各種光學(xué)現(xiàn)象

1、天空為什么是藍(lán)的:因?yàn)楫?dāng)太陽(yáng)光進(jìn)入大氣后，空氣分子和微粒塵埃、水滴、冰晶等會(huì)將太 陽(yáng)光向四周散射。因?yàn)楫?dāng)微粒的直徑小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)時(shí)散射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的四次方 成反比，所以波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅黃等光透射性大，大局部能夠直接透過(guò)大氣射向地面， 而波長(zhǎng)較短的藍(lán)紫光，很容易被大氣散射，但空氣分子對(duì)紫光的吸收作用較強(qiáng)， 所以晴天時(shí)天空是藍(lán)色的。吹肥皂泡時(shí)的光學(xué)現(xiàn)象：剛開(kāi)始時(shí)，肥皂泡各處厚度較厚，發(fā)生等厚干預(yù)時(shí)各級(jí)彩色條紋重合在一起， 故顯為白色，在重力的作用下，使肥皂泡上面薄下面厚，發(fā)生等厚干預(yù)時(shí)各級(jí)彩 色條紋分開(kāi)，故顯為彩色，當(dāng)肥皂泡越來(lái)越薄，其厚度接近可見(jiàn)光波長(zhǎng)時(shí)，所有 光干預(yù)相消，從而為無(wú)色透明。油膜的彩色原

2、理：光在油膜上發(fā)生等傾干預(yù)。暈：天空中有一層高云，陽(yáng)光或月光透過(guò)云中的冰晶卷狀云、冰霧等時(shí)發(fā)生折 射和反射，便會(huì)在太陽(yáng)或月亮周?chē)a(chǎn)生彩色光環(huán)，光環(huán)彩色的排序是內(nèi)紅外紫。 稱(chēng)這七色彩環(huán)為日暈或月暈，統(tǒng)稱(chēng)為暈。為什么日出日落太陽(yáng)是扁的：由于地球引力的作用，大氣層中的空氣密度是不均勻的，越接近地面密度越 大。早晨和黃昏，太陽(yáng)光是斜著通過(guò)密度不均的大氣層的， 就會(huì)產(chǎn)生明顯的折射 現(xiàn)象。這種折射越近地面越強(qiáng)，因而，從太陽(yáng)這個(gè)巨大火球下部邊緣射來(lái)的光線， 比它上部邊緣射來(lái)的光線折射得厲害，下緣也就比上緣抬高的更顯著一些。為什么天上的星星一閃一閃的：由于恒星距地球遠(yuǎn)，在地球上只能看見(jiàn)一個(gè)小點(diǎn)，當(dāng)光線穿過(guò)大氣

3、層時(shí)，光 線經(jīng)大氣要屢次折射，大氣是流動(dòng)的，這樣星星發(fā)射的光在傳到觀察者眼睛的過(guò) 程中就會(huì)忽前忽后、忽左忽右、忽明忽暗，總在不時(shí)的變化，所以后一閃一閃的。 月全食時(shí)月亮緣何“臉紅？“紅月亮歸功于暗紅色的光，其實(shí)就是照射到月面上的太陽(yáng)光。在地球周 圍有層像薄紗似的透明度較好的大氣層，陽(yáng)光從地球側(cè)面的大氣中穿行時(shí)，是 先從空間進(jìn)入大氣層，然后，又由大氣層進(jìn)入空間，這樣就產(chǎn)生了兩次折射， 結(jié)果和光線透過(guò)凸透鏡相仿，有點(diǎn)向內(nèi)彎，向地心方向偏折的聚合光線就照到 月亮上去了。太陽(yáng)光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫各種顏色的光線混合成 的。當(dāng)太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)地球上的大氣層被折射到地球背后影子里去的時(shí)候，它們都 受到

4、大氣層中極其微小的大氣分子的散射和吸收。像黃、綠、藍(lán)、靛、紫等色 的光波比較短，在大氣中受到的散射影響比較大，它們大局部都向四面八方散 射掉了；紅色的光線波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，受到散射的影響不大，可以通過(guò)大氣層穿透 出去，折射到躲在地球影子后面的月亮上。所以，在月全食時(shí)，公眾看到的月亮 是暗紅色的，即所謂的“紅月亮。插入水中的筷子在水面處“彎折光從空氣進(jìn)到水里，因?yàn)樗拿芏缺瓤諝獯蟮枚啵谑?，在水和空氣相交?發(fā)生折射，不再沿著原來(lái)的方向轉(zhuǎn)播。把筷子伸進(jìn)水里時(shí)，我們眼睛看到的是水 下那局部已經(jīng)發(fā)生折射的光線。這股光線當(dāng)然不會(huì)與水面上的光線成一條直線， 所以筷子沒(méi)有斷，但是看起來(lái)卻像斷了一樣。海市蜃樓海市

5、蜃樓是自然發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象，它將光線偏折而在遙遠(yuǎn)的距離或天空中生 成虛像。在大氣科學(xué)中稱(chēng)為 蜃景。相對(duì)于幻覺(jué)，海市蜃樓是一種真實(shí)的光學(xué)現(xiàn)象， 由于觀測(cè)到的位置是由實(shí)際光線折射形成的虛像，它可以用照相機(jī)來(lái)捕捉影像。 然而，會(huì)出現(xiàn)什么樣的影像全由人類(lèi)心靈解釋的能力來(lái)確定。例如，在地面的上蜃景非常容易被誤認(rèn)為來(lái)自一小片水洼的反射。蜃景可以分類(lèi)為"下蜃景"意思是低、"上蜃景"意思是高和"復(fù)雜蜃景"，一種包含一系列異常復(fù)雜，垂 直堆棧影像，形成快速變化蜃景的上蜃景。成因：冷空氣的密度比暖空氣大，因此有較大的折射率。當(dāng)光線由冷空氣進(jìn)入有著 明確邊界

6、的暖空氣，光線會(huì)彎曲偏離溫度梯度的方向；當(dāng)光線由暖空氣進(jìn)入冷空 氣，它們會(huì)偏向接近梯度的方向。如果接近地面的空氣比更上面的溫暖， 光線會(huì) 彎曲成朝上呈現(xiàn)凹線的軌跡。一旦光線抵達(dá)觀測(cè)者的眼睛，視覺(jué)皮層將解釋成它是沿著 "視線"筆直的前 進(jìn)，然而這條線只是它抵達(dá)人眼處弧線的切線方向。結(jié)果是天空上的下蜃景似乎 是在地面上。觀測(cè)者可能會(huì)錯(cuò)誤的解釋這些景象是水反射至空中的， 對(duì)大腦而言， 這是較為合理和常發(fā)生的。在地面的空氣比上層微冷的狀況，光線會(huì)被偏折朝下，產(chǎn)生 "上蜃景"。"寧?kù)o"狀態(tài)的地球大氣層垂直梯度大約是高度每升高 100米，溫度變化

7、-C 數(shù)值是負(fù)的是因?yàn)闇囟入S高度增加而降低。發(fā)生蜃景的溫度梯度必須比這個(gè)大 許多。這個(gè)溫度梯度的量級(jí)至少是每米 2C,而要到達(dá)每米4C或5C才會(huì)出現(xiàn) 明顯的蜃景。這些條件常出現(xiàn)在被強(qiáng)力加熱的地面， 例如，當(dāng)太陽(yáng)一直照耀著砂 或?yàn)r青，通常就會(huì)生成下蜃景的景象。* q 12*晚霞余暉晚霞余暉是日落后于蒼穹上所展現(xiàn)的白色或玫瑰色的光暉， 其因?yàn)樘?yáng)光斜 照至地球時(shí)遇到懸浮在大氣層高處的細(xì)小塵粒產(chǎn)生散射而成， 而其通常會(huì)在日落 后在云層最高處之上形成。極光極光(Aurora或Polar light 或Northern light)出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū)上空，是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。 而地球的極光，由

8、來(lái)自地球磁層或太陽(yáng)的 高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))使高層大氣分子或原子激發(fā)(或電離)而產(chǎn)生。極光 不只在地球上出現(xiàn)，太陽(yáng)系內(nèi)的其他一些具有磁場(chǎng)的行星上也有極光。原理：過(guò)去的理論在過(guò)去，有些理論被用來(lái)解釋這種現(xiàn)象，但現(xiàn)在都已經(jīng)過(guò)時(shí)了。? 本杰明？富蘭克林(Benjamin Franklin )的理論：神奇的北極光是濃稠 的帶電粒子和極區(qū)強(qiáng)烈的雪和其他的濕氣作用造成的。? 極光的電子來(lái)自太陽(yáng)發(fā)射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在1900年提出 的說(shuō)法，她在實(shí)驗(yàn)室用真空室和磁化的地球模型， 顯示電子是如何被引導(dǎo)至極區(qū)。 這個(gè)模型的問(wèn)題包括本身缺乏在極區(qū)的極光、負(fù)電荷本身自行散射這些光束、而 且在近期內(nèi)仍然缺

9、乏任何太空中的觀測(cè)證據(jù)。? 破水桶理論：極光是溢流出的輻射帶，這是詹姆斯范艾倫和工作伙伴大 約在 1962 年首先提出的。他們指出在輻射帶內(nèi)獲得的巨大能量很快就會(huì)在極光 的漫射中耗盡。 不久之后， 很明顯的陷在輻射帶內(nèi)的都是高能的帶正電離子， 而 在極光內(nèi)幾乎都是能量較低的電子。? 極光是太陽(yáng)風(fēng)中的粒子被地球的場(chǎng)線引導(dǎo)至大氣層頂端造成的 , 這適用 于極光的尖點(diǎn)，但在間點(diǎn)之外，太陽(yáng)風(fēng)沒(méi)有直接的作用。另一方面，太陽(yáng)風(fēng)的能 量主要都留駐在帶正電的離子，電子只有0.5eV，而在尖點(diǎn)上會(huì)上升至50-100eV, 這仍然遠(yuǎn)低于極光的能量?，F(xiàn)代的理論根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局“瑟宓斯衛(wèi)星任務(wù) (2007/12

10、)(Themis mission ) 傳回的新數(shù)據(jù)， 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球， 碰到北極 上空磁場(chǎng)時(shí)又形成假設(shè)干扭曲的磁場(chǎng)， 帶電粒子的能量在瞬間釋放， 以燦爛眩目的 北極光形式呈現(xiàn)， 而地球的極光主要只有紅、 綠二色是因?yàn)樵跓岢蓪拥牡獨(dú)夂脱?原子被電子撞破，分別發(fā)出紅色和綠色光。這項(xiàng)研究是由美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的安吉羅波洛斯主持， 其研究結(jié)果已 于 2007年 12月 9日在“美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)的學(xué)術(shù)會(huì)議中發(fā)表。瑟密斯衛(wèi)星任務(wù)的 5個(gè)人造衛(wèi)星群 2007年 2月成功發(fā)射升空， 3月在阿拉斯 加和加拿大上空偵測(cè)到北極光出現(xiàn)兩小時(shí)， 同一時(shí)間衛(wèi)星也偵測(cè)到帶電粒子流接 觸

11、到北極磁場(chǎng)。 而讓安吉羅波洛斯驚訝的是， 帶電粒子和磁場(chǎng)接觸形成的地磁風(fēng) 暴以每分鐘 650 公里的速度掠過(guò)空中，威力相當(dāng)于芮氏規(guī)模 5.5 的地震?？茖W(xué)家早就疑心， 北極光的能源來(lái)自帶電粒子與北極磁場(chǎng)接觸產(chǎn)生的扭曲磁 場(chǎng)，但這個(gè)理論一直到 2021年5月才獲得證實(shí)，當(dāng)時(shí)瑟密斯任務(wù)的衛(wèi)星群從地 球上空 6 萬(wàn)多公里首度測(cè)到扭曲磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。極光是地球周?chē)囊环N大規(guī)模放電的過(guò)程。 來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子到達(dá)地球附 近，地球磁場(chǎng)迫使其中一局部沿著磁場(chǎng)線( Field line )集中到南北兩極。當(dāng)他 們進(jìn)入極地的高層大氣時(shí)， 與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)， 產(chǎn)生光芒， 形成 極光。 3在北半球觀察到的

12、極光稱(chēng)北極光，南半球觀察到的極光稱(chēng)南極光，經(jīng)常出現(xiàn) 的地方是在南北緯度 67 度附近的兩個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)，阿拉斯加的費(fèi)爾班克斯 (Fairbanks )一年之中有超過(guò) 200 天的極光現(xiàn)象，因此被稱(chēng)為“北極光首都 。彩云彩云(Iridescent Clouds )通常為一種莢狀云，具有明亮點(diǎn)或彩色邊緣， 其色彩稱(chēng)之為云彩(Irisation 或Cloud Iridescenee ),常見(jiàn)的色彩是桃紅色 或綠色，位在距太陽(yáng)附近的云上。彩云的形成為一種“衍射現(xiàn)象(Diffraction)， 其云彩為大型日華的片段，但比例過(guò)小，無(wú)法觀察出圓弧1。形成原因：日光通過(guò)帶有水滴微粒懸浮的薄云時(shí)，水滴使得通過(guò)

13、的光產(chǎn)生不同方向的衍射，衍射的光彼此干預(yù)，光波相結(jié)合處會(huì)看到明亮的光，相抵消處的光線較暗。 不同色光的衍射角度不同，一種色光的明亮區(qū)在另一種色光的陰暗區(qū)顯現(xiàn)出來(lái)， 漸次形成色彩次序。在離太陽(yáng)愈遠(yuǎn)的地方色彩愈淡。由于云朵為不規(guī)那么片狀分布， 因此產(chǎn)生不規(guī)那么片狀的艷麗彩云。形成條件：? 位在距離太陽(yáng)10至40度的云。? 云為帶有均勻小水滴的薄云，如高積云、卷積云，尤其是莢狀云，罕見(jiàn) 如珠母云那么會(huì)形成非常明亮的彩云。? 天氣晴朗的白天。彩虹彩虹，又稱(chēng)天虹，簡(jiǎn)稱(chēng) 虹，是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)太陽(yáng)光照射到半空 中的水滴， 光線被折射及反射， 在天空上形成拱形的七彩的光譜， 彩虹的七彩顏 色究竟是哪

14、七種有不同的說(shuō)法， 東亞、中國(guó)對(duì)于七色光來(lái)說(shuō)最普遍的說(shuō)法是 從 外至內(nèi)：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫或紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。只要有空氣中有水滴，而陽(yáng)光正在觀察者的背后以低角度照射，便可能產(chǎn)生 可以觀察到的彩虹現(xiàn)象， 彩虹最常在下午， 雨后剛轉(zhuǎn)天晴時(shí)出現(xiàn)， 這時(shí)空氣內(nèi)塵 埃少而充滿(mǎn)小水滴， 天空的一邊因?yàn)槿杂杏暝贫^暗， 而觀察者頭上或背后已沒(méi) 有云的遮擋而可見(jiàn)陽(yáng)光， 這樣彩虹便會(huì)較容易被看到。 另一個(gè)經(jīng)?？梢?jiàn)到彩虹的 地方是瀑布附近， 在晴朗的天氣下背對(duì)陽(yáng)光在空中灑水或噴灑水霧， 亦可以制造 人工彩虹。原理： 彩虹是因?yàn)殛?yáng)光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。陽(yáng)光射 入水滴時(shí)會(huì)同

15、時(shí)以不同角度入射，在水滴內(nèi)亦以不同的角度反射。當(dāng)中以 40 至 42 度的反射最為強(qiáng)烈，造成我們所見(jiàn)到的彩虹。造成這種反射時(shí)，陽(yáng)光進(jìn)入水 滴，先折射一次，然后在水滴的反面反射，最后離開(kāi)水滴時(shí)再折射一次。因?yàn)樗?對(duì)光有色散的作用，不同波長(zhǎng)的光的折射率有所不同，紅光的折射率比藍(lán)光大， 而藍(lán)光的偏向角度比紅光大。 由于光在水滴內(nèi)被反射， 所以觀察者看見(jiàn)的光譜是 倒過(guò)來(lái)，紅光在最上方，其他顏色在下?！澳奘桥c“虹相對(duì)應(yīng)的一種自然現(xiàn)象。 虹是下雨天以及在雨后天晴之際， 陽(yáng)光穿透還剩余在空氣中的水珠而發(fā)生折射， 散射出七彩的光芒。 彩虹形狀多為 弧形，出現(xiàn)在和太陽(yáng)相對(duì)著的方向， 從外半徑大的 弧至內(nèi)弧的顏色依次為紅、 橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。霓也叫“副虹 ，形成與彩虹原理大致相同，只是光 線在水珠中的反射多了一次，彩帶排列的順序和彩虹相反，紅在內(nèi)，紫在外。彩虹其實(shí)并非出現(xiàn)在半空中的特定位置。它是觀察者看見(jiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象， 彩虹看起來(lái)的所在位