單元柒:光的傳播

一、 光速與介質

()光速的測量:

1.觀看煙火時,先看到煙火,才聽到爆炸聲﹔打雷時,先看到閃電,才聽到雷聲。由上可知光的速度遠遠大於聲音在空氣中的速度。

2.關於光速的測量,較早記載測量光速的實驗是由義大利科學家伽利略帶著兩組人在夜晚爬上距離幾公里的兩座山頭上,約定時間後,由一組人將遮住的燈籠打開,另一山頭上的人看到燈籠的光後,紀錄光在兩座山頭間傳遞所花的時間,以便從所得的時間推算出光的速度。

3.假設兩座山頭的距離為L,而光線由一山頭傳到另一山頭所需時間為t,其運算式為:光速=

4.伽利略的實驗結果是失敗的,他最後並未得到有意義的數據,不過能確知的是:光速極快,因為他無法測出光在距離幾公里的兩座山頭之間所需的時間,換言之;光的速度太快了,以至於行經幾公里所需的時間太短而無法精確的測量出來。

5.後來經過法國科學家菲左等人的努力,才在地球有限的距離內,利用光柵及反射面鏡等儀器,測得光速約為30萬公里/秒3×108 ms,相當於一秒鐘繞行地球約七圈半),因為他的實驗較為複雜,在此不做介紹。

()光速與介質:

1.太陽、月亮與地球之間大部分的空間並無物質存在而成真空狀態,太陽光可以從太陽傳到地球,由此可見光可以不經介質,穿過真空而傳播,而這也是電磁波的特性。

2.光在不同的介質上傳播,速率也有所不同,光傳播速度快慢依序為:
真空 > 氣體(空氣) > 液體() > 固體(玻璃)

3.光在透明的玻璃中傳播,其速率大約是在真空的2/3倍,亦即光在玻璃中傳播的速率約等於2×108 m/s

4.在不同的介質中速率雖然不同,但其頻率卻保持不變,故光由一介質進入另一介質時,改變的是速率,而其顏色仍保持不變

二、反射定律

()光的反射:

1.光遇到不同介面或不透明的障礙物,可能出現被吸收、反射或折射的現象,一旦光被反射出來,即稱之為光的反射現象。

2.當平行的光線照到不同的表面時,會產生不同的反射形情,但都會遵守反射定律,常見形情有單向反射和漫射兩種:(如圖一)

(1)單向反射:平行光照到平整的表面,產生同一方向反射的現象,容易造成反光的現象,如黑板反光。

(2)漫射:平行光照到不平整的表面,產生朝四面八方反射的現象,此現象讓我們能由各種方向看見物體。







 

 

()光的反射定律:

1.入射光前進方向稱為入射線、反射光前進方向稱為反射線、與障礙物垂直的直線稱為法線、入射光與法線的夾角稱為入射角、反射光與法線的夾角稱為反射角。如圖()

2.反射定律:光遇障礙反射時;遵守光      20080722143020166.png20080722143020166.png
的反射定律(與聲音的反射原理相同)
這也是波的一種特性,略述如下:

(1)入射線、反射線和法線在同一平面
上,且入射線、反射線分別在法線
的兩側

(2)入射角等於反射角。


三、光的反射和運用

1.光的反射原理可解釋為何夜晚不開燈的屋內看不見屋內東西?(屋內物體無光線反射出來)為何夜晚欲在鏡子中看到自己的像,需用手電筒照自己而不是照鏡子?(照自己才能有光線反射出去)

2.光反射的運用主要用在面鏡上,面鏡又區分為平面鏡(即一般通稱的鏡子)、凸面鏡與凹面鏡三種,萬花筒就是利用平面鏡反射的原理製成,哈哈鏡則是利用凸面鏡與凹面鏡製成

()平面鏡成像:

20080722143417714.png20080722143417714.png1.平面鏡成像原理:
鏡前的物體發出(或反射)的光線
經過平面鏡反射後,進入我們的眼
睛。由於我們的眼睛可根據光線判
斷遠近但無法追蹤光線來源(視線
不會轉折),所以我們會誤以為物
體的像是在鏡內(或者說鏡後),
如圖()所示:

2.然而平面鏡是不透明的,而我們的眼

睛卻誤以為平面鏡的成像是在平面鏡

的後方,但是光線又不可能穿透面鏡到達到鏡子的後方,我們稱這種成像為:虛像。如圖()所示:








 

 

 

 

3.表面愈光滑,且反射面為白色時,所形成的像愈清晰,多數的平面鏡在其表面鍍上一層銀白色的金屬銀或鋁,即是這個道理。

 

()實像與虛像:

1.光沿著直線前進,反射或折射現象所形成的像,依據光線是否能到達該處會聚,可將像的性質區分為兩種:

(1)虛像:實際光線不能會聚成像,只能經由眼睛看到,並不能投射至螢幕(或白紙、牆壁..等)的像,如在平面鏡中所成物體的像。

(2)實像:實際光線會聚所成的像,能經由眼睛看到,亦能投射至螢幕(或白紙、牆壁..等)的像,如針孔成像,投影機成像。

2.平面鏡成像的特性如下:

(1)凡是物體的光線經平面鏡反射能到達眼睛者,皆能由平面鏡內看到該物的像。

(2)平面鏡所生成的像為與原物大小相等左右相反、的正立虛像,且物距=像距

()平面鏡成像的作圖與運用

20080722143449860.png1.由物體畫一條垂直鏡面(或其延長線)的線,取物體到鏡面的距離(物距)在另一側找出相同距離的點,
即為成像位置,由眼睛到鏡子
兩側畫出兩道線,在此範圍內
的像即為眼睛所能看到的像。

2.成像與眼睛的連線與鏡面的交
點即為物體的光線經鏡面反射
到眼睛的反射點。(
如圖三

3.鏡內的成像除了物體本身左右

相反外,其位置亦左右相反,

如寫有字母「    」的卡片,經平面鏡反射成像為:「    」。(如圖四所示):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


四、 抛物面鏡的成像與運用

 

抛物面鏡包含:將表面製成抛物面的反射面鏡稱為抛物面鏡。如:凸面鏡、凹面鏡等,它們在生活中各有其不同的用途,分述如下:

()凸面鏡:

1.凸面鏡能發散光線,成像的情形說明如下:

2.光線的反射仍然遵守反射定律。(如圖一)
                             20080722143540607.png

3.凸面鏡所生的像為正立縮小虛像,但能增加反射鏡前物體的成像範圍。例如:汽車的後視鏡、迴旋山路邊所架設的凸面鏡等,能增加可見範圍,
幫助駕駛員掌握後方或彎道處的狀況。(如圖二)

4.光亮的湯匙背面也有凸面鏡的效果。

5.凸面鏡的成像性質:由於凸面鏡表面曲率的關係,其所成的像有下列性質:縮小、正立、虛像,且與原物體左右相反

()凹面鏡

1.凹面鏡能會聚光線,當一組平行光線射入拋物面鏡時,由於曲面的特性,所有的反射線都交會於一點,此點稱為焦點。(如圖三)

2.若將光源置於拋物面鏡的焦點處,則經鏡面反射後的光線將平行射出,直到遠處,例:汽車的前燈、手電筒的燈頭等。(如圖四)

20080722143610971.png

3.凹面鏡成像的情形說明如下:(如圖五)

(1)光線遵循反射定律。

(2)物體放在主軸上的焦點內產生正立放大虛像,放在主軸上的焦點外產生倒立實像離鏡越遠像越小,在2倍焦距上可產生相同大小實像。

(3)光亮的湯匙內側也有凹面鏡的效果。

20080722155305527.png

 

()面鏡成像整理

1.面鏡成像整理:

20080722215008144.png

實物
位置

焦點內

焦點上

1~2
焦點

2倍焦點上

2倍焦點外

無窮遠

平面鏡

正立與物大小相等、左右相反的虛像、物距等於像距

凸面鏡

正立縮小虛像,離鏡越遠像越小

凹面鏡

放大正立虛像

平行光
不成像

放大倒立
實像

相等倒立實像

縮小倒立實像

一點

 

 

 



 

 

2.哈哈鏡:(如圖六)

(1).在遊樂場中的哈哈鏡一般是以凸、凹面鏡組合而成。

(2).站在哈哈鏡前,會看到鏡前的人變形失真的影像,將光亮的鐵片彎曲也有相同的效果。

 

 

 

 

 

 

 

創用CC標示:
CC