到聲音。 (3).放煙火時,先看到美麗的圖案,才會聽到爆炸聲。

4-2 光的反射與平面鏡

在沒有光線的房間裡,我們看不見房間裡的任何東西;但當我們把 電燈打開後,我們能看見電燈,乃是因為電燈發出的光線進入我們 的眼睛。然而房間裡的大部分物體並不會發出光線,為什麼我們仍然 可以看見它們?原來這些不發光的物體表面,於燈光的照耀下會反射 光線,所以,我們才可清楚的看到物體的形狀、大小及顏色。 1. 鏡子的分類:依其透光程度可分成兩種: 面鏡:不可讓光線透過者,只是單面而已,另一面已塗上不透光 物質(如,銀),常見的面鏡有平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等等。 透鏡:可讓光線透過者,常見的透鏡有凹透鏡、凸透鏡等等。 2. 光的反射現象:光波傳 送到兩種不同介質的交界面 時或照射到不透明物體的表 面時,有部分的光線會自交 界面射回原介質中的現象, 即稱之為光的反射。如右圖所示光在鏡面的反射現象。 3. 反射定律:當一束光線 IC 射至一平滑反射面後,沿 CR 方向 反射,如右圖,則: 入射光線 IC 稱之為入射線。 反射光線 CR 稱之為反射線。 經 C 點而垂直反射面的直線 NC,

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稱之為法線。 入射線與法線的夾角 i,稱之為入射角。 反射線與法線的夾角 r,稱之為反射角。 由實驗的結果可得到以下結論,即是反射定律: 入射角等於反射角。 入射線與反射線位於法線的異側;而入射線、反射線、法線位於同 一平面。 4.光反射的例子:白天日光雖不直接射入室內,而室內仍能感到 光亮,乃因為光對室外物質經由反射的結果。 平面鏡的成像。 黑板使用久了以後,表面光滑,會導致教室兩側前排的同學不易 看清楚黑板的字,此乃因為平滑的黑板反射光線所致。 萬花筒中的五彩繽紛。 參考書的封面使用較光滑的紙質,易於反射光線,看起來比較亮 麗。但內文則否。 1. 光的反射種類:以平面的平滑程度可分為兩種: 單向反射:若反射面平滑,而入射光為平行光束,則反射光仍為 平行光束,如下圖一。 漫射:若反射面凹凸不平,則入射光雖為平行光束,但反射光卻 四處亂射,如下圖二。

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2. 平面鏡的成像:所謂的平面鏡, 是指表面光滑,能產生單向反射的物 體。例如,靜止的水面或塗有水銀膜 的平板玻璃。 原理:利用光的反射原理,其成像 原理及光線路徑圖如右圖。 成像性質: (1).平面鏡所成的向為正立虛像。 (2).像距等於物距。 (3).像長等於物長。 (4).平面鏡所成的像,大小與原物相同,但左右與原物相反,而且 上下不顛倒。 (5).若將物體向平面鏡移動時,則鏡中的像也往平面鏡移動;但像 的大小都與原物一樣。 (6).若將物體遠離平面鏡時,則鏡中的像亦遠離平面鏡;但像的大 小仍與原物一樣。 (7).欲觀察平面鏡內的物體的像時 ,眼睛必須在像與鏡面端點所形成 的區域之內才可看到。如右圖中電 燈泡在平面鏡的虛像,並非所有位 置均可看到。其中只有乙可看到, 而甲、丙無法看到。 3. 想想看: 在暗室中,你站在平面鏡前且面向平面鏡,如果想看到自己的臉 孔,你應該將光源照射平面鏡或是自己的臉? 平靜的湖面可倒映出湖面的景色,若下起毛毛細雨,則湖邊景色 就不能在湖面形成清楚的像,你覺得為什麼?

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4. 其他的面鏡:日常生活中,除了平面鏡外,尚有其他形式的 面 鏡,如凹面鏡、凸面鏡。 凹面鏡:將面鏡凹下的一面作為反射面,其成像因物體的位置 不同而產生放大或縮小的像。若將光源置於特殊位置(焦點),則 光線經反射後可平行射出,例如,手電筒的燈筒(如左下圖所示)、汽 車的車前燈(如右下圖所示)、燈塔的探照燈、太陽爐、耳鼻喉科醫生戴 在頭上的額鏡,能使光線稍稍集中,而加強光線強度。 凸面鏡:將面鏡凸出的一面作為反射面,可產生縮小的正立虛像, 且可擴大其視野。如,架設在迴旋的山路邊的凸面鏡、商店的監視鏡、 汽車的後視鏡(有時是平面鏡) 。 於某些場所中有一種由凹、凸面鏡所組合而成的哈哈鏡,當你站在 哈哈鏡前能讓你的身材產生戲劇性的變化。除此之外,喝湯用的不鏽 鋼湯匙,可用凹、凸兩面作變臉遊戲。 <補充>:何謂實虛、像? 實像:來自物體之實際光線所匯集而成之像;可於紙屏上觀察到所 成的像。 虛像:來自物體之實際光線無法匯集成像,但光線之延伸可匯聚一 點而成之像;無法於紙屏上觀察到所成的像。

4-3 光的折射與透鏡

先前的章節曾提到光的反射各種現象,那是不是所有的光都只會有 反射的現象,而沒有其他的現象發生。於日常生活中,將一枝筷子插

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入水中,這枝筷子看起來好像折斷了,這種情形乃是因為光線由一 介質(空氣)進入另一介質(水)時,光的行進方向發生改變;但當光線 的行進方像與介質垂直的時候,光的行進方向並沒有改變,而這種 現象稱之為光的折射。 1. 光的折射:光在介質中的傳播速率會隨介質而異,當光通過 不 同介質時,由於波速的改變,而導致進行方向的改變,但光的頻率 則維持不變。 光的折射現象: 當光由空氣(疏介質)進入水中(密介質)時,因為傳播速率變慢,而 使得光的行進方向偏向法線。如下圖一。 當光由水中(密介質)進入空氣中(疏介質)時,因為傳播速率變快, 而使得光的行進方向偏離法線。如下圖二。 當光線的行進方像與介質面(水、空氣)垂直的時候,光的行進方向 並沒有改變。如下圖三。 光的折射定律:右圖為各光線及 角度的名稱,特別注意入射角反射 角折射角均為與法線的夾角。 (1).入射線、折射線、法線位於同 一平面;而入射線、折射線則位於法 線的兩側。

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(2).光由速度快的介質(空氣)進入速度慢的介質(水)時,經折射後, 光的行進方向靠近法線且折射角小於入射角。如上圖一。 (3).光由速度慢的介質(水)進入速度快的介質(空氣)時,經折射後, 光的行進方向離開法線且折射角大於入射角。如上圖二。 光折射的範例: (1).由空中看水中,物體會變近。如下圖一、圖二(看裝水碗中的硬 幣)、圖三(折斷的筷子)。 (2).由水中看空中,物體會變遠。如下圖四(水中的魚看岸上的樹)。 (3).沙漠中的幻景,如圖五。 (4).太陽、星星的真正位置。如圖六、七。 (5).厚玻璃變薄了。 (6).夏天看遠處柏油路面時,好像有一灘水。 (7).夜晚的星光閃爍。 (8).凹、凸透鏡的成像。 <想想看>:為什麼在游泳池邊向池底望去,感覺池水並不深,等到 下水後,才知道不是那一回事,為什麼? 2. 透鏡:透鏡是中間與邊緣厚度不同的透明鏡片。常見的有近 視、 遠視、老花眼鏡片,放大鏡、望遠鏡、照相機的鏡頭等等。

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透鏡種類: (1).凹透鏡:中間部分比邊緣薄的透鏡,分成雙凹、平凹、凸凹三種。 如下圖。 (2).凸透鏡:中間部分比邊緣厚的透鏡,分成雙凸、平凸、凹凸三種。 如下圖。 <Note>:平行光線經透鏡折射後, (1).凸透鏡可使得入射的平行光線,會聚於一點,故又稱之為會 聚透鏡,具有聚光效果。 (2).凹透鏡則使得入射的平行光線發散,故又稱之為發散透鏡, 會將光線發散。 <補充>:折射定律 光在介質中的傳播速率會隨介質 而異,當光通過不同介質時,由於 波速的改變,而導致進行方向的改 變,但光的頻率則維持不變,稱之 為光的折射。 當光從光速快的介質進入光速慢 圖一 的介質時,如光從空氣射入水中, 折射線會偏向法線,折射角小於入射角。 如圖一。 當光從光速慢的介質進入光速快 的介質時,如光從水中射入空氣, 折射線會偏離法線,折射角大於入射角。 如圖二。 圖二 透鏡各部名稱:凸凹透鏡,如下圖所示。 (1)主軸:通過鏡面中心,而且垂直於鏡面的直線,稱為該透鏡的主 軸。 (2).鏡心:透鏡中心,又稱為光心。 (3).焦點:平行主軸的光線經透鏡折射後所會聚的點,且此點位於 主軸上,稱之為焦點。依透鏡種類可分成

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實焦點:平行主軸的光線經凸透鏡折射後所會聚的點,即是。 虛焦點:平行主軸的光線經凹透鏡折射後,光線會發散,但若將發 散之光線沿反方向延伸,仍可會聚於一點,此點則稱之為虛焦點。 (4).焦距:從焦點至透鏡中心的直線距離,稱之為焦距。 (5).物距:物體至透鏡中心的直線距離,稱之為物距。 (6).像距:經折射後所成的像至透鏡中心的直線距離,稱之為像距。 光線入射凸、凹透鏡後的折射(成像): (1).凸透鏡:光線經凸透鏡折射後將偏向主軸,但通過鏡心的光線 則仍維持直線前進。 (2).凹透鏡:光線經凹透鏡折射後將偏離主軸,但通過鏡心的光線 則仍維持直線前進。 (3).透鏡的成像作圖原則:物體上所發出的無數光線中,只需利用 下列三條特殊折射光線,即可得到其成像位置。如下圖。 凸透鏡: 與主軸平行的入射光線,經折射後的光線必通過另一邊的焦點。(1) 通過焦點的入射光線,經折射後的光線必與主軸平行。(2) 通過鏡心的光線,不發生折射而直線前進。(3)

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凹透鏡: 與主軸平行的入射光線,折射後的光線其反向延長線會通過鏡前 焦點。(1) 延長線通過另一邊焦點的入射光線,經折射後的光線必與主軸平 行。(2) 通過鏡心的光線,不發生折射而直線前進。(3) 結果:如下表(參考)。 種 類 物 的 位 置 像 的 位 置 像 的 特 性 凸透鏡 無窮遠處 另一側焦點上 實像,一點 兩倍焦距外 另一側焦點與兩倍焦距間 倒立實像,縮小 兩倍焦距上 另一側兩倍焦距上 倒立實像,相等 焦點與兩倍焦距間 另一側兩倍焦距外 倒立實像,放大 焦點上 無法成像 焦距上 與物體同側 正立虛像,縮小 凹透鏡 無窮遠處 與物體同側在虛焦點上 虛像,一點 鏡前任意位置 與物體同側在虛距內 正立虛像,縮小 (4).透鏡的成像性質: 物體從無窮遠處逐漸靠近凸透鏡的焦點時,在另一側所生成的 實像也逐漸遠離凸透鏡且逐漸變大。 物體從焦點向內逐漸靠近凸透鏡時,則在與物同側所生成的虛 像也逐漸靠近凸透鏡且逐漸變小;但恆比原物大。 物體從無窮遠處逐漸靠近凹透鏡時,所生成的虛像會從與物同 側虛焦點開始靠近凹透鏡,且逐漸變大;但恆比原物小。 應用:由於光的折射,物體發出的光可經透鏡折射而形成各種像,

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故於日常生活中常被廣泛的應用。如,投影機、電影放映機、顯微鏡、 望遠鏡、照相機、放大鏡、遠視眼鏡、老花眼鏡等等均是利用凸透鏡; 而近視眼鏡則是利用凹透鏡所製造。 3.想想看: 放大鏡的放大原理? 如何找到凸透鏡的焦距? 眼鏡是我們最常見的透鏡製品。找一付眼鏡,你如何辨別它是由凸 透鏡或是凹透鏡所製造的?

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4-4 光與顏色的關係

我們的自然環境中,五光十色,美麗動人,有紅花綠葉、藍天白雲, 然而,這些豔麗的顏色,卻只有在陽光下或白熾光下,才能清楚顯 現其各種顏色。而牛頓是第一個剖析光的奧秘之科學家,告訴我們大 自然中美麗色彩的原因。 1. 太陽光的色散現象:西元 1666 年牛頓首先利用三稜鏡,使 通 過的白光(太陽光)被分開成各種不同顏色的色光(紅、橙、黃、綠、藍、 靛、紫)。此即所謂白色光的色散現象,也說明了白色光是由各種彩色 光所組成。 白色光被色散在屏上所顯示出的彩色光線稱為光譜,它含有彩虹的 七種顏色(紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫),且顏色與顏色間沒有明顯界限。 2. 決定顏色的因素:當你漫步校園時,你看到了藍天、綠草及 各 種不同顏色的花朵;在百貨公司裡,模特兒展示了各種繽紛豔麗的 衣服;我們生活在彩色世界裡,這些顏色怎麼來的呢?而物體顏色的 決定因素是: 被照射物體的特性: 當白色光或者太陽光照射到某一物體時,此物體即依本身的特質反 射某一種或某幾種色光,而吸收了其餘的色光。此時,我們所看到該 物體的顏色即由物體反射光的顏色來決定,如下圖。 <範例>: (1).太陽光下,紅色的花之所以看起來是紅色,乃是因為僅有紅色 的光被反射,而其他顏色的光都被花吸收了;而綠草則是反射了綠 光,而吸收了其他顏色的光。 (2).白色的物體幾乎不會吸收任何色光,所以白光照射白紙時,白 光中的所有色光幾乎都發生反射,並進入我們的眼睛,故我們看到 的是白色的紙;黑色的物體幾乎吸收所有色光,當白光照射黑色物 體時,白光中的所有色光都被吸收,幾乎沒有光線反射進入人類的 眼睛,故我們所看到的物體是黑色的。如,遊樂區中的鬼屋,即利用

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黑色牆壁,使得內部更暗,更增加恐怖氣氛。 (3).透明體之顏色乃是因為透明體選擇吸收後所剩餘透射之色光來 決定。如,白光照射紅色玻璃或紅色透明紙時,吸收其他光線,而僅 讓紅光穿透,故呈紅色。 照射光源的性質:不同顏色的光源照射下,即使相同的物體也會 呈現不同顏色。 (1).白色的物體,在色光的照射下,就呈現該色光的顏色。如,白色 的汽車,在交流道附近的黃色路燈照射下,則汽車變成黃色;因為 白色物體雖能反射所有色光,但僅有黃色照射,故只能反射黃光而 呈現黃色。 <想想看>:夏天的夜晚,在街道上賣西瓜的水果攤,為何要用淡紅 色的光源照射自己剖開的西瓜? 3. 光的三原色:白光在三稜鏡下可分解成不同的顏色,反之若 能 將這些不同色光重合,也能合成白色光。各種色光重合,亦可使用凸 透鏡使色光聚合。 事實上,只要七種色光中的三種色光:紅、綠、藍,就能合成白光, 我們就稱紅、綠、藍為光的三原色;因此將紅光、綠光、藍光三種光線 投射在白色屏幕上,就可看到三種光線混合而成的白光。 若任取不同色光混合後,再照在白紙上,則可在白紙上呈現不同 顏色。如: (1).紅光 + 藍光  紫光 (2).綠光 + 藍光  藍綠光 (3).紅光 + 綠光  黃光 (4).紫光 + 綠光  白光 (5).黃光 + 藍光  白光 (6).紅光 + 藍綠光  白光 而彩色電視機螢光幕上所顯示的各種顏色,即是調整螢光幕上許多 光的三原色發光體之間亮度的比例,來呈現出各種美麗的畫面。 <課外新知>:將一畫有七種顏色的圓盤高速轉動,就能看到混合成 的白色,這種圓盤稱之為牛頓盤。

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4. 科學小傳:何謂紫外線、可見光、紅外線? 我們周圍有著各種頻率的光,將其依頻率的高低排列,所得稱之為 光譜。一般而言,雖然可見光(紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫)的範圍極小, 然而與日常生活之關係確是極為密切。而最接近可見光範圍之外的紅 外線與紫外線,亦逐漸受到重視。 紅外線: 紅外線波長比紅色光更長,具有產生熱的作用,因此紅外線電爐 可用來取暖、保溫、醫療、保持器具乾燥等等之用。另外肉眼無法看到 紅外線,因此可利用此特性製成感應器,如,自動警報器、電動門、 自動沖水設備等等。而因為紅外線的波長比較長,不易被雲層或空氣 中的塵埃引起散射,所以可被運用於攝取遠方景物、夜間照相、觀察 夜間動物生態、軍事上之夜視鏡等等。目前,世界上有一種稱之為紅 外線追蹤飛彈的武器,能測出從噴射機或坦克的引擎所發出的紅外 線,因此專門用來追蹤並擊中目標,是一種導向飛彈。 紫外線: 光譜中位於紫光之外的不可見光,波長比較短,稱之為紫外線。一 般而言,醫院中常用來殺菌消毒用。日常生活中,紫外線大部分來自 於太陽光,人體可經適度陽光的照射,使皮膚細胞產生維生素 D, 助於骨骼及牙齒的健康,但如果過度曝露於紫外線下,不僅容易造 成曬傷,甚至引起皮膚病變而致癌。一般而言,紫外線強度分成 15 級,到達7 級即表示過量,10 級以上表示危險。 地球大氣上方有一層臭氧層,由於氧分子能吸收一些能量轉變成 臭氧,同時臭氧也會放出能量而轉換成氧分子,因此太陽光中的紫 外線有些許會被吸收,而使得照射到地球表面的紫外線減少很多, 使得大地的萬物可生生不息,但近幾年的各項破壞(氟化物的排放), 使得大氣中的臭氧層破洞愈來愈大,進入地球的紫外線愈來愈強, 因此臭氧層的破壞不得不注意。 <想想看>:為何天空中的太陽於正午時是白色,傍晚時是黃色,而 於日落前是紅色?

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4-5 雷射

1. 產生:雷射是由輻射線的激發放射,以完成光能的放大作用。 西元1960 年,科學家首先利用紅寶石製造出雷射光。紅寶石的主要 成分是氧化鋁,並含有極少量的鉻,鉻原子可以吸收很多頻率不同 的光,並傳遞給鄰近的氧化鋁,再以紅光的形式放出,而於導管內 部鍍銀,使紅光於內部來回反射,使得其能量一直增加後,在從較 薄的銀膜竄出,而成雷射光。 2. 特性: 雷射光的光色單一性很好;所以,當雷射光通過三稜鏡時,不會 發生色散現象。 雷射光束細而直。夜晚時,以強力探照燈向太空照射,探照燈的強 光傳播一段距離後,就散開成錐狀。若改以雷射光射向太空中,即使 傳播很遠的距離,仍是一束雷射光,不會散開成錐狀。 雷射光具有能量集中的特性,因此某些雷射光束便具有很大的能 量,可用來切割物體。但由於能量高,所以使用時,眼睛絕不能注視 雷射光源。 3. 應用:雷射發明距今將近 40 年,其已廣泛的應用到我們的 日 常生活中,從家庭用的雷射唱盤到工業上的切割、鑽孔等,從劇院的

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操作控制甚至戰場上的武器控制等,軍用得到雷射。以下介紹幾種和 日常生活中相關的雷射應用。 醫學上的應用:雷射手術可以用來除斑、開刀、止血、針灸、除去刺 青,並可用於眼科中治療視網膜剝離、眼底出血及近視等等。於內視 鏡中加裝雷射手術刀,醫生不用對病人開膛破肚,可直接利用雷射 光束開刀,切除不要的部分,而不傷及周圍細胞。 生活上的應用: (1).雷射光可用於電視、視聽音響系統等。取代傳統的唱針,以雷射 光照射CD、LD 等唱片、碟影片,使資料、訊號再生。 (2).雷射用在零售業界,作為讀取條碼標籤的工具。 (3).桌上型印表機、排版機、掃瞄機等等亦有應用到雷射。 工業上的應用: (1).高功率的二氧化碳雷射,將能量集中於一點,在重工業上可用 來切割、鑽孔及焊接鋼板。 (2).雷射光另可應用於半導體工業的零件與電路板的顯微加工。 (3).雷射測距儀可用來測量長距離的隧道、建高樓時保證上下筆直、 軍事上用以測量目標物等等。

參考文獻

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