2013年2月6日

生活科學-光學-水面下的光線


光在空氣中或其他均勻的介質當中前進時,會呈現直線前進的性質,所以光又稱為光線。但是若從空氣中進入到水中,則會在交界面上產生屈折的現象;反過來看,從水中進入到空氣中的光線,也會在交界面上產生屈折。這是大家都很熟悉的折射,也可以在角度量測工具備妥時,演示光徑的可逆性。

一般在課堂中所看到的都是屬於平靜無波的狀態,但如果是發生在海上,又會有什麼現象呢?一般來說,「波光粼粼」是水面反射光現的現象,但試想如果你是水面底下的魚,所看到的會不會跟水面上的相同?

其實,海水因為各種因素無時無刻在擾動著,也因為起起伏伏,所以有會聚光與發散光這兩大類情形出現呢!如果光進入水中的地方剛好是水面比較高(波峰)的地方,就等同於進入了凸透鏡一樣,光線會聚集在一起,使得光得路徑變得更明顯更易於觀察。若是進入相對比較低(波谷)的地方呢?光線就會發散,使得同一處的光通量變小。
但是,擾動也包含能量的傳遞,使水波的向海岸前進,在不穩定與不均勻的交互作用下,上述的波峰和波谷並不會一直停駐在同一個地方,而且若從水面下觀察,來自於水面上的光線會有不均勻的現象,並且光線會「隨波逐流」,不斷地移動變化,就像影片中的水底世界哦!

人類就像住在地球的氣體海中,所以在地面上用雙眼觀察大氣層以外的星星時,就會覺得它一閃一閃的。不過會一閃一閃的星星通常是距離遙遠的恆星,行星看起來就不會閃爍(不過這只是程度問題)並穩定而持續地反射恆星的光線。但我們絕對觀察不到離我們最近的恆星-「太陽」與地球的衛星-「月球」的閃爍現象,因此兒歌裡面只有「一閃一閃亮晶晶,滿天都是小星星……」,歌詞裡面其實已經提示答案囉!你知道為什麼嗎?

恆星距離我們很遠,所以我們會把來自於恆星的光束當做平行的光線。對於隨時變化造成分布不均勻的地球大氣,平行光束穿透時會引起折射的現象,使得觀察者看到閃爍的現象。遠方的恆星和行星無法用肉眼觀察其大小,但行星的視直徑稍大,使得雖然行星的像也是不均勻,不過卻可以彼此抵消。若大氣發生激烈的不規則擾動,其實也會使得行星看起來在閃爍。這時用望遠鏡觀察行星,它不像一個小點,而是像有波動的圓球一樣哩!

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