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什么是光压与光波

2023.8.31

光压

我们知道书本放在桌子上,会对桌子产生压力;密集的雨点打在伞面上,雨水也会对伞面产生压力。然而你知道光照射到物体表面也会对物体的表面产生压力吗?

远在1748年,欧拉就已指出光压的存在。而在1873年,英国物理学家麦克斯韦也预言了光压的存在,并指出光照射到物体上,使物体受到的压力大小决定于光在单位长度上所具有的能量。只是在很多情况下,光的能量太小,我们不易察觉到光压的存在。

事实证明,要观察、证实光压的存在,一定要使用放大微小物理量的办法才行。1901年,美国物理学家赫尔用实验证明了光压的存在。他在一个抽成真空的容器中(注:之所以将容器抽成真空,旨在排除气体分子对实验的干扰),用一根细长的石英丝,把一根轻杆从中间横向吊起,横杆的两端各有一个小圆盘。让一束光照射到小圆盘上,发现原来静止的小圆盘沿着入射光的入射方向转了一个很小的角度,从而证明了光压的存在。通过科学测算,太阳光照射到地球表面,能在每平方米的面积上产生4.8×10-7千克的压力。

既然光压这么小,解释并测量光压有用吗?回答是肯定的。事实证明,光压在解释天体现象中有一定作用,你知道彗星那长长的彗尾是怎么形成的吗?就是当彗星从太阳旁边经过时,它的尘粒与气体分子受到太阳光压的作用形成的。当然,恒星能够保持体形稳定也与光压密切相关。

光波

想要弄清楚光是怎样传播的和光究竟是什么,最好的办法是先从研究水里的波入手,因为水波我们早已熟悉。

如果你向湖里或水池中扔一块砖头或石子,会激起层层水波,而到达岸边的波的个数的多少,则取决于你所扔的石子的大小。在一段特定的时间内,比如1秒钟里的波的个数叫做波的频率。

与之同理,我们来研究波的长度,波长就是一个波的低谷或顶峰到下一个波的低谷或顶峰的距离。波的低谷叫做波谷,波的顶峰叫做波峰。在通常情况下,波长越短,一定时间内波的个数越多,频率越高;反之,波长越长,一定时间内波的个数越少,频率越低。

那么光波究竟有多长呢?科学家有测量白光光谱中各色光的波长和频率的专门仪器。这种测量是非常精细的工作,因为光的波长非常非常短。作为一个衡量的标准,科学家创造了一个特殊的计量单位,他们把这种计量单位叫做埃,一埃等于一亿分之一厘米,换句话说,1厘米里有100000000个埃。

通过研究光谱,科学家发现红光的波长显著地比紫光的波长要长。红光波长为7600埃或76/100000000(一亿分之七十六)米,紫光波长大约只有红光的一半。光谱中其他颜色光的波长在这两者之间变化,按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序越来越短。

根据我们从水波中得知的波长与频率的关系,我们就可以毫不迟疑地得出结论:波长长的光的频率比波长短的低,而红光的频率比其他所有颜色的光都要低。

物体可以反射一种以上的颜色吗

我们周围的色彩大多是由颜料或染料制成的。红领巾鲜艳通红,是因为用了一种特殊的、能反射阳光或家里的白炽灯中的红光染料。然而,这些颜料和染料不会产生如同在白光或阳光光谱中的纯粹的自然色。一面黄色的墙壁在白光下会反射一些绿色和黄色的光波。如果反射的光波中黄光占大多数,那么我们看这面墙就是黄色的。如果有许多绿色光波掺在黄光中,那我们看到的就是一面黄绿色的墙壁。

同样,如果你调过水彩或颜料,你会发现,当把同样多的黄色和蓝色调在一起时,就配成了绿色。太阳照到这样绿色的墙上会发生什么现象呢?蓝色颜料吸收黄光,而黄色颜料吸收蓝光,当然它们还都吸收别的颜色的光。但它们都不吸收绿光,所以绿光被反射,你就看到一面绿色的墙。

偏振光波

按照科学家们的说法,光的特性之一就是以波的形式从一个地方传播到另一个地方。光与水波很相似,是从光源开始的一系列的波峰和波谷的扩展。我们可以用一根绳子来做试验。把绳子的一端系在门把手上,另一端握在手里,上下振动手腕就可以产生一系列波。这类上下运动的波,叫做竖直横波。现在,请你仍然拿着绳子,斜着抖动手腕,即向上抖动时往右偏,而向下抖动时往左偏。你就得到了既不同于竖直横波也不同于水平横波的另一种类型的波——斜面横波。

实际上,科学家谈论的波是多种类型的波的混合。有水平横波、竖直横波和许多斜面横波在传播。结果,它成为在各个方向平面内的波的合成。如果我们单独挑出这些波里的任何一种,或者只挑出在给定平面内振动的一种波,我们就得到偏振光波。怎样使一列波成为偏振波呢?

让我们再玩一会儿绳子,演示另一种效果,它会使你更容易理解光波的偏振。

把绳子系在门把手上,但现要使绳子通过一个竖直的夹缝,比如用两个椅背夹起来或者拿一个纸箱切出一条缝来。如果你上下抖动手腕,产生的波可以通过椅背间的夹缝到达门把手。但是,如果你左右抖动你的腕子,又会出现什么情况呢?你将得到一个水平横波。但是波会在椅背的夹缝处停住。你刚好“偏振”掉了横波;使它只有竖直的波可以畅通无阻的在椅背前停住了。

与此相同,用特殊的材料或棱镜也可以对光波进行处理。这些材料里包含了数以百万计的针状的小晶体,只允许与它们在同样方向上振动的偏振光通过。这种物质叫做偏振片或偏振镜。知识点

光谱

光谱,是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色。


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