浅谈高中物理光学知识在生活中的应用

摘 要：光学知识是高中物理的重要组成部分，其内容在初中反射、折射、透镜等知识理论的基础上进行了丰富的拓展，研究的光学现象更加复杂，对光的本质的探索不断加深。人类的生存与延续离不开光、整个世界充满光，高中阶段学习的光学知识已经足够让我们理解平常遇到的光学现象，而将这些知识应用到生产与创新中也促进了我们人类科技和生活的发展。本文简要介绍了光学理论的发展历史以及在生活中的应用，并通过查阅文献简要介绍目前光学理论的高精尖前沿研究内容，促进我们高中生学习物理的兴趣。

关键词：高中 物理 光学 应用

一、物理光学理论的发展与演变

光学是一门古老的学科，我国战国末年的《墨经》一书中就记录了很多当时的人们对于一些光学现象的思考，包括了平面镜、凹面镜、投影等原理探索。在公元前300年左右欧洲文明的欧几里得总结光反射的相关研究写出了《反射光学》一书，之后反射定律和折射定律的完善标志着光学真正成为一门独立学科。到了十七世纪牛顿首次进行了光的色散实验，制作了反射式望远镜，牛顿分光实验和牛顿环的发现标志着光学理论从几何光学转变为物理光学。我们高中阶段学习的光的偏振、干涉和衍射相关知识都是19世纪初物理学家从实践实验中总结而来，之后麦克斯韦提出光的波动学说，从理论上验证了光的本质是种电磁波。到了20世纪以后，爱因斯坦大胆摒弃了牛顿时空观，提出光速不变原理与相对性原理的假设，解决了光速的不变性与速度合成法则存在的矛盾，论述了"同时"的相对性，时间延缓，长度收缩以及相对性与绝对性，这是对洛伦兹时空变换的解释，也是对时空的全新认识。经过几千年的发展，光学理论的发展逐渐衍生出激光化学、量子光学等新的学科，极大地推动了物理学的发展，使人类对这个世界的运行规律和自然现象有了更深刻和全面的了解。

二、在生活中的光学知识应用

（1）在检测分析中的应用

光学在检测分析中的应用非常广泛，有很多分析检测仪器都是基于光学原理制造的。一批光学检测仪器在生物分析和化学分析领域有广泛应用，例如紫外可见分光光度计、X射线衍射光谱、原子吸收光谱、光谱法等，这些仪器听起来非常高深神秘，但其实它们的基本构造原理都是基于我们已经学习过的高中物理知识。例如刚刚提到的紫外可见分光度计，它是一种常用的检测装置，可以检测食物中硝酸盐、重金属含量；分析植物中的氮含量、叶绿素含量、酶活力；还可以用于生命分析，检测蛋白质、葡萄糖、维生素C和微量元素等。紫外可见分光光度计常用氢灯或氘灯作为紫外光源，用卤钨灯提供可见光，用单色器从光源中提取所需特定波长的单色光，然后用棱镜或光栅这类的色散元件利用光的色散原理筛选特定光线，利用不同强度的光转换为电信号的强度不同进而检测物质的种类及含量。

（2）在探索观测中的应用

人类对世界的探索方向主要有微观和宏观两个方向，光学在这两个方向都有关键性作用。在宏观方向，光学望远镜技术的发展直接影响了人类对宇宙探索的远度。1609年伽利略采用凸透镜为物镜、凹透镜为目镜制造了第一台望远镜，经过简单改造后就可以观测月食、日食现象，之后天文望远镜的观测范围越来越大，人类对宇宙奥秘的理解也越来越深刻。在微观方面，光学显微镜的出现使我们可以“看到”微米甚至纳米尺寸的画面，揭开了微观世界的神秘面纱。初代光学望远镜和显微镜都是利用透镜的成像规律，之后不断与其他先进技术如液晶屏幕技术、光电转换技术结合，使光学仪器的观测倍数不断增加，附加功能也不断强大。

（3）在建筑设计中的应用

古代人们就在建筑设计、室内布置方面使用光学知识，但以前主要是为了增加建筑的美观以及采光，例如我国的房屋都是坐北朝南，为了更多的面光时间；此外玻璃在建筑中的应用已经有2000多年历史，从透明玻璃，到美丽灿烂的彩色玻璃，种类繁多，应用广泛。到了现代，人们开始注意光能在建筑節能方面的应用，充分利用光的能量，如太阳能光纤照明系统，太阳能热水器等，当然大规模玻璃幕墙的使用造成的光污染等问题也是现在社会需要注意的一个问题。

（4）解释分析自然现象

经过高中阶段的物理学习，我们已经可以理解很多自然界的物理现象，并且能够在实验室里重现这些现象。彩虹的形成就是在雨后空气中会漂浮大量球形小水珠，会对太阳光产生色散现象，从而在天空中出现七彩彩虹。在海面和沙漠中出现的海市蜃楼现象就是由于不同高度的空气层密度不同，会对光线产生折射现象，从而使我们看到远处的景象。

三、关于光学的前沿研究与探索

时代在不断向前进步，仪器设备等硬件设备的进步以及物理化学等基础理论的完善使当代物理研究者们有了更高的研究起点，物理光学的研究深度和应用范围都在快速扩展。现代光学研究已经不仅仅局限于可见光的探索，从波长小于可见光的伽马射线、X射线还有紫外线，到波长大于可见光的红外线微波，它们的性质与应用被进一步拓展；此外，光学与材料学、机械学、电学等其他学科的联系也越来越紧密，人们认识世界和改造世界的能力随着光学的进步不断增强。例如苏州大学李述汤院士课题组首次成功地在实验上揭示了天然材料平面内各项异性传播的极化激元，并且建立了两种各向异性极化激元的理论模型。

结 语

光是美丽的，五颜六色，灿烂我们的生活；光是慈祥的，光照万物，提供我们生存的能量；光是神秘的，充满未知，吸引无数人苦苦探索。千百年来科学家们苦苦思索光的本质，探究光学现象，并且将光学知识用于生产生活，促进人类文明的进步。现在光学仪器、光学知识的应用在生活中随处可见，这是无数前人孜孜探索的成果，也是我们当代继续奋斗的力量源泉。

参考文献

[1] 张泰然.光学在精密测量中的应用[J].中国设备工程，2018，23：84-85.

[2] 文三伟.浅谈几何光学、波动光学和量子光学的区别与联系[J].民营科技，2018，12：37.

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