從“中國天眼”看高中電磁波以及光學相關知識

劉靜宜

(四川省綿陽中學,四川綿陽 610051)

2016年9月“中國天眼”在貴州落成,它的官方名稱是“500米口徑球面射電望遠鏡”,英文簡稱是“FAS T”,建成后,是世界最大的單口徑射電望遠鏡,接收面積相當于30個足球場大小。2017年10月,“中國天眼”發(fā)現(xiàn)兩顆新脈沖星,距離地球分別約4100光年和1.6萬光年,是中國射電望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)脈沖星。

“中國天眼”的設計技術方案除了在觀測中性氫線及其他厘米波段譜線,開展從宇宙起源到星際物質結構的探討、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、高效率開展對地外理性生命的搜索等6個方面實現(xiàn)科學和技術的重大突破外,還將作為一個多學科基礎研究平臺,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質和暗能量,尋找第一代天體。

“中國天眼”主要利用的就是“射電”,也即射頻電波,又叫無線電波,是電磁波譜的一個頻段,就像可見光、紅外線、紫外線、x射線、伽馬射線一樣,都是電磁波譜不同頻段的名稱。

1 電磁波的基礎知識

談到電磁波,首先必須知道經(jīng)典的麥克斯韋電磁場理論,其理論核心如下：

(1)變化的磁場產(chǎn)生電場,在變化的磁場中所產(chǎn)生的電場的電場線是閉合的。

對于該點,我們可以這樣理解：均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定電場,非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化電場。

(2)變化的電場產(chǎn)生磁場,變化的電場就像導線中的電流一樣,會在空間產(chǎn)生磁場,即變化的電場產(chǎn)生磁場。

這點我們可以按照類似上文的方式理解：均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定磁場,非均勻變化的電場產(chǎn)生變化磁場。

變化的電場和磁場和統(tǒng)一而不可分割的,如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場,那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場;這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場,變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的,形成不可分割的統(tǒng)一體,這就是電磁場。

電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場并不局限于空間某個區(qū)域,而是由近及遠向周圍空間傳播開去。電磁場這樣由近及遠地傳播,就形成了電磁波。電磁波存在有以下特點：

1)電磁波是橫波,其電場方向、磁場方向、傳播方向相互垂直;2)電磁波傳播不需要介質,真空中傳播速度最大,c=3.0×108m/s;3)電磁波可以脫離“波源”獨立存在;4)同一電磁波在不同介質中傳播時頻率不變．波速、波長改變;5)不同電磁波在同一介質中傳播時波速與頻率有關：頻率越高波速越小;6)電磁波具有波的共性,也即電磁波能發(fā)生反射、折射、干涉、銜射、偏振、多普勒效應等現(xiàn)象。

2 電磁波在生活中的日常應用

2.1 電視

簡單地說：電視信號是電視臺先把影像信號轉變?yōu)榭梢园l(fā)射的電信號,發(fā)射出去后被接收的電信號通過還原,被還原為光的圖象重現(xiàn)熒光屏。電子束把一幅圖象按照各點的明暗情況,逐點變?yōu)閺娙醪煌男盘栯娏?通過天線把帶有圖象信號的電磁波發(fā)射出去。

2.2 雷達工作原理

利用發(fā)射與接收之間的時間差,計算出物體的距離。

2.3 手機

在待機狀態(tài)下,手機不斷的發(fā)射電磁波,與周圍環(huán)境交換信息。手機在建立連接的過程中發(fā)射的電磁波特別強。

2.4 在在醫(yī)療設備中應用

某些頻段的電磁波為醫(yī)療保健領域的發(fā)展也帶來極大的促進作用。課堂上我們學習的倫琴射線即X射線具有極強的穿透能力、熒光作用等物理化學效應使其在醫(yī)療領域發(fā)揮著巨大的價值。利用X射線的極強的穿透性、優(yōu)秀的差別吸收性以及卓越的感光熒光作用,醫(yī)療領域常常應用于醫(yī)療診斷。

2.5 在食品衛(wèi)生中的應用

課堂上介紹電磁波實際上是能量的一種,以輻射的形式向周圍空間釋放傳播。生活長常見的微波爐就是一種利用微波的相關特性來加熱食品的現(xiàn)代烹飪工具,微波爐是利用食物在微波場中吸收微波能量而達到食物自身加熱的目的。

3 電磁波的重要成員-光

通過學習,我們知道,光也是一種特殊的電磁波,它具有波粒二象性。由于它是一種電磁波,因而它在真空中的傳播速度也是c=3.0×108m/s,電磁波具有的特性它都具備。

高中階段,我們在光學方面的知識主要包含以下幾個方面：

(1)光的反射：光從一種介質射到另一種介質的界面上再返回原介質的現(xiàn)象。反射現(xiàn)象分為兩種,一種是鏡面反射,指的是光照射到光滑平面上形成的反射現(xiàn)象;另外一種是漫反射,是指光照射到粗糙表面,反射光射向四面八方的現(xiàn)象。無論是鏡面發(fā)射還是漫反射,它們都遵循反射定律：反射光跟入射光以及法線在同一平面內(nèi),且入射光和反射光分居法線左右兩側,反射角等于入射角。這里的法線指的是垂直于反射面且與入射光線相交于入射點的一根虛擬的線。而且,在反射現(xiàn)象中,光路是可逆的。

在日常生活中,我們常見到的鏡面反射就是平面鏡了,平面鏡成像有以下特點：

1)平面鏡只改變光路方向,不改變光的聚散性質。2)成像特點：等大正立的虛像,物與像關于鏡面對稱。3)物與像方位關系：上下不顛倒,左右相反。

(2)光的折射：折射指的是光從一種介質射入另一種介質的時候,傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。光的折射也有其折射定律：折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi),折射光線、入射光線分居法線兩側,入射角的正弦和折射角的正弦成正比。與反射類似,折射的光路也是可逆的。

提到折射,有一個概念必須提及：折射率。折射率是針對介質而言的,指的是光從真空中射入某種介質,入射角的正弦與折射角的正弦的比值,一定要注意,折射率的定義必須是光線由真空中射入介質。其計算公式為：

式中,n表示折射率,i、y分別表示入射角和折射角,c為光速,v是光在介質中的傳播速度,λ和'λ分別表示光在真空中和介質中的波長,C0指的是一個特殊的角度,稱作臨界角。

臨界角是光發(fā)生全反射時的一個臨界條件。全反射指的是光從一種介質射入另一種介質的時候,光線被全部反射回原介質的現(xiàn)象。全反射現(xiàn)象只會發(fā)生在光從光疏介質射入光密介質的情況下,而且入射角必須大于或等于臨界角。

全反射的一個典型應用是光導纖維。光纖有內(nèi)外兩層,內(nèi)層是光密介質,外層是光疏介質。光在光纖內(nèi)部傳播時,每次都在界面上發(fā)生全反射,這樣就可以做到從一端傳入并從另一端無損傳出。

4 光的波動性

從上文中我們可以知道,光是具有波動性的,因而,光也會發(fā)生干涉和衍射的現(xiàn)象。

4.1 光的干涉

在兩列波相遇的疊加區(qū)域中,某些區(qū)域使得“振動”加強,出現(xiàn)亮條紋;某些區(qū)域使得振動減弱,出現(xiàn)暗條紋。振動加強和振動減弱的區(qū)域相互間隔,出現(xiàn)明暗相間條文的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做光的干涉現(xiàn)象。

若想發(fā)生光的干涉現(xiàn)象,必須滿足以下條件：

兩列波頻率相同、振動步調一致(振動方向相同)。相差恒定;

兩個振動情況總是相同的波源,即相干波源。

在高中學習階段,我們一般采用單色激光作為干涉光源做雙縫干涉實驗,具體實驗內(nèi)容在文中不作詳細描述。

4.2 光的衍射

光的衍射現(xiàn)象指的是光離開直線路徑而繞到障礙物陰影里的現(xiàn)象。我們學習中碰到的衍射現(xiàn)象一般是光透過單縫或者是小孔形成的。想要看到明顯的衍射現(xiàn)象,一般需要障礙物或者是小孔尺寸小于0.5 m m。

這里我們需要注意,光的雙縫干涉和光的單縫衍射都會出現(xiàn)條紋,但是二者的條紋是不一樣的。單色光的干涉條紋等間距、明暗亮度相同,而但射光的衍射條紋中間亮紋最寬,兩側條紋逐漸變細變暗。

4.3 光的偏振

橫波只沿某個特定的方向振動,這種現(xiàn)象叫做波的偏振,而且,只有橫波才有偏振現(xiàn)象。在我們所學習到的知識當中,常見的是自然光和偏振光。自然光指的是太陽、電燈等發(fā)出來的光,包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光,此類光通過偏振片以后就成為了偏振光。

偏振光在垂直于傳播方向的平面上只沿一個特定的方向振動。除了上述方法以外,在自然光射到兩種介質的界面上的時候,如果反射光和折射光之間的家教是90°,那么,這兩束光也都是偏振光,它們的偏振方向相互垂直。

5 結語

光學在高中物理學習當中占有一定的比重,內(nèi)容比較雜,相互之間也沒有很緊密的相關性,我們在學習當中應該在細節(jié)上多下功夫,不要放過任何零碎的知識點。