光现象

我们能够看到绚丽多彩的世界，是因为有光的存在。从日出的朝霞到日落的余晖，从水中的倒影到雨后的彩虹——这些美丽的光现象背后，蕴含着光的传播、反射、折射和色散等物理规律。

光学知识结构

本章将从光的传播开始，依次学习光的反射、平面镜成像、光的折射，最后了解光的色散现象。这些知识将帮助我们理解生活中各种奇妙的光学现象。

光的传播

光在同种均匀介质中沿直线传播。通过小孔成像、影子的形成等现象，我们可以理解光的传播规律。光速是自然界中最快的速度。

光的反射与平面镜成像

光在遇到物体表面时会发生反射。反射定律是理解光的反射和平面镜成像的基础。平面镜所成的虚像与物体关于镜面对称。

光的折射与色散

光从一种介质斜射入另一种介质时会发生折射。白光通过三棱镜可以分解成七种颜色的光，色光的三原色是红、绿、蓝。

光的传播

光源

光源 (light source) 是指能够自行发光的物体。

光源	举例
天然光源	太阳、萤火虫、水母
人造光源	电灯、蜡烛、激光

注意

月亮不是光源，它本身不发光，只是反射了太阳的光。钻石看起来闪闪发光，也是因为它反射了外界的光，所以也不是光源。

光的直线传播

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一束光传播的径迹和方向。这样的直线叫作光线 (light ray)。

常见的光沿直线传播的现象：

1. 影子的形成——光在传播过程中遇到不透明的物体时，物体后方形成光线照不到的区域（影子）
2. 日食和月食——日食是月亮挡住了太阳的光，月食是地球挡住了太阳照射到月亮上的光
3. 小孔成像——通过小孔可以在光屏上形成倒立的实像

小孔成像

小孔成像实验中，物体通过小孔在光屏上形成倒立的实像。像的大小由物距和像距决定：

• 物距 > 像距：缩小的像
• 物距 = 像距：等大的像
• 物距 < 像距：放大的像

成像大小与孔的形状无关——孔是方的，成的像也是物体本身的形状。

光速

光的传播速度极快。在不同介质中，光速不同：

• 在真空中，光速最快，约为 $3\times {10}^8\text{m/s}$（每秒约 30 万千米）
• 在空气中，光速略小于真空中的光速（可近似为 $3\times {10}^8\text{m/s}$）
• 在水中，光速约为真空中的 ${\displaystyle \frac{3}{4}}$
• 在玻璃中，光速约为真空中的 ${\displaystyle \frac{2}{3}}$

光年

光年 (light-year) 是距离单位（不是时间单位），指光在真空中一年内传播的距离。

$$1\text{光年}=9.46\times {10}^{15}\text{m}$$

天文学中常用光年表示天体之间的距离。例如，离太阳最近的恒星（比邻星）距离地球约 4.2 光年。

光的反射

光从一种介质射向另一种介质的表面时，会改变传播方向返回到原介质中，这就是光的反射 (reflection)。

反射定律

光的反射遵循以下规律（统称为反射定律）：

1. 三线共面——反射光线、入射光线和法线在同一平面内
2. 两线分居——反射光线和入射光线分别位于法线两侧
3. 两角相等——反射角 等于 入射角（$\mathrm{\angle }r=\mathrm{\angle }i$）

注意：反射角等于入射角，不能说"入射角等于反射角"，因为先有入射角后有反射角，反射角由入射角决定。

光路的可逆性

在反射现象中，光路是可逆的。如果光线沿反射光线的路径射入，它将会沿着原来入射光线的路径射出。

镜面反射和漫反射

反射类型	镜面反射 (specular reflection)	漫反射 (diffuse reflection)
反射面特点	光滑表面（如镜子、平静水面）	粗糙表面（如墙壁、黑板、纸张）
反射特点	平行光线射向光滑表面，反射光线仍然平行	平行光线射向粗糙表面，反射光线向各个方向
视觉表现	只能在特定方向看到反射光	从各个方向都能看到物体
遵循规律	遵循反射定律	同样遵循反射定律（只是表面不平整，法线方向不同）

漫反射使我们能看到不发光的物体

教室里，各个方向的同学都能看到黑板上的字，是因为光在粗糙的黑板表面发生了漫反射。我们能看到本身不发光的物体（如桌子、书本），也是因为物体表面发生了漫反射，反射光进入了我们的眼睛。

平面镜成像

成像特点

平面镜成像的特点可以概括为等大、等距、垂直、虚像：

1. 等大——像与物体的大小相等
2. 等距——像到镜面的距离等于物体到镜面的距离
3. 垂直——像与物体的连线与镜面垂直
4. 虚像——平面镜成的是虚像（不能在光屏上呈现）

平面镜成像的规律也可以表述为：平面镜所成的像为虚像，像与物体关于镜面对称。

平面镜成像的原理

平面镜成像的原理是光的反射。物体发出的光经平面镜反射后进入人眼，人眼逆着反射光线的方向看过去，觉得光是从镜后的某一点发出的，这个点就是物体的虚像。

平面镜的应用

应用	举例
梳妆打扮	家中的穿衣镜
改变光路	潜望镜中的平面镜
牙科检查	牙医使用的平面镜

球面镜

反射⾯为球⾯的一部分的镜⾯叫作球⾯镜。球⾯镜分为凹面镜和凸面镜两类。凹面镜对光有会聚作用，凸面镜对光有发散作用。

• 凹面镜的应用：太阳灶，医用反光镜，手电筒的灯碗
• 凸面镜的应用：汽车后视镜，交通转角镜

光的折射

光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折，这种现象叫做光的折射 (refraction)。

折射规律

1. 三线共面——折射光线、入射光线和法线在同一平面内
2. 两线分居——折射光线和入射光线分别位于法线两侧
3. 空气中角大——光从空气斜射入水（或玻璃）中时，折射角小于入射角；光从水（或玻璃）斜射入空气中时，折射角大于入射角
4. 入射角增大时，折射角也随之增大
5. 垂直入射时，传播方向不变

生活中的折射现象

现象	解释
池水变浅	池底的光从水中射向空气时发生折射，人眼逆着折射光线看到的是池底的虚像，位置比实际深度浅
筷子弯折	筷子插入水中，水下部分的光从水中射向空气发生折射，看到的筷子像向上弯折
海市蜃楼	空气密度不均匀导致光的折射，使远处的景物在空中形成虚像

光路的可逆性（折射）

与反射一样，折射现象中光路也是可逆的。

光的色散

色散现象

光的色散 (dispersion) 是指白光通过三棱镜后分解成各种色光的现象。

白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光组成的复合光。不同颜色的光通过三棱镜时偏折程度不同——紫光偏折最大，红光偏折最小。

雨后的彩虹就是天然的光色散现象。雨后空气中悬浮着大量小水珠，它们相当于一个个小三棱镜，将太阳光分解成七色光。

太阳光除了可以分解成各种颜色的可见光，还包含不可见光：在可见光谱的红端以外的红外线 (infrared, IR) 和在可见光谱的紫端以外的紫外线 (ultraviolet, UV) 。

物体的颜色

• 透明物体的颜色是由它所能透过的色光的颜色决定的。
• 不透明物体的颜色是由它反射的色光的颜色决定的。能反射所有色光的物体是白色的。

色光的三原色

色光的三原色是红、绿、蓝。这三种色光按不同比例混合，可以产生各种颜色的光。

颜色混合	结果
红光 + 绿光	黄光
绿光 + 蓝光	青光
蓝光 + 红光	品红光
红光 + 绿光 + 蓝光	白光

实验探究

来自 PhET 的在线仿真实验

• 光的折射 — 探究光从空气射入水中（或玻璃中）时的折射与反射现象，观察入射角和折射角的变化规律
• 光的混合 — 通过调节红、绿、蓝三种色光的强度，探究色光混合的原理

访问 PhET 网站 查看所有在线仿真实验

射线光学模拟

射线光学模拟 - 提供丰富的几何光学模拟功能，还有几何光学作品集

速记

• 光的直线传播：同种均匀介质中沿直线传播（影子、日食月食、小孔成像）
• 光的反射定律：三线共面、两线分居、两角相等（$\mathrm{\angle }r=\mathrm{\angle }i$）
• 镜面反射与漫反射：都遵循反射定律，漫反射使我们能从各个方向看到物体
• 平面镜成像：等大、等距、垂直、虚像
• 光的折射规律：三线共面、两线分居、空气中角大（光从空气斜射入水中，折射角＜入射角；反之折射角＞入射角）
• 光的色散：白光由红橙黄绿蓝靛紫七种色光组成
• 色光的三原色：红、绿、蓝