光,那么耀眼,那么温暖。光,仿佛看得见,又或看不见。因为光,地球有了白天;因为光,世界变得五彩斑斓;也因为光,万物有了生长的能源。可是,你知道有哪些物理量可以表征光吗?就像丈量长度的单位,有米、厘米等;而关于光,有什么常用的单位呢?严格来说,光是一种电磁波,它既具有波动性,也具有粒子性。所以,从其波动性来说,光就会有一定的波长和频率,且在真空下光速c是恒定的,约3.0×10^8m/s。
这三个量满足如下条件:速度。光是由一份份的光子组成,光本身就有能量。光能也是可以算出来的,即,其中h是普朗克常量,大小是一定的。光的频率一般是不会变的。就像人的声音一样,音量可能会变化,但是音色一般不会变化,所以你的手机、电脑才能识别出哪个才是它可爱的主人的声音。所以,光的波长、速度就是千变万化了。那这些变化到底遵循什么规则呢?
当光从一种材料入射到另一种材料(后称“介质”)时,像透明的玻璃,波长、光速就会发生变化。如果这种介质相对于空气的折射率为n,光速就会变成:,相应的波长也变成:。而且,光入射到介质表面时,也会发生诸如折射、反射等好玩的现象。感兴趣的可以做下激光照射到水面的实验(如下图,黑暗情况下效果更佳)。光通量,就是光源在单位时间内,向周围空间辐射出的使眼睛引起光感的能量。单位:流明(lm)。
以人眼光感最强烈的黄绿光作为标准,规定辐射功率为1W的波长为555nm的黄绿光,主观视觉量,也就是光通量,为683lm。当其他波长的光的辐射功率也为1W时,他们的光通量都满足公式:。其中,为相应波长的光辐射功率;为相应波长的光谱光效率。注意,上面的公式针对的光都是单色光,也就是只有一种波长的光。如果是复色光,需要把每种光的光通量累加。
发光强度,就是光源在该方向单位立体角内发出的光通量,即光通量的空间密度。单位:坎德拉(cd)。它的计算公式就是:,平均发光强度就是,分母就是立体角的大小。照度就是单位面积所接收到的光通量。它的计算公式就是:,平均照度的计算公式:。亮度就是:发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度。单位:cd/m²。注意,它是一个复合单位了。光通量,光强度,光照度以及光亮度,互相之间是存在一定关系的。
它们的关系总结为下图。太阳能热水器,太阳能灶等都应用了光能转化热能的性质。根据能量守恒定律,光能的一部分就会通过各种方式转化成其他能量形式,为人类所用。可是,为什么是光能的一部分,而非全部?这个解释起来就太复杂了,决定转换效率高低的因素太多太多,具体例子也要具体分析。可是,想必大家常有这样的感受——红色的光更容易让人感觉“热乎乎”,蓝紫色的光却让人感觉那么“冷冰冰”,这是为什么?
那是因为红色的光更容易被物体吸收,而蓝紫色的光却很难被吸收。所以,虽然紫光能量比红光大(紫光频率大),人们也很难在紫光照射下感觉到热。