高中化学/光的波形

我们整个宇宙是由物质构成的，物质是指具有质量并占据空间的任何东西。你现在已经知道物质是由称为原子的微小积木组成的，而这些微小的积木又由称为质子、电子和中子的更小的亚原子粒子组成。物质无处不在，你可以利用原子或亚原子的物质描述来理解任何东西，从你身体的细胞到地球！

任何你可以拿在手里或触摸的东西都是物质。但我们的宇宙还包含着其他的东西——一些你无法真正触碰的东西，但你可以肯定地看到（事实上，没有它你根本看不到！），而且你经常能感受到它。它不是物质，因为它没有任何质量，也不占据任何空间。尽管如此，它对我们的日常生活至关重要，我们当然也给它起了个名字。你能想到它是什么吗？如果你现在还没有猜到，答案就是光。

想想看，你能用我们迄今为止在物质和宇宙研究中考虑过的任何想法来谈论光吗？光没有任何质量。光也不占据任何空间。试着把你的手伸进手电筒发出的光束中。你的手会直接穿过，就像那里什么都没有！然而那里一定存在着某种东西……否则你怎么解释你看到的“亮度”？如果你难以理解光并试图准确地定义光是什么，你不是一个人。科学家们也无法解释光。事实上，我们真正了解光只有大约 100 年的时间。

学习目标

定义波形能量中的波长和频率。
说明电磁辐射中波长和频率之间的关系。
说明电磁波谱中特定颜色的波长和频率之间的关系。

波形能量

能量的波动模型可以通过绳子上的波来部分演示。假设我们将一根绳子的一端系在一棵树上，然后用手拿着另一端，使绳子完全伸展。

如果我们然后以有节奏的方式上下拉动绳子的一端，我们正在拉动的绳子的一端就会上下运动。当我们拉动的绳子部分上下运动时，它就会拉动相邻的绳子部分，使其也上下运动。上下运动将传递到绳子的每一部分，因此经过短时间后，整根绳子将包含如图 5.1 所示的波。图中红色虚线表示在波开始之前绳子未受干扰的位置。波峰上方凸起的部分称为波峰，波谷下方凹陷的部分称为波谷。重要的是，你要认识到绳子的单个粒子不水平移动。绳子的粒子只上下移动，如果让波消散，绳子的所有粒子将完全处于波开始之前的位置。绳子上的每个凸起部分都会从人到树水平移动，但绳子的粒子只垂直移动。通过上下拉动绳子输入的能量也从人到树水平移动。绳子的某些部分水平移动的感觉是一种视觉错觉。

如果我们以不同的节奏上下拉动绳子，绳子上的波在波峰高度、波峰间距离等方面的外观会发生变化，但波的一般形状保持不变。我们可以用一些测量值来描述绳子上的波。绳子的瞬间照片将冻结它，因此我们可以指示一些特征值。

从一个波峰到下一个波峰的距离称为波的波长（图 5.2）。你也可以测量从一个波谷到下一个波谷的波长，或者事实上，测量连续波的任何两个相同位置之间的距离。波长的符号是希腊字母 lambda，λ。从波峰的最高点到未受干扰位置的距离称为波的振幅。如果我们测量一个波峰在单位时间内水平移动的距离，我们就可以测量波的速度。速度的单位是正常的米/秒。我们还需要确定一个称为频率的非常重要的波特征。如果我们在波路径上选择一个确切的位置，并统计每单位时间经过该位置的波峰数量，我们就能得到频率值。在日常生活中，频率值通常以“周期/秒”或“波/秒”表示，但当你尝试在计算中使用这些单位时，词语“周期”或“波”将不会抵消。频率的正确单位在分母中包含秒，在分子中包含“1”。它简单地是 1/s 或 s⁻¹。这个单位被称为“赫兹”。频率通常以赫兹表示，但当你将数字代入数学公式并希望跟踪单位时，最好以 s⁻¹ 为单位表示频率。频率的符号是希腊字母 nu，ν。不幸的是，这个希腊字母与斜体字 v 非常相似。在阅读方程式时，你必须非常小心，确保它们是表示速度，v，还是频率，ν。为了避免这个问题，本材料将使用小写字母 f 作为频率的符号。波的速度、波长和频率之间的关系由公式 v = fλ 表示。如果波长以米为单位，频率以 s⁻¹ 为单位，那么波长乘以频率将得到 m/s，这是速度的单位。

电磁波

电磁辐射（光）波有点像绳子上的波……除了没有绳子。光波不需要介质传播。它们可以通过真空传播，这一点显而易见，因为它们来自太阳。电磁波的能量沿着波的路径直线传播，就像绳子上的波的能量一样。移动的光与之相关联的是振荡的电场和振荡的磁场。这意味着，沿着波的直线路径，存在一个正电场，它将达到最大正电荷，然后缓慢地坍缩到零电荷，然后扩展到最大负电荷。沿着电磁波的路径，这个变化的电场会一遍又一遍地重复其振荡电荷。还有一个变化的磁场，它从最大北极场振荡到最大南极场。当科学家试图绘制一张图片来表示这个概念时，他们使用了与绳子波和水波相同的图片。

你不应该认为光以这种波动的方式传播。光沿着代表未受干扰位置的红色直线传播。对于电磁波来说，波峰和波谷代表的是振荡场，而不是光的路径。我们仍然可以用它们的波长、频率和速度来描述光波，但这些数值将与水波和绳子波有很大不同。

在电磁波传播路径上的某个点，电场将达到最大值（波峰），然后，随着电磁波继续沿直线路径传播，电场将减小，通过零点，增加到最大波谷，再次回落到零，然后扩展到另一个最大波峰。我们可以在波的路径上测量，波从一个波峰到下一个波峰传播的距离，这个距离就是波的波长。电磁波的频率与绳波的频率的确定方式相同，即在单位时间内通过一个点的完整循环的次数。电磁波（在真空中）的速度对所有波来说都是一样的，无论频率或波长如何。每种电磁波在真空中都有 3.00×10⁸ m/s 的速度。电磁波在空气中的速度略低于真空中，但非常接近，所以我们将使用真空中的速度值。真空中的光速用小写字母 c 表示。电磁波速度、波长和频率的关系为 c = λf。

在绳波和水波中，波所具有的能量与波的振幅有关；如果绳子的末端上下抖动得更高，那么绳子中就会投入更多的能量。但是，在电磁辐射中，波所具有的能量只与波的频率有关。事实上，电磁波的频率可以直接转换为焦耳能量，方法是乘以一个转换因子。该转换因子被称为 **普朗克常数**，等于 6.63×10⁻³⁴ J·s。有时，普朗克常数的单位用焦耳/赫兹表示，但你可以计算一下，你会发现这些单位是一样的。频率转换为能量的公式为 E = hf，其中 E 是焦耳表示的能量，h 是 J·s 表示的普朗克常数，f 是 s⁻¹ 表示的频率。

电磁频谱

电磁波的波长、频率和能量范围非常广。能量最高的电磁波形式是伽马（γ）射线，而能量最低的形式（我们已经命名）是无线电波。

图 5.3 的最左边是能量最高的电磁波。这些被称为伽马射线，对生物系统来说可能非常危险，数量庞大时尤其如此。能量第二低的电磁波形式被称为 X 射线。你们大多数人已经熟悉了这些波的穿透能力。它们也可能对生物系统造成危险。建议人们尽量减少每年接受的医疗 X 射线次数。接下来，能量更低的是紫外线。这些射线是阳光的一部分，紫外线范围的上限会导致晒伤，甚至皮肤癌。光谱中接下来的微小部分是可见光范围...这一部分在图的下半部分被大大扩展，以便可以更详细地讨论。可见光范围的电磁辐射是人眼可以感知的频率。光谱中更低的是红外线和无线电波。

可见光范围内的光能量是电磁波，当这些频率进入眼睛时会导致人眼做出反应。眼睛向大脑发送信号，个体就会“看到”各种颜色。可见区域中能量最高的波会导致大脑看到紫色，随着能量的降低，颜色会变为蓝色、绿色、黄色、橙色和红色。当波的能量高于或低于可见光范围时，眼睛就不会对它们做出反应。当眼睛同时接收到几个不同的频率时，大脑会将这些颜色混合在一起。如果所有频率的光一起照射到眼睛，大脑就会看到白色，如果没有可见频率照射到眼睛，大脑就会看到黑色。你周围看到的物体都是光的吸收体 - 也就是说，物体表面上的化学物质会吸收某些频率而不吸收其他频率。你的眼睛检测到照射到你眼睛的频率。因此，如果你的朋友穿着红色衬衫，这意味着衬衫中的染料吸收了除红色以外的所有频率，而红色频率被反射了。如果你的唯一光源是蓝光的精确频率，你把它照射在一件在阳光下是红色的衬衫上，那么衬衫会显示为黑色，因为没有光会被反射。荧光灯的光线不包含阳光中的所有频率，所以商店里的衣服可能看起来与你回家后略有不同。

课程总结

光的一种模型是波形电磁辐射。
波形的光具有波长 λ、频率 f 和速度 c。
波长的单位是米，频率的单位是 s⁻¹ 或赫兹。
完整的电磁辐射光谱以无线电波作为其能量最低、频率最低、波长最长的端，以伽马射线作为其能量最高、频率最高、波长最短的端。
我们看到的物体的颜色是物体反射的所有光频率的混合。

复习题

在以下语句中选择正确的词。蓝光的波长比红光 (更长或更短)。
在以下语句中选择正确的词。黄光的频率比蓝光 (更高或更低)。
在以下语句中选择正确的词。绿光的能量比红光 (更大或更小)。
如果“光 A”的波长比“光 B”更长，那么“光 A”比“光 B” _______________ 。
(a) 频率更低

(b) 频率更高

(c) 频率相同
如果“光 C”的波长比“光 D”更短，那么“光 C”比“光 D” _______________ 。
(a) 能量更大

(b) 能量更小

(c) 能量相同
如果“光 E”的频率比“光 F”更高，那么“光 E”比“光 F” __________________ 。
(a) 波长更长

(b) 波长更短

(c) 波长相同
如果“光 G”的频率比“光 H”更高，那么“光 G”比“光 H” __________________ 。
(a) 能量更大

(b) 能量更小

(c) 能量相同
如果“光 J”的能量比“光 K”更大，那么“光 J”比“光 K” __________________ 。
(a) 波长更短

(b) 波长更长

(c) 波长相同
以下哪个说法是正确的？
(a) 绿光的频率高于蓝光的频率，绿光的波长长于蓝光的波长。

(b) 绿光的频率高于蓝光的频率，绿光的波长短于蓝光的波长。

(c) 绿光的频率低于蓝光的频率，绿光的波长短于蓝光的波长。

(d) 绿光的频率低于蓝光的频率，绿光的波长长于蓝光的波长。

(e) 绿光的频率与蓝光的频率相同，绿光的波长短于蓝光的波长。
随着电磁辐射波长的增加
(a) 它的能量增加。

(b) 它的频率增加。

(c) 它的速度增加。

(d) 以上多个陈述是正确的。

(e) 以上陈述都不正确。
列举三个电磁波的例子。
为什么白色物体看起来是白色的？
按频率递增顺序列出白光中存在的颜色。
为什么物体看起来是黑色的？

定义以下术语：波长：振幅：频率

词汇

波的振幅: 波的“高度”。在光波中，振幅与波的亮度成正比。
波峰: 波形中的高点（山峰）。
电磁频谱: 按频率递减、波长递增或能量递减排列的所有可能类型的光的列表。电磁频谱包括伽马射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。
波的频率 (ν): 在单位时间内通过特定参考点的波的“数量”。光波的频率决定了光的颜色。
赫兹 (Hz): 用于测量频率的 SI 单位。一赫兹相当于每秒一次事件（或一次完整波通过）。
波谷: 波形中的低点（山谷）。
波长 (λ): 从波峰到波峰（或从波谷到波谷）的单个波的长度。光波的波长决定了光的颜色

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