科學：小學教師指南/光
機械波和電磁波是能量在周圍世界傳播的兩種重要方式。水波和空氣中的聲波是機械波的兩個例子。機械波是由固體、氣體、液體或等離子體中物質的擾動或振動引起的。波傳播的物質被稱為介質。水波是由液體中的振動形成的，聲波是由氣體（空氣）中的振動形成的。這些機械波透過使分子相互碰撞在介質中傳播。聲波無法在太空真空中傳播，因為沒有介質來傳輸這些機械波。
為了讓我們能夠看到任何東西，必須有光。光可以來自光源，也可以是反射光。所有光源都是自然光源或人造光源。我們星球的主要光源是太陽。雖然恆星也發光，但太陽是最接近地球的恆星，它給了我們光源。雖然月亮發光並給我們光，但它不是光源，因為月亮只是反射太陽的光。自然光源[還包括]螢火蟲和火等。人造光源包括[電燈，如白熾燈、熒光燈、霓虹燈或 LED，以及化學光，如熒光棒。反射光就在我們周圍，從物體上反射到我們的眼睛裡，讓我們感知到周圍事物的大小和顏色。]光是一種輻射能量，我們的眼睛可以從電磁波譜的可見部分看到它。這個詞通常指的是可見光，它是人眼可見的，是視覺感知的來源。在物理學中，術語光有時指的是任何波長的電磁輻射，無論是可見的還是不可見的。伽馬射線、X射線、微波和無線電波也可以被認為是光，即使我們看不見它們。
光是一種能量形式。光以波的形式傳播。這些波是由相互交織的電場和磁場組成的。因此，光被稱為電磁輻射。光的能量由其波長決定。波長較短的光具有更多能量，而波長較長的光具有較少的能量。我們的眼睛只能看到可見光。可見光只是電磁波譜的一小部分。如果光的波長比我們眼睛能看到的略短，它對我們來說是不可見的，但它仍然是真實存在的。這種光被稱為紫外線。波長比紫外線短的光屬於光譜的 X 射線部分。波長最短的光波被稱為伽馬射線。波長比我們能看到的紅色略長的光被稱為紅外線。比紅外線更長的光波被稱為微波。波長最長的被稱為無線電波。
電磁波譜按波長從長到短排列，能量從少到多。（無線電-伽馬）
- 無線電波（我們如何在車裡聽音樂）
- 微波（我們產生微波來重新加熱食物。瞭解更多資訊請訪問 https://www.youtube.com/watch?v=kp33ZprO0Ck)
- 紅外線（由蝮蛇檢測到，用於熱成像儀）
- 可見光（彩虹的所有顏色）
- 紫外線（被某些動物視為光；會導致曬傷）
- X 射線（高能波，可以穿透我們的組織，讓我們看到身體內部）
- 伽馬射線（我們認為的“放射性”物質）
紫外線
- 已知是 EM 光譜中不可見的部分。紫外線是一種電磁輻射。紫外線來自太陽，對人眼不可見。
紅外線
- 紅外線對人眼本身不可見。幸運的是，藉助紅外相機等裝置，我們可以從溫暖的物體（如人類和動物）中看到它們。
- 宇宙尺度影片：http://htwins.net/scale2/ 是對電磁波以及宇宙中其他物體和現象的大小進行視覺描述的絕佳方法。
- 這裡有一個關於電磁波譜的影片：https://www.youtube.com/watch?v=cfXzwh3KadE
電磁波的速度
- 光的速度大約為 300,000 公里/秒 = 186,000 英里/秒。
- 我們在地球上看到的陽光實際上是在大約 10 分鐘前離開太陽的。
波長
- 波峰到波峰或波谷到波谷之間的距離。
頻率
- 每秒經過給定點處的波數，或每秒的振動次數
- 短波長（與高頻相關）
- 長波長（與低頻相關）
波長和頻率之間存在反比關係
- 速度 = 波長 * 頻率 光速是恆定的，因此
- 波長增加 --> 頻率降低
- 波長降低 --> 頻率增加
- 波長增加 --> 頻率降低
要看到任何不發光的物體，必須滿足 3 個條件:
- 必須有光源
- 光必須照射到物體上
- 光必須反射到你的眼睛
- 你知道太陽不僅是光源，而且還會發射不可見的電磁波嗎？事實上，太陽輻射從低頻無線電波到高頻伽馬輻射的所有東西。地球的磁場、臭氧層和大氣層過濾了一些輻射。太陽光中的輻射實際上對我們的健康很重要，因為它使我們的身體能夠合成維生素 D，但過度暴露在陽光下（特別是紫外線輻射）會導致曬傷，甚至導致皮膚癌。
- 光往往以非常快的速度沿直線傳播，事實上光的速度約為每秒 186,000 英里。但到底有多直？信不信由你，光在遇到彎曲它的東西之前會完美地沿直線傳播。這些直線光路被稱為光線。
- 我們看到不同顏色的光的原因是，我們的眼睛中有三種類型的受體（視錐細胞），它們對不同的波長有反應。我們的大腦將來自視錐細胞的輸入解釋為不同的顏色陰影。
- 如何控制光？
- 光可以透過三種方式控制，即阻擋它、反射它或彎曲它。光的產生、控制和檢測方式有很多，其中許多方式每天都在我們周圍。這裡只列舉一些：相機、眼睛、掃描器、雙筒望遠鏡、影印機、網際網路資料傳輸和衛星。
即使我們無法觸控物體，也可以用光來確定物體的組成。這可以透過測量物體發出的光來實現。當光被物體吸收時，該物體的電子將發出一種非常特定的顏色的光。這對於每個原子都是正確的。我們能夠透過分析物體的顏色來確定物體的組成，是因為不同的原子發出不同的顏色。例如，當氫原子中的電子躍遷到較高能級時，它發射的光的顏色（能量）與氦原子中的電子躍遷到較高能級時不同。這兩個物體將發出兩種不同的顏色，這將有助於人們確定這兩個物體的組成。這些顏色的分析可以使用分光計進行。
反射
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反射是指能量波從物體表面彈回。反射光總是以與它撞擊表面的相同角度離開反射表面。入射角 = 反射角。例如，你可以想象一個球彈跳。如果你直接向下掉一個球，它會直接彈回來。如果你以一定角度彈跳它，它會以一定角度彈回來。在小學，你可能會在孩子們玩耍時看到這種現象，比如孩子們彈球。
入射角 - 你扔球的角度 反射角 - 球彈回的角度
這兩個角度總是相等的。
偏振光
[edit | edit source]偏振光只允許垂直、水平或垂直方向的光線透過。
有四種類型的偏振。
1. 反射（光） 例如，眩光就是光的反射（反射是指光照射到物體上時反彈）。 2. 散射（光） 例如，彩虹就是光的散射。（紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫是彩虹的顏色，白光是這七種顏色組成的。）下雨的時候，雨滴會折射陽光，形成白光稜鏡，從而形成彩虹。） 3. 二向色性（晶體） 例如，一種叫做電氣石的晶體，在來回移動到兩個方向時會呈現不同的顏色。 4. 雙折射（晶體） 例如，來自冰島晶體的方解石會發生雙折射（彎曲），並且對垂直、水平或垂直方向的光具有優先性。
這是一個有趣的 YouTube 影片，解釋了偏振光入門。 https://www.youtube.com/watch?v=e8aYoLj2rO8
折射
[edit | edit source]折射是指能量波在從一種物體傳播到另一種物體時發生彎曲（改變方向和速度）。
- 當光線穿過密度更大的材料時，它們會向內彎曲
- 當光線穿過密度更小的材料時，它們會向外彎曲
- 隨著光速在較慢的介質中減慢，波長會縮短。
- 光線並非在所有介質中都沿相同方向傳播。
透射
[edit | edit source]透射是指光線穿過或透過某種物質或物體，而不被吸收。
光線可以透過的材料示例：
- 透明玻璃
- 玻璃窗
透鏡
[edit | edit source]透鏡在世界各地廣泛應用。
透鏡的例子包括：
- 雙筒望遠鏡
- 手電筒
- 望遠鏡
透鏡到底是什麼？
透鏡是一種透射光學器件，光線透過折射（光線發生彎曲）分散。
透鏡可以是一塊透明的玻璃或塑膠，具有一個或多個曲面。
透鏡有兩種型別：
- 凸透鏡（會聚）：影像始終顯得更大
- 凹透鏡（發散）：影像始終顯得更小
其他型別的透鏡包括：
- 複合透鏡：兩個或多個透鏡的組合
關於透鏡的一些事實：
- 平行光線穿過透鏡最厚的部分。
- 這些平行光線穿過透鏡後會聚在一起，形成焦點。
- 透鏡的功率以焦距衡量。
- 透鏡的焦距是指從透鏡中心到它聚焦光線的位置的距離。
- 焦距越短，透鏡的功率越大。想想你需要將放大鏡離物體多近才能使物體對焦。顯微鏡透鏡離物體多近才能使物體對焦？
這是一個關於凹透鏡和凸透鏡的影片： https://www.youtube.com/watch?v=4zuB_dSJn1Y
透明、半透明和不透明材料
[edit | edit source]當光線照射到任何物體上時，光線可以：
- 穿過
- 被反射
- 被吸收並轉化為熱量
透明材料
- 透明，允許所有或大部分光線透過，很少被吸收或反射。
例如：空氣、透明玻璃、清水
半透明材料
- 反射和吸收一些光線，但允許大部分光線透過。
例如：浴室使用的磨砂玻璃或塑膠
不透明材料
- 不允許任何光線透過，所有能量都被吸收或反射，並轉化為熱量。
例如：書、木頭、車門
陰影
[edit | edit source]陰影是指光源發出的光線被不透明物體遮擋而形成的黑暗區域。它佔據了物體前部有光線，物體後部所有的三維空間。陰影的橫截面是一個二維的輪廓，或者說是遮擋光線的物體的反向投影。
點光源和非點光源
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點光源只投射出一個簡單的陰影，稱為“本影”。對於非點光源或“擴充套件”光源，陰影分為本影、半影和偽本影。光源越寬，陰影的失真程度越大。如果兩個半影重疊，陰影看起來會融合在一起。這被稱為陰影水泡效應。
透過跟蹤擴充套件光源最外端區域釋放的光線，可以找到陰影區域的輪廓。本影區域沒有接收來自光源任何部分的直接光線，是最暗的區域。位於本影區域的觀察者無法直接看到光源的任何部分。
相反，半影被光源的某些部分照亮，使其具有半亮的光強度水平。位於半影區域的觀察者可以看到光源，但它被投射陰影的物體部分遮擋。
如果有多個光源，就會有多個陰影，重疊的部分更暗，亮度或顏色會有不同的組合。光線越漫射，陰影輪廓就越柔和、越模糊，直到消失。陰天天空的光線幾乎不會產生可見的陰影。
外太空真空環境中缺乏漫射的大氣效應，會產生平坦、輪廓分明、明暗邊界鮮明的陰影。
對於接觸投影陰影表面的物體或人（例如站在地上的物體或地上的杆子），陰影在接觸點會匯聚。
陰影除了失真外，還顯示出與從太陽側看物體時的輪廓相同的影像，因此從另一側看，輪廓的映象。
本影
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本影（拉丁語意為“陰影”）是陰影最內側也是最暗的部分，光源被遮擋物完全遮擋。例如，不透明物體不透光。位於本影區域的觀察者會經歷日全食。圓形物體遮擋圓形光源的本影會形成一個直角圓錐體；對於位於圓錐體頂端的觀察者來說，這兩個物體在視大小上是相等的。從月球到其本影頂端的距離大約等於月球和地球之間的距離。由於地球的寬度是月球的 3.7 倍，因此其本影延伸的距離相應地更遠，大約為 140 萬公里。
半影（源於拉丁語paene“幾乎，接近”）是指光源的一部分被遮擋物遮擋的區域。在半影中的觀察者會體驗到部分日食。另一種定義是，半影是部分或全部光源被遮擋的區域（即本影是半影的一個子集）。例如，美國宇航局的導航與輔助資訊設施定義了，位於本影中的物體也位於半影中。
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偽本影（源於拉丁語ante，“之前”）是指遮擋物完全位於光源圓盤內的區域。在這個區域中的觀察者會體驗到日環食，此時可以在遮擋物周圍看到一個明亮的光環。如果觀察者更靠近光源，遮擋物的外觀大小會增加，直到它造成完整的本影。
光由光波長組成，每種波長對應一種特定的顏色。我們看到的顏色是光波長反射回我們眼睛的結果。光可以用來確定物體的組成成分，即使我們無法觸碰它。可見光是電磁輻射的一種形式，無線電波、紅外輻射、紫外輻射、X射線和微波也是如此。通常由一系列波長組成，每種顏色的光都有其獨特的波長。光由七種顏色組成，傳統上在光譜中識別：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。這些顏色的首字母通常用作首字母縮略詞，形成ROY G. BIV這個名稱，以幫助學習可見光譜的顏色順序。白光是所有可見波長的混合體。黑是它們的缺失。
光從一種介質傳播到另一種介質時會發生折射或彎曲，當它以斜角穿過稜鏡（一塊三角形透明材料，如玻璃或塑膠）時，它會呈現出光譜的顏色。短光波比長光波彎曲得更多，導致顏色分離成從紫羅蘭（最短波長）到紅（最長波長）的模式。當來自稜鏡的彩色光線聚焦到第二個稜鏡時，彩色光的模式會再次組合形成白光，驗證了白光是各種顏色的光的混合物。地球上的主要光源是太陽。陽光提供綠色植物用來製造糖（主要是澱粉）的能量，澱粉將能量釋放到消化它的生物體內。光合作用過程提供了生物體使用的幾乎所有能量。在歷史上，火是人類的另一個重要光源，從古代的篝火到現代的煤油燈。隨著電燈和電力系統的開發，電照明有效地取代了火光。一些動物物種會產生自己的光，這一過程稱為生物發光。例如，螢火蟲利用光來尋找配偶，而吸血烏賊則利用光來躲避獵物。
在傳統的表示中，互補色對由一種原色（黃、藍或紅）和一種間色（綠、紫或橙）組成。例如，黃色是原色，畫家可以透過混合紅色和藍色來製作紫色；[1] 所以當黃色和紫色顏料混合時，三種原色都存在。由於顏料透過吸收光線起作用，所以三種原色同時存在會導致黑色或灰色（減色混合）。在最近的繪畫手冊中，更精確的減色原色是洋紅、青色和黃色。
互補色可以產生一些醒目的視覺效果。物體的陰影似乎包含一些互補色。例如，紅蘋果的陰影似乎包含一些藍綠色。這種效果經常被畫家模仿，他們希望創造出更明亮、更逼真的陰影。此外，如果你長時間（30秒到1分鐘）盯著一個方塊的顏色看，然後看一張白紙或牆壁，你將會短暫地看到一個殘像，它的顏色是該方塊的互補色。
RGB顏色模型，發明於19世紀，並於20世紀得到充分發展，它使用紅色、綠色和藍色的光線組合，在黑色背景上產生計算機顯示器或電視螢幕上看到的顏色。在RGB模型中，原色是紅、綠和藍。互補的原色-間色組合是紅-青色、綠-洋紅和藍-黃。在RGB顏色模型中，兩種互補色的光線，如紅色和青色，以全強度混合在一起，會產生白光，因為兩種互補色包含具有全光譜範圍的光線。如果光線不是全強度，則產生的光線將是灰色。
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當陽光穿過大氣層時，一些光波會被空氣中的分子以及塵埃和煙霧顆粒散射。此外，紫羅蘭和藍色光波非常短，這意味著它們可以被非常小的顆粒散射，甚至可以被單個氧原子或氮原子以及其他空氣分子散射。你可能會想知道為什麼有些日子天空看起來更藍。當你向上看天空時，你看到藍色是因為主要是藍色的光波被散射到天空（紅色和黃色繼續向著地球）。當空氣中存在大量煙霧和塵埃顆粒時，較長的光波（即紅色、黃色和橙色）也會被散射，天空呈現出灰色或白色（並且更暗，因為許多光線都被散射了）。雷雨過後，天空可能會再次呈現出特別藍的顏色，因為雨水沖刷了大氣中的煙霧和塵埃顆粒。
地球持續自轉，所以暴露在陽光下的部分會隨著時間的推移而發生變化。在任何時刻，太陽都會在某個地方升起，在另一個地方直射頭頂，在星球的另一部分落下。日落和日出通常是紅色或黃色。當太陽靠近地平線（早晨和晚上）時，光線相對於地球以更大的角度傳播，因此光線穿過更多的大氣，更多的光線會被塵埃散射。藍光首先被散射，然後是更長的波長，如紅色、橙色和黃色，可能會被散射。如果它們被散射，那麼最終結果是天空出現美麗的暖色調。如果大氣中存在更多煙霧或塵埃，日出和日落會更紅。
當一個人看像大海或海灘那樣的大片水體時，你實際上看到的是藍天反射的影像，而不是水本身的顏色。事實上，水分子會吸收紅光，紅光會被水移除，以及紅光的互補色。最終結果是我們可能在湖泊或河流中看到的藍綠色。
為什麼在炎熱的夏季人們通常會穿淺色衣服？
讓我們用淺色衣服、熱量和一些水來做實驗，看看結果。
你需要什麼
- 2 個相同的飲水杯或罐子
- 水
- 溫度計
- 2 根橡皮筋或一些膠帶
- 白紙
- 黑紙
說明
1. 用橡皮筋或膠帶將白紙包裹在罐子或飲水杯上。2. 對黑紙和另一個罐子做同樣的事情。3. 在兩個罐子裡裝入相同數量的水。4. 將兩個罐子放在陽光下相同的時間，並記錄你每小時看到的情況。
發生了什麼？
像黑紙這樣的深色表面比白紙吸收更多光和熱。現在測量溫度，它們相同還是不同？黑紙罐比白紙罐更熱。
學習如何用這個有趣的兒童科學實驗製作彩虹。
只需使用一些簡單的日常用品，你就可以瞭解彩虹的工作原理，同時享受一個適合兒童的互動式動手活動。
你需要什麼
1. 一杯水
2. 白紙
3. 晴朗的一天
說明
1. 將一杯水和紙張拿到房間裡陽光照射的地方。
2. 將一杯水（小心不要灑出來）放在紙的上方，觀察陽光穿過水杯，折射（彎曲），在你的紙張上形成彩虹。
3. 嘗試將水杯放在不同的高度和角度，看看是否會有不同的效果。
發生了什麼
雖然你通常會看到彩虹在天空中的弧形，但它們也可能在其他情況下形成。你可能在噴泉或瀑布的霧氣中看到過彩虹，你甚至可以像在這個實驗中一樣自己製作彩虹。
當陽光穿過雨滴時折射（彎曲），就會在天空形成彩虹，它穿過你的水杯時也會以同樣的方式起作用。陽光折射，將它分成紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍色和紫色。
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- 半杯水
- 一根吸管
- 2 隻眼睛（最好是你的！）
- 從杯子的頂部和底部觀察吸管。
- 從杯子的側面觀察吸管，並專注於吸管進入水的點。你看到的東西有什麼奇怪的地方？
我們的眼睛一直在用光來觀察各種物體，但是當光穿過不同的介質（如水和空氣）時，它會稍微改變方向。光在從水到空氣中穿過時會折射（或彎曲）。吸管看起來彎曲是因為你透過水和空氣看到了吸管的底部，但只通過空氣看到了吸管的頂部。空氣的折射率約為 1.0003，而水的折射率約為 1.33。
試試這個快速測驗，測試你透過閱讀本章學到了什麼！
- ↑ Hammond, Lee (2006). 用 Lee Hammond 畫丙烯畫. 北光圖書。 ISBN 9781600615801.