科学：小学教师指南/光
机械波和电磁波是能量在周围世界传播的两种重要方式。水波和空气中的声波是机械波的两个例子。机械波是由固体、气体、液体或等离子体中物质的扰动或振动引起的。波传播的物质被称为介质。水波是由液体中的振动形成的，声波是由气体（空气）中的振动形成的。这些机械波通过使分子相互碰撞在介质中传播。声波无法在太空真空中传播，因为没有介质来传输这些机械波。
为了让我们能够看到任何东西，必须有光。光可以来自光源，也可以是反射光。所有光源都是自然光源或人造光源。我们星球的主要光源是太阳。虽然恒星也发光，但太阳是最接近地球的恒星，它给了我们光源。虽然月亮发光并给我们光，但它不是光源，因为月亮只是反射太阳的光。自然光源[还包括]萤火虫和火等。人造光源包括[电灯，如白炽灯、荧光灯、霓虹灯或 LED，以及化学光，如荧光棒。反射光就在我们周围，从物体上反射到我们的眼睛里，让我们感知到周围事物的大小和颜色。]光是一种辐射能量，我们的眼睛可以从电磁波谱的可见部分看到它。这个词通常指的是可见光，它是人眼可见的，是视觉感知的来源。在物理学中，术语光有时指的是任何波长的电磁辐射，无论是可见的还是不可见的。伽马射线、X射线、微波和无线电波也可以被认为是光，即使我们看不见它们。
光是一种能量形式。光以波的形式传播。这些波是由相互交织的电场和磁场组成的。因此，光被称为电磁辐射。光的能量由其波长决定。波长较短的光具有更多能量，而波长较长的光具有较少的能量。我们的眼睛只能看到可见光。可见光只是电磁波谱的一小部分。如果光的波长比我们眼睛能看到的略短，它对我们来说是不可见的，但它仍然是真实存在的。这种光被称为紫外线。波长比紫外线短的光属于光谱的 X 射线部分。波长最短的光波被称为伽马射线。波长比我们能看到的红色略长的光被称为红外线。比红外线更长的光波被称为微波。波长最长的被称为无线电波。
电磁波谱按波长从长到短排列，能量从少到多。（无线电-伽马）
- 无线电波（我们如何在车里听音乐）
- 微波（我们产生微波来重新加热食物。了解更多信息请访问 https://www.youtube.com/watch?v=kp33ZprO0Ck)
- 红外线（由蝮蛇检测到，用于热成像仪）
- 可见光（彩虹的所有颜色）
- 紫外线（被某些动物视为光；会导致晒伤）
- X 射线（高能波，可以穿透我们的组织，让我们看到身体内部）
- 伽马射线（我们认为的“放射性”物质）
紫外线
- 已知是 EM 光谱中不可见的部分。紫外线是一种电磁辐射。紫外线来自太阳，对人眼不可见。
红外线
- 红外线对人眼本身不可见。幸运的是，借助红外相机等设备，我们可以从温暖的物体（如人类和动物）中看到它们。
- 宇宙尺度视频：http://htwins.net/scale2/ 是对电磁波以及宇宙中其他物体和现象的大小进行视觉描述的绝佳方法。
- 这里有一个关于电磁波谱的视频：https://www.youtube.com/watch?v=cfXzwh3KadE
电磁波的速度
- 光的速度大约为 300,000 公里/秒 = 186,000 英里/秒。
- 我们在地球上看到的阳光实际上是在大约 10 分钟前离开太阳的。
波长
- 波峰到波峰或波谷到波谷之间的距离。
频率
- 每秒经过给定点处的波数，或每秒的振动次数
- 短波长（与高频相关）
- 长波长（与低频相关）
波长和频率之间存在反比关系
- 速度 = 波长 * 频率 光速是恒定的，因此
- 波长增加 --> 频率降低
- 波长降低 --> 频率增加
- 波长增加 --> 频率降低
要看到任何不发光的物体，必须满足 3 个条件:
- 必须有光源
- 光必须照射到物体上
- 光必须反射到你的眼睛
- 你知道太阳不仅是光源，而且还会发射不可见的电磁波吗？事实上，太阳辐射从低频无线电波到高频伽马辐射的所有东西。地球的磁场、臭氧层和大气层过滤了一些辐射。太阳光中的辐射实际上对我们的健康很重要，因为它使我们的身体能够合成维生素 D，但过度暴露在阳光下（特别是紫外线辐射）会导致晒伤，甚至导致皮肤癌。
- 光往往以非常快的速度沿直线传播，事实上光的速度约为每秒 186,000 英里。但到底有多直？信不信由你，光在遇到弯曲它的东西之前会完美地沿直线传播。这些直线光路被称为光线。
- 我们看到不同颜色的光的原因是，我们的眼睛中有三种类型的受体（视锥细胞），它们对不同的波长有反应。我们的大脑将来自视锥细胞的输入解释为不同的颜色阴影。
- 如何控制光？
- 光可以通过三种方式控制，即阻挡它、反射它或弯曲它。光的产生、控制和检测方式有很多，其中许多方式每天都在我们周围。这里只列举一些：相机、眼睛、扫描仪、双筒望远镜、复印机、互联网数据传输和卫星。
即使我们无法触摸物体，也可以用光来确定物体的组成。这可以通过测量物体发出的光来实现。当光被物体吸收时，该物体的电子将发出一种非常特定的颜色的光。这对于每个原子都是正确的。我们能够通过分析物体的颜色来确定物体的组成，是因为不同的原子发出不同的颜色。例如，当氢原子中的电子跃迁到较高能级时，它发射的光的颜色（能量）与氦原子中的电子跃迁到较高能级时不同。这两个物体将发出两种不同的颜色，这将有助于人们确定这两个物体的组成。这些颜色的分析可以使用分光计进行。
反射
[edit | edit source]
反射是指能量波从物体表面弹回。反射光总是以与它撞击表面的相同角度离开反射表面。入射角 = 反射角。例如，你可以想象一个球弹跳。如果你直接向下掉一个球，它会直接弹回来。如果你以一定角度弹跳它，它会以一定角度弹回来。在小学，你可能会在孩子们玩耍时看到这种现象，比如孩子们弹球。
入射角 - 你扔球的角度 反射角 - 球弹回的角度
这两个角度总是相等的。
偏振光
[edit | edit source]偏振光只允许垂直、水平或垂直方向的光线通过。
有四种类型的偏振。
1. 反射（光） 例如，眩光就是光的反射（反射是指光照射到物体上时反弹）。 2. 散射（光） 例如，彩虹就是光的散射。（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫是彩虹的颜色，白光是这七种颜色组成的。）下雨的时候，雨滴会折射阳光，形成白光棱镜，从而形成彩虹。） 3. 二向色性（晶体） 例如，一种叫做电气石的晶体，在来回移动到两个方向时会呈现不同的颜色。 4. 双折射（晶体） 例如，来自冰岛晶体的方解石会发生双折射（弯曲），并且对垂直、水平或垂直方向的光具有优先性。
这是一个有趣的 YouTube 视频，解释了偏振光入门。 https://www.youtube.com/watch?v=e8aYoLj2rO8
折射
[edit | edit source]折射是指能量波在从一种物体传播到另一种物体时发生弯曲（改变方向和速度）。
- 当光线穿过密度更大的材料时，它们会向内弯曲
- 当光线穿过密度更小的材料时，它们会向外弯曲
- 随着光速在较慢的介质中减慢，波长会缩短。
- 光线并非在所有介质中都沿相同方向传播。
透射
[edit | edit source]透射是指光线穿过或通过某种物质或物体，而不被吸收。
光线可以透过的材料示例：
- 透明玻璃
- 玻璃窗
透镜
[edit | edit source]透镜在世界各地广泛应用。
透镜的例子包括：
- 双筒望远镜
- 手电筒
- 望远镜
透镜到底是什么？
透镜是一种透射光学器件，光线通过折射（光线发生弯曲）分散。
透镜可以是一块透明的玻璃或塑料，具有一个或多个曲面。
透镜有两种类型：
- 凸透镜（会聚）：图像始终显得更大
- 凹透镜（发散）：图像始终显得更小
其他类型的透镜包括：
- 复合透镜：两个或多个透镜的组合
关于透镜的一些事实：
- 平行光线穿过透镜最厚的部分。
- 这些平行光线穿过透镜后会聚在一起，形成焦点。
- 透镜的功率以焦距衡量。
- 透镜的焦距是指从透镜中心到它聚焦光线的位置的距离。
- 焦距越短，透镜的功率越大。想想你需要将放大镜离物体多近才能使物体对焦。显微镜透镜离物体多近才能使物体对焦？
这是一个关于凹透镜和凸透镜的视频： https://www.youtube.com/watch?v=4zuB_dSJn1Y
透明、半透明和不透明材料
[edit | edit source]当光线照射到任何物体上时，光线可以：
- 穿过
- 被反射
- 被吸收并转化为热量
透明材料
- 透明，允许所有或大部分光线通过，很少被吸收或反射。
例如：空气、透明玻璃、清水
半透明材料
- 反射和吸收一些光线，但允许大部分光线通过。
例如：浴室使用的磨砂玻璃或塑料
不透明材料
- 不允许任何光线通过，所有能量都被吸收或反射，并转化为热量。
例如：书、木头、车门
阴影
[edit | edit source]阴影是指光源发出的光线被不透明物体遮挡而形成的黑暗区域。它占据了物体前部有光线，物体后部所有的三维空间。阴影的横截面是一个二维的轮廓，或者说是遮挡光线的物体的反向投影。
点光源和非点光源
[edit | edit source]
点光源只投射出一个简单的阴影，称为“本影”。对于非点光源或“扩展”光源，阴影分为本影、半影和伪本影。光源越宽，阴影的失真程度越大。如果两个半影重叠，阴影看起来会融合在一起。这被称为阴影水泡效应。
通过跟踪扩展光源最外端区域释放的光线，可以找到阴影区域的轮廓。本影区域没有接收来自光源任何部分的直接光线，是最暗的区域。位于本影区域的观察者无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，使其具有半亮的光强度水平。位于半影区域的观察者可以看到光源，但它被投射阴影的物体部分遮挡。
如果有多个光源，就会有多个阴影，重叠的部分更暗，亮度或颜色会有不同的组合。光线越漫射，阴影轮廓就越柔和、越模糊，直到消失。阴天天空的光线几乎不会产生可见的阴影。
外太空真空环境中缺乏漫射的大气效应，会产生平坦、轮廓分明、明暗边界鲜明的阴影。
对于接触投影阴影表面的物体或人（例如站在地上的物体或地上的杆子），阴影在接触点会汇聚。
阴影除了失真外，还显示出与从太阳侧看物体时的轮廓相同的图像，因此从另一侧看，轮廓的镜像。
本影
[edit | edit source]
本影（拉丁语意为“阴影”）是阴影最内侧也是最暗的部分，光源被遮挡物完全遮挡。例如，不透明物体不透光。位于本影区域的观察者会经历日全食。圆形物体遮挡圆形光源的本影会形成一个直角圆锥体；对于位于圆锥体顶端的观察者来说，这两个物体在视大小上是相等的。从月球到其本影顶端的距离大约等于月球和地球之间的距离。由于地球的宽度是月球的 3.7 倍，因此其本影延伸的距离相应地更远，大约为 140 万公里。
半影（源于拉丁语paene“几乎，接近”）是指光源的一部分被遮挡物遮挡的区域。在半影中的观察者会体验到部分日食。另一种定义是，半影是部分或全部光源被遮挡的区域（即本影是半影的一个子集）。例如，美国宇航局的导航与辅助信息设施定义了，位于本影中的物体也位于半影中。
.png)
伪本影（源于拉丁语ante，“之前”）是指遮挡物完全位于光源圆盘内的区域。在这个区域中的观察者会体验到日环食，此时可以在遮挡物周围看到一个明亮的光环。如果观察者更靠近光源，遮挡物的外观大小会增加，直到它造成完整的本影。
光由光波长组成，每种波长对应一种特定的颜色。我们看到的颜色是光波长反射回我们眼睛的结果。光可以用来确定物体的组成成分，即使我们无法触碰它。可见光是电磁辐射的一种形式，无线电波、红外辐射、紫外辐射、X射线和微波也是如此。通常由一系列波长组成，每种颜色的光都有其独特的波长。光由七种颜色组成，传统上在光谱中识别：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。这些颜色的首字母通常用作首字母缩略词，形成ROY G. BIV这个名称，以帮助学习可见光谱的颜色顺序。白光是所有可见波长的混合体。黑是它们的缺失。
光从一种介质传播到另一种介质时会发生折射或弯曲，当它以斜角穿过棱镜（一块三角形透明材料，如玻璃或塑料）时，它会呈现出光谱的颜色。短光波比长光波弯曲得更多，导致颜色分离成从紫罗兰（最短波长）到红（最长波长）的模式。当来自棱镜的彩色光线聚焦到第二个棱镜时，彩色光的模式会再次组合形成白光，验证了白光是各种颜色的光的混合物。地球上的主要光源是太阳。阳光提供绿色植物用来制造糖（主要是淀粉）的能量，淀粉将能量释放到消化它的生物体内。光合作用过程提供了生物体使用的几乎所有能量。在历史上，火是人类的另一个重要光源，从古代的篝火到现代的煤油灯。随着电灯和电力系统的开发，电照明有效地取代了火光。一些动物物种会产生自己的光，这一过程称为生物发光。例如，萤火虫利用光来寻找配偶，而吸血乌贼则利用光来躲避猎物。
在传统的表示中，互补色对由一种原色（黄、蓝或红）和一种间色（绿、紫或橙）组成。例如，黄色是原色，画家可以通过混合红色和蓝色来制作紫色；[1] 所以当黄色和紫色颜料混合时，三种原色都存在。由于颜料通过吸收光线起作用，所以三种原色同时存在会导致黑色或灰色（减色混合）。在最近的绘画手册中，更精确的减色原色是洋红、青色和黄色。
互补色可以产生一些醒目的视觉效果。物体的阴影似乎包含一些互补色。例如，红苹果的阴影似乎包含一些蓝绿色。这种效果经常被画家模仿，他们希望创造出更明亮、更逼真的阴影。此外，如果你长时间（30秒到1分钟）盯着一个方块的颜色看，然后看一张白纸或墙壁，你将会短暂地看到一个残像，它的颜色是该方块的互补色。
RGB颜色模型，发明于19世纪，并于20世纪得到充分发展，它使用红色、绿色和蓝色的光线组合，在黑色背景上产生计算机显示器或电视屏幕上看到的颜色。在RGB模型中，原色是红、绿和蓝。互补的原色-间色组合是红-青色、绿-洋红和蓝-黄。在RGB颜色模型中，两种互补色的光线，如红色和青色，以全强度混合在一起，会产生白光，因为两种互补色包含具有全光谱范围的光线。如果光线不是全强度，则产生的光线将是灰色。
.jpg)
当阳光穿过大气层时，一些光波会被空气中的分子以及尘埃和烟雾颗粒散射。此外，紫罗兰和蓝色光波非常短，这意味着它们可以被非常小的颗粒散射，甚至可以被单个氧原子或氮原子以及其他空气分子散射。你可能会想知道为什么有些日子天空看起来更蓝。当你向上看天空时，你看到蓝色是因为主要是蓝色的光波被散射到天空（红色和黄色继续向着地球）。当空气中存在大量烟雾和尘埃颗粒时，较长的光波（即红色、黄色和橙色）也会被散射，天空呈现出灰色或白色（并且更暗，因为许多光线都被散射了）。雷雨过后，天空可能会再次呈现出特别蓝的颜色，因为雨水冲刷了大气中的烟雾和尘埃颗粒。
地球持续自转，所以暴露在阳光下的部分会随着时间的推移而发生变化。在任何时刻，太阳都会在某个地方升起，在另一个地方直射头顶，在星球的另一部分落下。日落和日出通常是红色或黄色。当太阳靠近地平线（早晨和晚上）时，光线相对于地球以更大的角度传播，因此光线穿过更多的大气，更多的光线会被尘埃散射。蓝光首先被散射，然后是更长的波长，如红色、橙色和黄色，可能会被散射。如果它们被散射，那么最终结果是天空出现美丽的暖色调。如果大气中存在更多烟雾或尘埃，日出和日落会更红。
当一个人看像大海或海滩那样的大片水体时，你实际上看到的是蓝天反射的影像，而不是水本身的颜色。事实上，水分子会吸收红光，红光会被水移除，以及红光的互补色。最终结果是我们可能在湖泊或河流中看到的蓝绿色。
为什么在炎热的夏季人们通常会穿浅色衣服？
让我们用浅色衣服、热量和一些水来做实验，看看结果。
你需要什么
- 2 个相同的饮水杯或罐子
- 水
- 温度计
- 2 根橡皮筋或一些胶带
- 白纸
- 黑纸
说明
1. 用橡皮筋或胶带将白纸包裹在罐子或饮水杯上。2. 对黑纸和另一个罐子做同样的事情。3. 在两个罐子里装入相同数量的水。4. 将两个罐子放在阳光下相同的时间，并记录你每小时看到的情况。
发生了什么？
像黑纸这样的深色表面比白纸吸收更多光和热。现在测量温度，它们相同还是不同？黑纸罐比白纸罐更热。
学习如何用这个有趣的儿童科学实验制作彩虹。
只需使用一些简单的日常用品，你就可以了解彩虹的工作原理，同时享受一个适合儿童的互动式动手活动。
你需要什么
1. 一杯水
2. 白纸
3. 晴朗的一天
说明
1. 将一杯水和纸张拿到房间里阳光照射的地方。
2. 将一杯水（小心不要洒出来）放在纸的上方，观察阳光穿过水杯，折射（弯曲），在你的纸张上形成彩虹。
3. 尝试将水杯放在不同的高度和角度，看看是否会有不同的效果。
发生了什么
虽然你通常会看到彩虹在天空中的弧形，但它们也可能在其他情况下形成。你可能在喷泉或瀑布的雾气中看到过彩虹，你甚至可以像在这个实验中一样自己制作彩虹。
当阳光穿过雨滴时折射（弯曲），就会在天空形成彩虹，它穿过你的水杯时也会以同样的方式起作用。阳光折射，将它分成红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色和紫色。
_(14781657391).jpg)
- 半杯水
- 一根吸管
- 2 只眼睛（最好是你的！）
- 从杯子的顶部和底部观察吸管。
- 从杯子的侧面观察吸管，并专注于吸管进入水的点。你看到的东西有什么奇怪的地方？
我们的眼睛一直在用光来观察各种物体，但是当光穿过不同的介质（如水和空气）时，它会稍微改变方向。光在从水到空气中穿过时会折射（或弯曲）。吸管看起来弯曲是因为你通过水和空气看到了吸管的底部，但只通过空气看到了吸管的顶部。空气的折射率约为 1.0003，而水的折射率约为 1.33。
试试这个快速测验，测试你通过阅读本章学到了什么！
- ↑ Hammond, Lee (2006). 用 Lee Hammond 画丙烯画. 北光图书。 ISBN 9781600615801.