光的折射率实验论文参考文献

关于光的本性问题很早就引起了人们的关注。微粒说1638年，法国数学家皮埃尔·伽森荻（Pierre Gassendi）提出物体是由大量坚硬粒子组成的。并在1660年出版的他所著的书中涉及到了他对于光的观点，也认为光也是由大量坚硬粒子组成的。牛顿随后对于伽森荻的这种观点进行研究，他根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于1675年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说很容易解释光的直进性和反射现象，因为粒子与光滑平面发生碰撞的反射定律与光的反射定律相同。然而微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时反射和折射，以及几束光交叉相遇后彼此毫不妨碍的继续向前传播等现象时，却发生了很大困难。波动说罗伯特·胡克在1685年发表的《显微术》一书中，认为光是一种振动，发光体的每一振动在介质中向各个方向传播。胡克初步建立了波面和波线的概念，并把波面的思想用于对光的折射和薄膜颜色的研究。惠更斯（Christian Huygens）著《论光》更明确地提出了光是一种波动的主张，他认为光是一种介质的运动，该运动从介质的一部分以有限速度依次地向其他部分传播，他把光的传播方式与声音在空气中的传播作比较。波动说很容易能够解释微粒说不能解释的两个问题。水波可以同时发生反射和折射，并且水波的反射和折射规律和光完全相同。湖面上的激烈水波能够自由的互相穿过，通过一个窗口能够同时听到窗外几个人讲话的声音，这些都是人们熟知的波的现象。然而，早期的波动说缺乏定量的数学严密性，也缺乏对波动特性的足够说明，仍然摆脱不了几何光学的观念。同时，惠更斯所提出的波动说是把光比作像“水波”一样的机械波，即机械波的传播需要依靠介质，而光却能在真空中（即无介质）传播。牛顿并不是在根本上否认光的波动性，事实上正是牛顿首先提出了光在本质上是一种周期过程的观点，他还多次提到光可能是一种振动并与声波作对比。然而从他的著作《光学》的其他部分来看，他还是倾向于光的微粒说。突出的例子是从光的微粒说出发，根据机械粒子遵守的力学规律来解释光的反射定律和折射定律，并得出了光密介质中的光速要大于光疏介质中的光速这一与事实不符的结论。英国物理学家托马斯·杨（1773年 – 1829年）用干涉实验证明了光的波动性由于牛顿在学术界有很高的声望，致使微粒说在其后的100多年里一直占着主导地位，而波动说却发展得很慢。同时，如果要证明光具有波动性，必须设法显示出光具有干涉现象，而干涉现象的产生必须得到两列相干光，然而要得到两列相干光在当时是很困难的。直到1801年英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）终于用干涉实验证明了光的波动性。详见杨氏双缝干涉实验电磁说到19世纪中期，光的波动性已经得到公认，然而当时人们只了解在介质中传播的机械波，认为光波也是一种机械波。而任何机械波的传播都依靠介质，光却能在真空中传播。从太阳和其他恒星所发出的光，是通过什么介质传播过来的呢？为了说明光传播的这个问题，人们便假设在宇宙空间中到处充满着一种特殊的物质，这种物质被称作以太，光便是通过“以太”来进行传播。为了解释光波的各种性质，对于“以太”这个概念又进一步提出了种种假设。譬如，“以太”的密度极小，却具有较大的弹性等。由于对“以太”性质种种假设间存在明显的矛盾，人们很难相信存在这种物质。而为证明“以太”存在的各种实验也都以失败而告终。1846年，法拉第发现在磁场的作用下，偏振光的振动面会发生改变。这一重要的发现，表明光和电磁现象间存在着某种联系，同时将人们的目光转移到了电磁现象来考虑。19世纪60年代，麦克斯韦在研究电磁场理论时预见了电磁波的存在。同时指出电磁波是一种横波，电磁波的传播速度等于光速。麦克斯韦通过电磁波与光波的相似性质，提出假设，认为光波是一种电磁波。20多年后，赫兹用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播速度的确与光速相同，同时电磁波也能够产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，从实验中证明了光是一种电磁波。光子说光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步。但是，还是在赫兹用实验证实光的电磁说的时候，就已经发现了光电效应这一现象，而这一发现也使光的电磁说遇到了无法克服的困难。1905年爱因斯坦提出光量子论，运用光子的概念解释了光电效应。

高分辨率光学显微术在生命科学中的应用【摘要】 提高光学显微镜分辨率的研究主要集中在两个方面进行，一是利用经典方法提高各种条件下的空间分辨率，如用于厚样品研究的SPIM技术，用于快速测量的SHG技术以及用于活细胞研究的MPM技术等。二是将最新的非线性技术与高数值孔径测量技术（如STED和SSIM技术）相结合。生物科学研究离不开超高分辨率显微术的技术支撑，人们迫切需要更新显微术来适应时代发展的要求。近年来研究表明，光学显微镜的分辨率已经成功突破200nm横向分辨率和400nm轴向分辨率的衍射极限。高分辨率乃至超高分辨率光学显微术的发展不仅在于技术本身的进步，而且它将会极大促进生物样品的研究，为亚细胞级和分子水平的研究提供新的手段。【关键词】 光学显微镜；高分辨率；非线性技术；纳米水平在生物学发展的历程中显微镜技术的作用至关重要，尤其是早期显微术领域的某些重要发现，直接促成了细胞生物学及其相关学科的突破性发展。对固定样品和活体样品的生物结构和过程的观察，使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。随着生命科学的研究由整个物种发展到分子水平，显微镜的空间分辨率及鉴别精微细节的能力已经成为一个非常关键的技术问题。光学显微镜的发展史就是人类不断挑战分辨率极限的历史。在400～760nm的可见光范围内，显微镜的分辨极限大约是光波的半个波长，约为200nm，而最新取得的研究成果所能达到的极限值为20～30nm。本文主要从高分辨率三维显微术和高分辨率表面显微术两个方面，综述高分辨率光学显微镜的各种技术原理以及近年来在突破光的衍射极限方面所取得的研究进展。1 传统光学显微镜的分辨率光学显微镜图像的大小主要取决于光线的波长和显微镜物镜的有限尺寸。类似点源的物体在像空间的亮度分布称为光学系统的点扩散函数(point spread function, PSF)。因为光学系统的特点和发射光的性质决定了光学显微镜不是真正意义上的线性移不变系统，所以PSF通常在垂直于光轴的x-y平面上呈径向对称分布，但沿z光轴方向具有明显的扩展。由Rayleigh判据可知，两点间能够分辨的最小间距大约等于PSF的宽度。根据Rayleigh判据，传统光学显微镜的分辨率极限由以下公式表示[1]：横向分辨率(x-y平面)：dx，y=■轴向分辨率(沿z光轴)：dz=■可见，光学显微镜分辨率的提高受到光波波长λ和显微镜的数值孔径等因素的制约；PSF越窄，光学成像系统的分辨率就越高。为提高分辨率，可通过以下两个途径：（1）选择更短的波长；（2）为提高数值孔径, 用折射率很高的材料。Rayleigh判据是建立在传播波的假设上的，若能够探测非辐射场，就有可能突破Rayleigh判据关于衍射壁垒的限制。2 高分辨率三维显微术在提高光学显微镜分辨率的研究中，显微镜物镜的像差和色差校正具有非常重要的意义。从一般的透镜组合方式到利用光阑限制非近轴光线，从稳定消色差到复消色差再到超消色差，都明显提高了光学显微镜的成像质量。最近Kam等[2]和Booth等[3]应用自适应光学原理，在显微镜像差校正方面进行了相关研究。自适应光学系统由波前传感器、可变形透镜、计算机、控制硬件和特定的软件组成，用于连续测量显微镜系统的像差并进行自动校正。 一般可将现有的高分辨率三维显微术分为3类：共聚焦与去卷积显微术、干涉成像显微术和非线性显微术。 共聚焦显微术与去卷积显微术 解决厚的生物样品显微成像较为成熟的方法是使用共聚焦显微术(confocal microscopy) [4]和三维去卷积显微术(three-dimensional deconvolution microscopy, 3-DDM) [5]，它们都能在无需制备样品物理切片的前提下，仅利用光学切片就获得样品的三维荧光显微图像。共聚焦显微术的主要特点是，通过应用探测针孔去除非共焦平面荧光目标产生的荧光来改善图像反差。共聚焦显微镜的PSF与常规显微镜的PSF呈平方关系，分辨率的改善约为■倍。为获得满意的图像，三维共聚焦技术常需使用高强度的激发光，从而导致染料漂白，对活生物样品产生光毒性。加之结构复杂、价格昂贵，从而使应用在一定程度上受到了限制。3-DDM采用软件方式处理整个光学切片序列，与共聚焦显微镜相比，该技术采用低强度激发光，减少了光漂白和光毒性，适合对活生物样品进行较长时间的研究。利用科学级冷却型CCD传感器同时探测焦平面与邻近离焦平面的光子，具有宽的动态范围和较长的可曝光时间，提高了光学效率和图像信噪比。3-DDM拓展了传统宽场荧光显微镜的应用领域受到生命科学领域的广泛关注[6]。 选择性平面照明显微术 针对较大的活生物样品对光的吸收和散射特性，Huisken[7]等开发了选择性平面照明显微术(selective plane illumination microscopy，SPIM)。与通常需要将样品切割并固定在载玻片上的方式不同，SPIM能在一种近似自然的状态下观察2～3mm的较大活生物样品。SPIM通过柱面透镜和薄型光学窗口形成超薄层光，移动样品获得超薄层照明下切片图像，还可通过可旋转载物台对样品以不同的观察角度扫描成像，从而实现高质量的三维图像重建。因为使用超薄层光，SPIM降低了光线对活生物样品造成的损伤，使完整的样品可继续存活生长，这是目前其他光学显微术无法实现的。SPIM技术的出现为观察较大活样品的瞬间生物现象提供了合适的显微工具，对于发育生物学研究和观察细胞的三维结构具有特别意义。 结构照明技术和干涉成像 当荧光显微镜以高数值孔径的物镜对较厚生物样品成像时，采用光学切片是一种获得高分辨3D数据的理想方法，包括共聚焦显微镜、3D去卷积显微镜和Nipkow 盘显微镜等。1997年由Neil等报道的基于结构照明的显微术，是一种利用常规荧光显微镜实现光学切片的新技术，并可获得与共聚焦显微镜一样的轴向分辨率。干涉成像技术在光学显微镜方面的应用1993年最早由Lanni等提出，随着I5M、HELM和4Pi显微镜技术的应用得到了进一步发展。与常规荧光显微镜所观察的荧光相比，干涉成像技术所记录的发射荧光携带了更高分辨率的信息。（1）结构照明技术：结合了特殊设计的硬件系统与软件系统，硬件包括内含栅格结构的滑板及其控制器，软件实现对硬件系统的控制和图像计算。为产生光学切片，利用CCD采集根据栅格线的不同位置所对应的原始投影图像，通过软件计算，获得不含非在焦平面杂散荧光的清晰图像，同时图像的反差和锐利度得到了明显改善。利用结构照明的光学切片技术，解决了2D和3D荧光成像中获得光学切片的非在焦平面杂散荧光的干扰、费时的重建以及长时间的计算等问题。结构照明技术的光学切片厚度可达，轴向分辨率较常规荧光显微镜提高2倍，3D成像速度较共聚焦显微镜提高3倍。（2）4Pi 显微镜：基于干涉原理的4Pi显微镜是共聚焦/双光子显微镜技术的扩展。4Pi显微镜在标本的前、后方各设置1个具有公共焦点的物镜，通过3种方式获得高分辨率的成像：①样品由两个波前产生的干涉光照明；②探测器探测2个发射波前产生的干涉光；③照明和探测波前均为干涉光。4Pi显微镜利用激光作为共聚焦模式中的照明光源，可以给出小于100nm的空间横向分辨率，轴向分辨率比共聚焦荧光显微镜技术提高4~7倍。利用4Pi显微镜技术，能够实现活细胞的超高分辨率成像。Egner等[8，9]利用多束平行光束和1个双光子装置，观测活细胞体内的线粒体和高尔基体等细胞器的精微细节。Carl[10]首次应用4Pi显微镜对哺乳动物HEK293细胞的细胞膜上离子通道类别进行了测量。研究表明，4Pi显微镜可用于对细胞膜结构纳米级分辨率的形态学研究。（3）成像干涉显微镜(image interference microscopy, I2M)：使用2个高数值孔径的物镜以及光束分离器，收集相同焦平面上的荧光图像，并使它们在CCD平面上产生干涉。1996年Gustaffson等用这样的双物镜从两个侧面用非相干光源（如汞灯）照明样品，发明了I3M显微镜技术(incoherent, interference, illumination microscopy, I3M），并将它与I2M联合构成了I5M显微镜技术。测量过程中，通过逐层扫描共聚焦平面的样品获得一系列图像，再对数据适当去卷积，即可得到高分辨率的三维信息。I5M的分辨范围在100nm内。 非线性高分辨率显微术 非线性现象可用于检测极少量的荧光甚至是无标记物的样品。虽有的技术还处在物理实验室阶段，但与现有的三维显微镜技术融合具有极大的发展空间。（1）多光子激发显微术：(multiphoton excitation microscope，MPEM)是一种结合了共聚焦显微镜与多光子激发荧光技术的显微术，不但能够产生样品的高分辨率三维图像，而且基本解决了光漂白和光毒性问题。在多光子激发过程中，吸收几率是非线性的[11]。荧光由同时吸收的两个甚至3个光子产生，荧光强度与激发光强度的平方成比例。对于聚焦光束产生的对角锥形激光分布，只有在标本的中心多光子激发才能进行，具有固有的三维成像能力。通过吸收有害的短波激发能量，明显地降低对周围细胞和组织的损害，这一特点使得MPEM成为厚生物样品成像的有力手段。MPEM轴向分辨率高于共聚焦显微镜和3D去卷积荧光显微镜。（2）受激发射损耗显微术：Westphal[12]最近实现了Hell等在1994年前提出的受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED）成像的有关概念。STED成像利用了荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系。STED技术通过2个脉冲激光以确保样品中发射荧光的体积非常小。第1个激光作为激发光激发荧光分子；第2个激光照明样品，其波长可使发光物质的分子被激发后立即返回到基态，焦点光斑上那些受STED光损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内，于是获得了一个小于衍射极限的光点。Hell等已获得了28nm的横向分辨率和33nm的轴向分辨率[12,13]，且完全分开相距62nm的2个同类的分子。近来将STED和4Pi显微镜互补性地结合，已获得最低为28nm的轴向分辨率,还首次证明了免疫荧光蛋白图像的轴向分辨率可以达到50nm[14]。（3）饱和结构照明显微术：Heintzmann等[15]提出了与STED概念相反的饱和结构照明显微镜的理论设想，最近由Gustafsson等[16]成功地进行了测试。当光强度增加时，这些体积会变得非常小，小于任何PSF的宽度。使用该技术，已经达到小于50nm的分辨率。（4）二次谐波 (second harmonic generation, SHG)成像利用超快激光脉冲与介质相互作用产生的倍频相干辐射作为图像信号来源。SHG一般为非共振过程，光子在生物样品中只发生非线性散射不被吸收，故不会产生伴随的光化学过程，可减小对生物样品的损伤。SHG成像不需要进行染色,可避免使用染料带来的光毒性。因其对活生物样品无损测量或长时间动态观察显示出独特的应用价值，越来越受到生命科学研究领域的重视[17]。3 表面高分辨率显微术表面高分辨率显微术是指一些不能用于三维测量只适用于表面二维高分辨率测量的显微技术。主要包括近场扫描光学显微术、全内反射荧光显微术、表面等离子共振显微术等。 近场扫描光学显微术 近场扫描学光显微术(near-field scanning optical microscope, NSOM)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。由于光源与样品的间距接近到纳米水平，因此分辨率由光探针口径和探针与样品之间的间距决定，而与光源的波长无关。NSOM的横向分辨率小于100nm，Lewis[18]则通过控制在一定针尖振动频率上采样，获得了小于10nm的分辨率。NSOM具有非常高的图像信噪比，能够进行每秒100帧图像的快速测量[19]，NSOM已经在细胞膜上单个荧光团成像和波谱分析中获得应用。 全内反射荧光显微术 绿色荧光蛋白及其衍生物被发现后，全内反射荧光(total internal reflection fluorescence，TIRF)技术获得了更多的重视和应用。TIRF采用特有的样品光学照明装置可提供高轴向分辨率。当样品附着在离棱镜很近的盖玻片上，伴随着全内反射现象的出现，避免了光对生物样品的直接照明。但因为波动效应，有小部分的能量仍然会穿过玻片与液体介质的界面而照明样品，这些光线的亮度足以在近玻片约100nm的薄层形成1个光的隐失区，并且激发这一浅层内的荧光分子[20]。激发的荧光由物镜获取从而得到接近100nm的高轴向分辨率。TIRF近来与干涉照明技术结合应用在分子马达步态的动力学研究领域, 分辨率达到8nm，时间分辨率达到100μs[21]。 表面等离子共振 表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR) [22]是一种物理光学现象。当入射角以临界角入射到两种不同透明介质的界面时将发生全反射，且反射光强度在各个角度上都应相同，但若在介质表面镀上一层金属薄膜后，由于入射光被耦合入表面等离子体内可引起电子发生共振，从而导致反射光在一定角度内大大减弱，其中使反射光完全消失的角度称为共振角。共振角会随金属薄膜表面流过的液相的折射率而改变，折射率的改变又与结合在金属表面的生物分子质量成正比。表面折射率的细微变化可以通过测量涂层表面折射光线强度的改变而获得。1992年Fagerstan等用于生物特异相互作用分析以来，SPR技术在DNA-DNA生物特异相互作用分析检测、微生物细胞的监测、蛋白质折叠机制的研究，以及细菌毒素对糖脂受体亲和力和特异性的定量分析等方面已获得应用[23]。当SPR信息通过纳米级孔道[24]传递而提供一种卓越的光学性能时，将SPR技术与纳米结构设备相结合，该技术的深入研究将有可能发展出一种全新的成像原理显微镜。【参考文献】[1] 汤乐民,丁 斐.生物科学图像处理与分析[M].北京:科学出版社,2005：205.[2] Kam Z, Hanser B, Gustafsson MGL, et adaptive optics for live three-dimensional biological imaging[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:3790-3795.[3] Booth MJ, Neil MAA, Juskaitis R, et al. Adaptive aberration correction in a confocal microscope[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2002, 99:5788-5792.[4] Goldman RD,Spector cell imaging a laboratory manual[J].Gold Spring Harbor Laboratory Press,2005.[5] Monvel JB,Scarfone E,Calvez SL,et deconvolution for three-dimensional deep biological imaging[J].Biophys,2003,85:3991-4001.[6] 李栋栋,郭学彬,瞿安连.以三维荧光反卷

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