各种光学现象

1、天空为什么是蓝的:因为当太阳光进入大气后，空气分子和微粒尘埃、水滴、冰晶等会将太 阳光向四周散射。因为当微粒的直径小于可见光波长时散射强度和波长的四次方 成反比，所以波长较长的红黄等光透射性大，大局部能够直接透过大气射向地面， 而波长较短的蓝紫光，很容易被大气散射，但空气分子对紫光的吸收作用较强， 所以晴天时天空是蓝色的。吹肥皂泡时的光学现象：刚开始时，肥皂泡各处厚度较厚，发生等厚干预时各级彩色条纹重合在一起， 故显为白色，在重力的作用下，使肥皂泡上面薄下面厚，发生等厚干预时各级彩 色条纹分开，故显为彩色，当肥皂泡越来越薄，其厚度接近可见光波长时，所有 光干预相消，从而为无色透明。油膜的彩色原

2、理：光在油膜上发生等倾干预。晕：天空中有一层高云，阳光或月光透过云中的冰晶卷状云、冰雾等时发生折 射和反射，便会在太阳或月亮周围产生彩色光环，光环彩色的排序是内红外紫。 称这七色彩环为日晕或月晕，统称为晕。为什么日出日落太阳是扁的：由于地球引力的作用，大气层中的空气密度是不均匀的，越接近地面密度越 大。早晨和黄昏，太阳光是斜着通过密度不均的大气层的， 就会产生明显的折射 现象。这种折射越近地面越强，因而，从太阳这个巨大火球下部边缘射来的光线， 比它上部边缘射来的光线折射得厉害，下缘也就比上缘抬高的更显著一些。为什么天上的星星一闪一闪的：由于恒星距地球远，在地球上只能看见一个小点，当光线穿过大气

3、层时，光 线经大气要屡次折射，大气是流动的，这样星星发射的光在传到观察者眼睛的过 程中就会忽前忽后、忽左忽右、忽明忽暗，总在不时的变化，所以后一闪一闪的。 月全食时月亮缘何“脸红？“红月亮归功于暗红色的光，其实就是照射到月面上的太阳光。在地球周 围有层像薄纱似的透明度较好的大气层，阳光从地球侧面的大气中穿行时，是 先从空间进入大气层，然后，又由大气层进入空间，这样就产生了两次折射， 结果和光线透过凸透镜相仿，有点向内弯，向地心方向偏折的聚合光线就照到 月亮上去了。太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各种颜色的光线混合成 的。当太阳光经过地球上的大气层被折射到地球背后影子里去的时候，它们都 受到

4、大气层中极其微小的大气分子的散射和吸收。像黄、绿、蓝、靛、紫等色 的光波比较短，在大气中受到的散射影响比较大，它们大局部都向四面八方散 射掉了；红色的光线波长比较长，受到散射的影响不大，可以通过大气层穿透 出去，折射到躲在地球影子后面的月亮上。所以，在月全食时，公众看到的月亮 是暗红色的，即所谓的“红月亮。插入水中的筷子在水面处“弯折光从空气进到水里，因为水的密度比空气大得多，于是，在水和空气相交处 发生折射，不再沿着原来的方向转播。把筷子伸进水里时，我们眼睛看到的是水 下那局部已经发生折射的光线。这股光线当然不会与水面上的光线成一条直线， 所以筷子没有断，但是看起来却像断了一样。海市蜃楼海市

5、蜃楼是自然发生的光学现象，它将光线偏折而在遥远的距离或天空中生 成虚像。在大气科学中称为 蜃景。相对于幻觉，海市蜃楼是一种真实的光学现象， 由于观测到的位置是由实际光线折射形成的虚像，它可以用照相机来捕捉影像。 然而，会出现什么样的影像全由人类心灵解释的能力来确定。例如，在地面的上蜃景非常容易被误认为来自一小片水洼的反射。蜃景可以分类为"下蜃景"意思是低、"上蜃景"意思是高和"复杂蜃景"，一种包含一系列异常复杂，垂 直堆栈影像，形成快速变化蜃景的上蜃景。成因：冷空气的密度比暖空气大，因此有较大的折射率。当光线由冷空气进入有着 明确边界

6、的暖空气，光线会弯曲偏离温度梯度的方向；当光线由暖空气进入冷空 气，它们会偏向接近梯度的方向。如果接近地面的空气比更上面的温暖， 光线会 弯曲成朝上呈现凹线的轨迹。一旦光线抵达观测者的眼睛，视觉皮层将解释成它是沿着 "视线"笔直的前 进，然而这条线只是它抵达人眼处弧线的切线方向。结果是天空上的下蜃景似乎 是在地面上。观测者可能会错误的解释这些景象是水反射至空中的， 对大脑而言， 这是较为合理和常发生的。在地面的空气比上层微冷的状况，光线会被偏折朝下，产生 "上蜃景"。"宁静"状态的地球大气层垂直梯度大约是高度每升高 100米，温度变化

7、-C 数值是负的是因为温度随高度增加而降低。发生蜃景的温度梯度必须比这个大 许多。这个温度梯度的量级至少是每米 2C,而要到达每米4C或5C才会出现 明显的蜃景。这些条件常出现在被强力加热的地面， 例如，当太阳一直照耀着砂 或沥青，通常就会生成下蜃景的景象。* q 12*晚霞余晖晚霞余晖是日落后于苍穹上所展现的白色或玫瑰色的光晖， 其因为太阳光斜 照至地球时遇到悬浮在大气层高处的细小尘粒产生散射而成， 而其通常会在日落 后在云层最高处之上形成。极光极光(Aurora或Polar light 或Northern light)出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。 而地球的极光，由

8、来自地球磁层或太阳的 高能带电粒子流(太阳风)使高层大气分子或原子激发(或电离)而产生。极光 不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。原理：过去的理论在过去，有些理论被用来解释这种现象，但现在都已经过时了。? 本杰明？富兰克林(Benjamin Franklin )的理论：神奇的北极光是浓稠 的带电粒子和极区强烈的雪和其他的湿气作用造成的。? 极光的电子来自太阳发射的光束。这是克利斯蒂安柏克兰在1900年提出 的说法，她在实验室用真空室和磁化的地球模型， 显示电子是如何被引导至极区。 这个模型的问题包括本身缺乏在极区的极光、负电荷本身自行散射这些光束、而 且在近期内仍然缺

9、乏任何太空中的观测证据。? 破水桶理论：极光是溢流出的辐射带，这是詹姆斯范艾伦和工作伙伴大 约在 1962 年首先提出的。他们指出在辐射带内获得的巨大能量很快就会在极光 的漫射中耗尽。 不久之后， 很明显的陷在辐射带内的都是高能的带正电离子， 而 在极光内几乎都是能量较低的电子。? 极光是太阳风中的粒子被地球的场线引导至大气层顶端造成的 , 这适用 于极光的尖点，但在间点之外，太阳风没有直接的作用。另一方面，太阳风的能 量主要都留驻在带正电的离子，电子只有0.5eV，而在尖点上会上升至50-100eV, 这仍然远低于极光的能量。现代的理论根据美国国家航空航天局“瑟宓斯卫星任务 (2007/12

10、)(Themis mission ) 传回的新数据， 科学家发现太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球， 碰到北极 上空磁场时又形成假设干扭曲的磁场， 带电粒子的能量在瞬间释放， 以灿烂眩目的 北极光形式呈现， 而地球的极光主要只有红、 绿二色是因为在热成层的氮气和氧 原子被电子撞破，分别发出红色和绿色光。这项研究是由美国加州大学洛杉矶分校的安吉罗波洛斯主持， 其研究结果已 于 2007年 12月 9日在“美国地球物理联合会的学术会议中发表。瑟密斯卫星任务的 5个人造卫星群 2007年 2月成功发射升空， 3月在阿拉斯 加和加拿大上空侦测到北极光出现两小时， 同一时间卫星也侦测到带电粒子流接 触

11、到北极磁场。 而让安吉罗波洛斯惊讶的是， 带电粒子和磁场接触形成的地磁风 暴以每分钟 650 公里的速度掠过空中，威力相当于芮氏规模 5.5 的地震。科学家早就疑心， 北极光的能源来自带电粒子与北极磁场接触产生的扭曲磁 场，但这个理论一直到 2021年5月才获得证实，当时瑟密斯任务的卫星群从地 球上空 6 万多公里首度测到扭曲磁场的结构。极光是地球周围的一种大规模放电的过程。 来自太阳的带电粒子到达地球附 近，地球磁场迫使其中一局部沿着磁场线( Field line )集中到南北两极。当他 们进入极地的高层大气时， 与大气中的原子和分子碰撞并激发， 产生光芒， 形成 极光。 3在北半球观察到的

12、极光称北极光，南半球观察到的极光称南极光，经常出现 的地方是在南北纬度 67 度附近的两个环带状区域内，阿拉斯加的费尔班克斯 (Fairbanks )一年之中有超过 200 天的极光现象，因此被称为“北极光首都 。彩云彩云(Iridescent Clouds )通常为一种荚状云，具有明亮点或彩色边缘， 其色彩称之为云彩(Irisation 或Cloud Iridescenee ),常见的色彩是桃红色 或绿色，位在距太阳附近的云上。彩云的形成为一种“衍射现象(Diffraction)， 其云彩为大型日华的片段，但比例过小，无法观察出圆弧1。形成原因：日光通过带有水滴微粒悬浮的薄云时，水滴使得通过

13、的光产生不同方向的衍射，衍射的光彼此干预，光波相结合处会看到明亮的光，相抵消处的光线较暗。 不同色光的衍射角度不同，一种色光的明亮区在另一种色光的阴暗区显现出来， 渐次形成色彩次序。在离太阳愈远的地方色彩愈淡。由于云朵为不规那么片状分布， 因此产生不规那么片状的艳丽彩云。形成条件：? 位在距离太阳10至40度的云。? 云为带有均匀小水滴的薄云，如高积云、卷积云，尤其是荚状云，罕见 如珠母云那么会形成非常明亮的彩云。? 天气晴朗的白天。彩虹彩虹，又称天虹，简称 虹，是气象中的一种光学现象，当太阳光照射到半空 中的水滴， 光线被折射及反射， 在天空上形成拱形的七彩的光谱， 彩虹的七彩颜 色究竟是哪

14、七种有不同的说法， 东亚、中国对于七色光来说最普遍的说法是 从 外至内：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫或红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。只要有空气中有水滴，而阳光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生 可以观察到的彩虹现象， 彩虹最常在下午， 雨后刚转天晴时出现， 这时空气内尘 埃少而充满小水滴， 天空的一边因为仍有雨云而较暗， 而观察者头上或背后已没 有云的遮挡而可见阳光， 这样彩虹便会较容易被看到。 另一个经常可见到彩虹的 地方是瀑布附近， 在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾， 亦可以制造 人工彩虹。原理： 彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。阳光射 入水滴时会同

15、时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以 40 至 42 度的反射最为强烈，造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水 滴，先折射一次，然后在水滴的反面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水 对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，红光的折射率比蓝光大， 而蓝光的偏向角度比红光大。 由于光在水滴内被反射， 所以观察者看见的光谱是 倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。“霓是与“虹相对应的一种自然现象。 虹是下雨天以及在雨后天晴之际， 阳光穿透还剩余在空气中的水珠而发生折射， 散射出七彩的光芒。 彩虹形状多为 弧形，出现在和太阳相对着的方向， 从外半径大的 弧至内弧的颜色依次为红、 橙、黄、绿、蓝、靛、紫。霓也叫“副虹 ，形成与彩虹原理大致相同，只是光 线在水珠中的反射多了一次，彩带排列的顺序和彩虹相反，红在内，紫在外。彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象， 彩虹看起来的所在位