光散射材料研制研究论文

资料来源:Allard Mosk/Matthias Kühmayer

为什么糖不是透明的?因为穿过一块糖的光是以一种高度复杂的方式散射、改变和偏转的。然而，维也纳TU Wien(维也纳)和荷兰乌得勒支大学的一个研究小组现在已经能够证明，有一类非常特殊的光波并不适用这种方法:对于任何特定的无序介质，比如你刚刚放入咖啡中的方糖，可以构造出定制的光束，它们实际上不会被这种介质改变，而只是衰减了。光束穿过介质，一个光图案到达另一边，它具有相同的形状，就好像介质根本不存在。

这种“光的散射不变模式”的概念也可以用来专门检查物体的内部。研究结果已经发表在《自然光子学》杂志上。

数不清的可能波形

湍流水面上的波可以有无数种不同的形状——同样，光波也可以以无数种不同的形式产生。屠Wien理论物理研究所的Stefan Rotter教授解释说:“当你将光波通过一个无序介质时，每一个光波的模式都会以一种非常特定的方式发生改变和偏转。”

Stefan Rotter和他的团队正在开发数学方法来描述这种光散射效应。乌得勒支大学阿拉德·莫斯克(Allard Mosk)教授的团队为制造和表征这种复杂光场提供了专业知识。“作为光散射介质，我们使用了一层氧化锌——一种完全随机排列的纳米粒子组成的不透明的白色粉末，”实验研究小组的负责人阿拉德·莫斯克解释说。

首先，您必须精确地描述这一层。你用非常特殊的光信号照射氧化锌粉末，然后测量它们是如何到达后面的探测器的。由此，你就可以得出任何其他的波是如何被这种介质改变的——特别是，你可以计算出氧化锌层改变了哪种波的模式，就好像在这一层完全没有波散射一样。

“我们能够显示,有一个非常特殊的一类光掠所谓scattering-invariant模式,产生完全相同的波型探测器,无论光波只有通过空气发送还是必须穿透复杂氧化锌层,”斯蒂芬无赖说。“在实验中，我们看到氧化锌实际上根本没有改变这些光波的形状——只是整体上变弱了一点，”阿拉德·莫斯克解释说。

进行比较:无散射的光束。资料来源:Allard Mosk/Matthias Kühmayer

光探测器处的一个恒星 星座

尽管这些散射不变的光模可能是特殊和罕见的，但在理论上可能的光波的数目是无限的，人们仍然可以找到许多这样的光模。如果你以正确的方式组合这些散射不变的光模式，你会再次得到一个散射不变的波形。

“通过这种方式，至少在一定的范围内，你可以很自由地选择你想要通过物体发送的图像而不受干扰，”博士研究生Jeroen Bosch说。“在实验中，我们选择了一个 星座 作为例子:北斗七星。事实上，可以确定一个散射不变波将北斗七星的图像发送到探测器，而不管光波是否被氧化锌层散射。对探测器来说，两种情况下的光束看起来几乎是一样的。”

单元内部的情况

这种寻找穿透基本未受干扰物体的光模式的方法也可以用于成像程序。“在医院里，x光被用来观察人体内部——它们的波长更短，因此可以穿透我们的皮肤。但光波穿透物体的方式不仅取决于波长，还取决于波形，”Matthias Kühmayer说，他是一名从事计算机模拟波传播的博士生。“如果你想把光线集中在物体的某些特定点上，那么我们的方法就打开了全新的可能性。我们能够证明，使用我们的方法，氧化锌层内部的光分布也可以被具体控制。”这在生物实验中可能会很有趣，例如，你想在非常特定的点上引入光来观察细胞内部深处。

荷兰和奥地利科学家联合发表的论文已经表明，理论与实验之间的国际合作对于在这一研究领域取得进展是多么重要。

更多信 息: Pritam Pai et al. Scattering invariant modes of light in complex media, Nature Photonics (2021). DOI:

期刊信息: Nature Photonics

建筑设计中灯光运用人类的生活天天与光相伴，建筑和城市与光息息相关。光显示出的巨大艺术感染力，激发了建筑师、室内设计师、城市规划师对夜景照明创作的冲动。光是人居环境的要素，为人类居住的建筑和城市创造光明、舒适、绚丽。创造优美的光环境是建筑师、设计师义不容辞的责任。 光使建筑的实存成为可能。随着时间的变化，季节的更替，光的强弱发生了变化，建筑的形象也随之改变。人们就是在这样不断变化的形和影中感受光带给我们的奇妙世界。正如日本着名建筑大师安藤忠雄所说：“建筑设计就是要截取无所不在的光，并在特定场合去表现光的存在。建筑将光凝缩成最简约的存在，建筑空间的创造即是对光之力量的纯化和浓缩。” 大面积的明暗对比和光影变化，反映着光与建筑的完美交融。 记得老师在上课的时候讲过SOHO概念的例子，撇开功能不讲，自然光在其设计中就占有极其重要的地位，甚至以光为装饰。阳光感在小区环境景观中的体现则更为直接。环境作为小区的重要组成部分越来越受到人们的关注。人们对自然、阳光的渴望都直接反映在对环境景观的要求上。小区中的环境景观有别于自然环境，它是一种人造环境，是一种抽象化的自然，阳光作为自然要素之一，在这样特定的场所中，与人、建筑发生着关系，通过小区内小环境，让人感受到它的存在。由建筑围合的环境景观充当了阳光、雨水和风等自然要素的代言人，并成为居民生活体验的一部分。这里绝不是一个普通的可观赏树木的庭院，而是会有一种触动更深层情感的场所。在这样一个人与自然相结合的环境中，人在精神上达到了至高的享受。通过树种、树形的精心挑选和搭配，绿化、水景的合理布局，铺地、设施的巧妙安排等等，都可以在环境景观中体现到“阳光感”无处不在。另外在这个人造自然中，尽量创造出让人能感受阳光，聆听风声、雨声的场所，满足现代人生理、心理乃至精神上的渴望，使人们从日常生活的疲倦中解放出来。正如有些小区中设计的“阳光会所”、“阳光曲廊”等诸如此类的小品景观，让人充分与阳光、自然相交流，达到生理、心理和精神上的和谐统一。 光是建筑艺术的灵魂 光塑造形象：物的形象只有在光的作用下才能被视觉感知。正确地设光（指光量，光的性质和方向）能加强建筑造型的三维立体感，提升艺术效果，反之则导致形象平淡或歪曲。 光建构空间，明和暗的差异自然地形成室内外不同空间划分的心理暗示。光的微妙的强弱变化造就空间的层次感。 光渲染气氛：晴空万里，细雨连绵，不同的环境带给我们不同的心情，这当中光的变化起着重要作用。光渲染的气氛对人的心理状态和光环境的艺术感染力有决定性的影响。 光突出重点：没有重点就没有艺术而落人平庸。强化光的明暗对比能把表现的艺术形象或细节实现出来，形成抢眼的视觉中心。极高的对比还能产生戏剧性的艺术效果，令人激动。 光演现色彩：显色性好的人工光源可以象天然光一样真实地演现环境，人和物的缤纷色彩；显色性差的灯则造成颜色变异，丧失环境色彩的勉力。彩色灯光赋于光环境情感意识，使一些颜色响亮，但也会使一些颜色受到扭曲。 光装饰环境：光和影编织的图案，光洁材料反射光和折射光所产生的晶莹光辉，光有节奏的动态变化，灯具的优美造型都是装饰环境的宝贵元素，引人入胜的艺术焦点。 在以自然光源进行照明设计的时候，有一个办法可以采用，就是你要把整座建筑当作灯具，那么光源就在建筑物的外边，就是日光与天空的散光，接下来就可以考虑建筑物的开口部位，即门窗和天窗。 事实上建筑物的所有表面都在改变着光线，并将光线反射进窗户，照到物体上。自然光有两个组成部分，一个是日光， 另一个就是天空的散光。日光就是由太阳直接照射出来的光束；天空的散光就是空气中的微粒对阳光的散射。 设计人员必须清楚地意识到自然光直射与散射所产生的不同效果， 天空光的散射效果是光设计的背景，是基础，这一点是很多设计人员没有意识到的。 研究光与建筑的关系：其中包括 1、 光本身的性质（直射光、漫反射光、光的色彩，人工光、自然光）； 2、 光的形状与建筑物的洞口；洞口在墙面上的高低位置对室内光照的影响； 3、 光射入建筑后的光域范围； 4、 透光材料（全透、半透，材料的色彩对光色的影响）； 5、 室内不同形式、不同位置的承影面（墙面、地面、屋面）对室内光空间的影响； 6、 光在室内的明暗变化，小面积亮光与大面积光域对室内气氛营造的差别，可以用对比以营造空间变化。 通过研究以上6点光与建筑环境的关系，运用光与建筑的一些基本特性，最终去分析、思考我们要如何创造建筑内特定的光气氛。 建筑光环境设计在建筑节能方面同样大有可为。天然光是取之不尽，用之不竭的能源，要有效利用它。如果自然光能进入到某一空间， 那电光源就只能算是一个补充光源，进行定点照明，平衡一些亮度而已。 首先自然采光方面，应仔细考虑窗的面积及方位，并可设置反射阳光板；建筑内装修可采用浅色调，增加二次反射光线，通过这些手段保证获得足够的室内光线，并达到一定的均匀度，由此减少白天的人工照明，节省照明能耗。采光窗作为建筑构成一个元素，在艺术上应和建筑风格协调一致，在视觉上要求舒适，无眩光，功能上要考虑光、热与隔声的问题。建筑师根据不同建筑要求设计采光窗。目前除常见的侧窗和天窗外，天穹式采光窗、带反射挡光板的采光窗、阳光凹井采光窗、带跟踪阳光的镜面格栅窗和全反射采光窗使用也不少，呈现出采光窗多样化的发展趋势。 以往的建筑采光设计都是假定天空是阴天，不考虑直射阳光。这样的采光设计计算简单，对阳光多变带来的采光不稳定，过热、眩光等问题都回避掉了。随着技术的发展，特别是节能的影响，国际照明委员会编写了《国际采光指南》，为设计提供了设计依据和标准。利用晴天采光计算方法设计采光，约可减小15%的开窗面积，具有重要的节能和经济意义。另外直射阳光进入室内，不仅可给人们提供时间信息，多变的阳光和室内植物装饰，可增加室内视环境的情趣，赋于人有大自然的感受，可产生一种独特的艺术效果。 “自然光总是在不停地变化着，可以使建筑富于各种特征，在空间和光影的相互作用下，我们可以创造出戏剧性”……英国建筑师诺尔曼。福斯特这句话极好地表达出 “光”在设计师心目中的地位。 确实如此，我们稍做回想，就能历数出众多将“光”视为设计中不可或缺的重要元素的设计大师们：柯布西埃，路易。康，迈耶，贝律铭，安藤忠雄……，迈耶以光为笔，勾勒出浓淡相宜的“精致水墨”，贝律铭大方又不失细腻的光的塑造，安藤忠雄以光在无机墙面上描画的“动人表情”，简约而纯净的气息，一次次以它们令人震撼的艺术魅力展示光在建筑设计中的无穷潜力。 如果说大师们运用自然光表现空间和质感的惊人之笔给人以无限的启迪，那么居室环境中人工光技术运用的巨大进步则给我们展现了又一大可作为的天地。 光表现空间设计优秀的设计方案，首先对空间做慎重考虑，因为所有的建筑空间，无论有多少优点，难免有一些遗憾，首先要对其做扬长避短的再调整，即考虑对空间的二次创造，其中光对表现这种二次创造设计如强调空间、突出层次、虚化背景界限、深远空间等有极大的作用。 背景照明：使空间更人性化 背境照明的光线使房间充盈着柔和、迷人的光线，令空间人性化。为获得理想的背境光线，现代的照明设计采用反射自墙面和天花板的光线，这样就可以避免产生亮点，光线也不会在人的脸上产生阴影，从而达到令人满意的光线效果。背境照明的可以来自壁灯、吊灯或在橱柜、梁柱等高处光源。 重点照明：强化突出光线 重点照明采用精心布置的较为集中的光束照射某件物体、艺术品、盆景或某些建筑细部结构。主要目的是取得艺术效果。重点照明的设计常常使观赏者觉得光线是不太明亮的光源提供的，比如蜡烛或墙上的吊灯。嵌入式可调节照明装置、跟踪照明设备或可移动照明装置都可以提供重点照明的光线。 可以让灯光来营造出您所期望的情调和氛围，取得最动人、最富戏剧性的效果。正因为灯光具有如此魅力，可以根据各个房间和空间块面的特殊情形来进行照明规划。由于所要达到的意图和目标不同，设计方案自然也大相径庭。举例来说，如果一个房间没有必要突出家具物品陈设，便不妨采用漫射光照明，让柔和的光线遍洒每一个角落，而在那些放满艺术收藏品的区域，最有效的便是准确、直接的灯光投射，以突出主题。 一些公共活动场所（比如客厅、餐厅）需要有一种友好、亲切的气氛，产生这一效果的最好办法是选用传统的顶灯或枝形灯。如果还能辅以大落地窗，以便吸纳自然光线，效果则更佳。 有时，照明也有一些不寻常的用法。比如，把光源嵌在大理石楼梯的台阶内部，可以产生美丽的半透明光效。即使像台灯之类的家用照明用具，如果加以精心选择，所产生的投影效果和情调也会有很多变化。例如，手制羊皮纸灯罩和日本纸灯灯罩质地比较轻薄透明，光效透过它们射向四周，显得柔和、飘渺；而那些不太透光的灯罩会将光线向下聚拢，其效果与前者相比自然情趣迥异。要是灯架或灯罩上缺了这些饰物，如此丰富有趣的光影组合实在是难以企求的。 浴室的照明设计最好是或浪漫或平易的情调，复古的墙地砖在多层次灯光洋洋洒洒的照射下，带来了古典的美，而局部的投射光则将我们引入深邃。 光的装饰作用在现代居室设计中，光不再仅仅是照明作用，随着人们对环境气氛的要求越来越高，光所具有的装饰效果越来越多地被设计师们所运用，光有冷暖之分，有颜色，经过“裁剪”有形状，光与其他材质配合可共同演绎动人的场景效果。 光色最基础的便是冷暖，室内环境中只用一种色调的光源可达到极为协调的效果，如同单色的渲染，但若想有多层次的变化，则可考虑有冷暖光的同时使用。现代居室中考虑动用五颜六色的光营造温馨气氛的佳做举不胜举，例如淡黄色墙面和地面的房间，采用暖光源与地面石材相映，突出温暖气氛，而白色吊顶采用非直接照明用途的冷光源，达到了衬托暖光源的作用，是一种对比也是一种丰富。装饰照明的光色彩不同，人的视觉效果就不同。用照度适宜的中性白光照射白色或近似白色的墙面，会出现清洁、宽敞、明亮、醒目的效果。通常性况下，鲜艳、饱和、照度充足的彩光会带来健康、明亮、堆璨、瑰丽的效果，而光色不纯或照度不足的彩光则会造成不同程度的负面效果。如微弱的黄光会散发昏暗、暧昧的气息，暗淡的红光会渲染压抑、恐怖的气氛，幽暗的蓝绿光则会造成阴暗、诡秘的效果等等。 另外，照明效果直接受到建筑立面的材料材质的影响。不同颜色的墙面配合灯光给人以不同的感觉。粉刷墙壁应根据需要和条件选择适宜颜色的乳胶漆。一般用白色粉刷墙壁的居多。因为白色反光强，使房间显得洁净、宽敞、明亮，较适合小或暗的居室。淡橙色给人以热烈、愉快、兴奋和温暖的感觉，宜于冬季采用，如果更淡一些，便四季咸宜。红色刺激性较强，一般不宜用来粉刷房间。不过，如果用极淡的粉色浆刷墙，再配以各色灯泡，整个房间会造成热烈、温暖的气氛；用红色内墙乳胶漆来装饰结婚新房，更显得喜庆、热闹。淡蓝或淡绿，前者给人以清爽、开阔的感觉，后者具有安谧恬静的效果。南向的房间可用清淡些的色调，北向的房间宜用暖色调。房顶、墙壁、地面要依次渐变地布色，正如自然环境的过渡：天空的淡蓝，田野的浓绿，土地的黄褐。 光还可被“裁剪”成各种形状，或点，或绒，或面，光的边缘则可虚可硬，主要取决于受光面或是“穿过面” 的形状，如居室的门厅较为狭长，为了不使大门或客厅之间的连接看上去低矮、狭窄、冗长、阴暗，设计师通过大量用光，将其设计成了一个“光的环境”，一个处理精致的门厅走廊，从客厅往外看去，是另一处明亮、有趣的天地，而非简单地承担交通功能的走廊。 此外，光通过影对有质感肌理的材料表现的强化装饰效果，有时还会有意想不到的收获，如光与彩色玻璃的配合几乎可使任何色彩和花纹表现其绚丽多彩的装饰效果。 其实，最能影响室内环境的装饰项目就是光（照明），因为它在不同的程度上影响着我们的生活、工作与休闲。不同形式的照明会左右物体或空间的形象、色调以及它们给人留下的印象。照明既能营造也能破坏室内环境的气氛。 但实际情况常常是：建筑风格与结构已设计完成并付诸建筑实施，这时人们才想到照明，这是一个很大的错误。照明同其它因素一样，需要从设计之初就予与考虑。令人遗憾的是我们（建筑学、室内设计）在这方面缺乏训练与主动的学习思考，出色的照明设计应当把居住者所有的不同需求以及他们的生活方式考虑在内。（一些专业设计软件对光效果的设计分析帮助很大，如：3dsmax，Lightscape， finalrender，Vray， 但仍然需要掌握照明的理论和实践。） 总之，光在居室设计中的运用，令古今中外的很多设计师不断探索其神奇的魅力，当光被设计师们更好地利用并展现其魔力时，我们的生活空间将会创造得更美。

形形色色的光现象在实际生活当中，有很多有趣而奇 妙的光现象。大到吸引全球注意力的日 食、月食，小到肥皂泡上的彩色图案， 只要你留心，随时都能发现自己身边的 光现象。不过，你有没有思考过它们的 原因呢？其实，这些光现象很多都可以 用我们学过的波的知识来解释，现在就 让我们去看一看自己身边奇妙的光现象 吧物理论文——形形色色的光现象 广义范围内的光指全部电磁波。迄今为止，所知的 最长波长为107米左右，最短波长为10-15米左右。 可见光指能引起人视觉的电磁波，其波长约在 ×10-7～×10-7米，它包括从红光到紫光的各 种单色光 。 下面我们将针对可见光谈以下几个问题： 1 光的传播 2 光的反射 3 光的折射 4 光的衍射 5 光的干涉 6 光的散射 7 极光物理论文——形形色色的光现象 一、光的传播 在均匀介质中光沿直线传播。 这条性质我们是司空见惯了。也正 是光的这条性质，使人们费了很大劲才 弄清光的波动性质。究竟有什么现象是 光的直线传播造成的呢？就让我们看一 下吧。物理论文——形形色色的光现象 日食、月食是一重要的 天文现象，是光在同一种均 匀介质中沿直线传播的例 证。物理论文——形形色色的光现象 日全食、日偏食和 日环食 月球的影可以分为本影、半影和伪半 影三部分。月球绕地球的轨道和地球 绕太阳的轨道都不是正圆，所以日、 月同地球之间的距离时近时远。因 此，在日食时，观察者在本影范围看 到太阳全部被月球遮住，称为日全 食；观察者在半影内则见到太阳部分 被月球遮住，称为日偏食；观察者在 伪本影内见到太阳的中间部分被月球 遮住，周边剩下一个光环，称为日环 食。当月球绕地球运行到太阳与地球 之间几乎与太阳同起同落时，从地球 上见不到月球，这时称为朔，日食现 象发生在朔的时候。朔的周期约为 天。但不是每隔天都发生一次日 食，原因是月球绕地球运行的轨道平 面和地球绕太阳运行的轨道平面不完 全重合，两者之间有5°9’的平均夹 角。所以只有当朔时太阳离两个轨道 平面的交点在某一角度以内时才会发 生日食。物理论文——形形色色的光现象 月全食、月偏食与半影月食 月食是月球进入地球阴影，月面变暗的现象。地球在背着太阳的方向 有一条阴影，叫地影。地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太 阳直接射来的光，半影受到一部分太阳射来的光。月球在绕地球运行 过程中进入地影后就发生月食。月球整个都进入本影发生月全食；部 分进入本影发生月偏食。月全食和月偏食叫本影月食。有时月球只进 入半影而不进入本影，发生半影月食。 当地球处在太阳与月球之间时，月球朝向地球的一面照满太阳光，从 地球上看月球，月球呈光亮的圆形，这叫望。望的周期与朔相同，月 食只能发生在望的时候。但由于地球与月球运行轨道不在同一平面， 而有一个5°9′的夹角，不是所有望的时候都发生月食。只有当月球 运行到两个轨道平面的交点附近时，月食才可能发生。物理论文——形形色色的光现象 由于地球的本影比 月球大得多，在月 全食时，月球会会 完全进入地球的本 影区内，因此，绝 不会出现月环食这 种现象。 发生月食时， 地面上的观测面积 很大，可覆盖半个 地球，只要是天气 晴朗的夜空就能看 得到。物理论文——形形色色的光现象 本影区是光线完全射不到的地方。点光源生成的影区 周围可以出现亮边，这是由于光的波动性，光遇到障 碍物后，发生衍射的结果。发光体越大，本影区越 小。如白炽灯下的人影很清楚，荧光灯下的人影十分 模糊，就是两者比较而言，白炽灯可看成是点光源， 发光面小；荧光灯的发光面就比白炽灯大得多。医院 里外科手术用的无影灯，就是在一个很大的圆形灯罩 里交错排列或呈环形排列几个到10多个灯球，每个灯 球里有一个镜面灯泡，灯炮下半部的内壁上涂有一层 铝，把光线均匀柔和地反射到整个灯球上。这样，各 个灯球都能把光线照射到手术台上，既保证有足够的 亮度，同时又不留任何影子。物理论文——形形色色的光现象 星光闪烁 夜晚，天上的星星，特别是地平线附近的星星，常以震动的形 式急速变化。时明时暗，上下跳动，左右摇晃。而且有时颜色也 有变化，这就使所谓的星光闪烁，或者说是星星“眨眼”。这是由 于大气处于经常不断地运动中，空气密度也相应地不断变化。又 因为不同光波的折射率是不同的，所以看起来，位置和颜色都不 断地变化。 来自地平线附近的星光，由于穿过的大气层厚，又由于底层大 气变化大，所以闪烁显著。地面的发光物也会有同样的闪烁现 象。 星光闪烁往往反映出大气的不稳定，是天起变化的征兆，所以 有“天上星星跳，风雨就来到”的谚语。 同样的原因，在炎热的夏季，地面上的目标物，由于强烈的增 热，空气密度变化大，大气层不稳定，折射率不断变化，远处看 起来一些树木、房屋等会产生晃动，气象学上称为闪晃。这中闪 晃也和星星闪烁一样，是天起变化的征兆，因为这是大气层不稳 定的表现。物理论文——形形色色的光现象 假设地球表面不存在大气层，那么 人们观察到的日出时刻与实际存在的大 气层的情况相比将延后 。这是由于太阳 光在不均匀的大气层中传播发生弯曲的 原因。海市蜃楼也是介质不均匀造成的 众人皆知的现象。这些现象等说到折射 时再详细说明。物理论文——形形色色的光现象 二、光的反射 我们能够看到的物体有的是光源（自己能发出光 线），有的则是因为它们能反射光。光的反射分为镜 面反射和漫反射，而以漫反射最为常见。光线经光滑 面发生的反射现象。镜反射遵循反射定律，反射光线 是有规律的。平面镜、球面镜及各种曲面的反射都是 镜反射。镜反射能生成各种像，并在适当位置和范围 内能观察到。在现实中，大量的反射都不是在光滑面 上进行的，反射面是粗糙的。在粗糙的表面进行的无 规则反射叫漫反射。漫反射的光线能到各个方向，但 就其中的每条光线而言，都遵循反射规律。一般物 体，我们之所以能从各个方向看到它，就是漫反射的 结果。漫反射在实际中有广泛的应用。物理论文——形形色色的光现象 我们常见的平面镜的反射就是镜面 反射。平行光经镜面反射仍平行。很多 时候我们都利用镜面反射，但有时镜面 反射却是我们要避免的。比如教学用的 黑板，如果太光滑就会造成很多同学看 不清字。这是因为反射光大部分光沿与 镜面反射的路径传播。这时只要把黑板 弄粗糙一些即可。物理论文——形形色色的光现象 当光射到两种媒质界面，只产生反射而不产生 折射的现象叫全反射。当光由光密媒质射向光 疏媒质时，折射角将大于入射角。当入射角增 大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在 光疏媒质中将不出现折射光线，只要入射角大 于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是 全反射。所以，产生全反射的条件是：①光必 须由光密媒质射向光疏媒质。②入射角必须大 于临界角。由于镜面反射常常造成光的能量损 失，常常用全反射透镜代替平面镜。潜望镜就 是这样做的。全反射的应用很广，如改变光的 传播方向、测量折射率和传导光束等。物理论文——形形色色的光现象 三、光的折射 光的折射满足折射定律。其内容如下：①折射线、法线、入射线在同 一平面内。②折射线、入射线在法线的两侧。③折射角的正弦与入射 角的正弦的比值是一常数。 光由光速大的媒质进入光速小的媒质，光线将向法线偏折，即光线配 法线的夹角变小。 在水底有一束光源，光束达到水面然后折射到空气中，当然，也有一 部分光线产生反射。当入射角加大时 ，更多的光线产生反射。当入 射角大于或等于临界角时，发生全反射。临界角是由两个介质的折射 率来决定的： n 是两个介质的折射率。 nair water sinθ nair / nwater crit物理论文——形形色色的光现象 在地球上观察日出时，太阳发出的光线进入大 气层经过无数次折射才映入观察者的眼帘，观察者 认为光是直线传播的，所见太阳好像在如图1-40所示 的S′处的“太阳”乃是阳光经过大气层折射后形成的 虚像。实际上这时的太阳S还在地平线以下。物理论文——形形色色的光现象 透过燃烧得很旺的炉火 上方空气看炉火另一侧竖立 木棍，发现木棍不规则地左 右晃动变得弯曲了，如图所 示，这是由于人眼所见木棍 的虚像密度分布变化的气流 飘移。物理论文——形形色色的光现象 雨后初晴的早晨或傍 晚，或者远处还落着小雨， 另一边又在出太阳，常观察 到天空出现彩虹，这是由于 光的折射产生的色散现象， 如图所示，太阳光进入水滴 后，因各色光的折射率不同 而产生色散。实际上是一部 分光线反射，一部分光线折 射进入水滴，在水滴里面发 生内部反射（全反射）然后 再从水滴折射而出，人眼可 见各色光。物理论文——形形色色的光现象 眼睛 视觉器官。眼睛和照相机相似，一部分是光学成像系统，能够保证在视网膜上形 成外界物体清晰的像；另一部分是与照相底片相似的感光层，即视网膜上的感光 细胞及其外段的光敏色素。 眼球近似于球体，内部的角膜、水样液、晶状体及玻璃体构成屈光系统，起到一 个双凸透镜的作用。眼睛比照相机机构要复杂得多。除了有一套自动调节控制机 制外还能把光携带的信息变成神经电信号并经过初步加工处理传到大脑。 眼睛有一套自动调节控制机制，即能使远处的物体成像在视网膜上，也能使近处 的物体成像在视网膜上。其原因是晶状体本身是有弹性的，可以靠周围肌肉的运 动改变它的表面的弯曲程度，从而改变其焦距。因此眼睛是一种精巧的变焦距系 统。眼睛要看清一个物体，除了像要成在视网膜上以外，还需要成在视网膜上的 像足够的明亮，这主要靠瞳孔的调节，瞳孔的大小是可以改变的，改变它就可以 控制进入眼球的光线的多少，它的作用像照相机的光圈。另外眼睛要看清楚一个 物体还要满足第三个条件，就是物体的两端对眼睛光心所张的视角要大于1分。当 物体对眼睛所张的视角小于1分的时候，在视网膜上所成的像就会落在同一个感光 细胞上，整个物体看上去就会缩成了一点无从分辨。 物体上射出的光一部分进入眼睛在视网膜上成一实像，我们就看清了物体。眼睛 不仅能看清物体，而且还能看清物体通过光学系统所成的虚像，虚像是反射光线 或折射光线的反向延长线形成的，但这些反射光线或折射光线进入眼睛后能在视 网膜上成一实像。 人们眼球的焦距只有厘米左右，所以观察的物体一般总在眼睛的两倍焦距以 外，它在视网膜上所成的像是缩小倒立的实像，由于长时间的感受已养成习惯， 脑神经能清楚地识别各种物体，不至有上下倒置、左右易位的感觉。物理论文——形形色色的光现象 近视眼 一种远点为有限距离的非正常眼，这种眼睛的折光本 领比正常的眼睛大些，或者角膜到视网膜的距离比正 常的眼睛长些。晶状体在曲率最小的时候，也不能把 平行光束会聚在视网膜上（而是聚在视网膜前），这 种眼睛远点不是无限远，只适于看较近的物体，近点 也比10厘米小，要使这种眼睛能够看清楚无限远的物 体，必须把物体在视网膜前所成的像，移到视网膜 上。矫正近视眼的方法是配带一副用凹透镜做的眼 镜，利用这种透镜对于光束的发散作用可以使得物体 所成的像远一点，刚好成在视网膜上。青少年多患近 视眼，因此应该注意眼睛的保健