第四章 光 光為萬物帶來了光明，光也是一種能量。有了光，植物得以進行光合作用而生長，萬物才能生存。有了光，我們才能看到物體。光對我們是如此的重要，那光又有那些性質呢？

本章內容 4-1 光的傳播   4-2 光的反射與平面鏡   4-3 光的折射與透射    4-4 光與顏色的關係    4-5 雷射

4-1 光的傳播

光的傳播需要介質嗎？ 光可以穿越真空，所以我們才能有溫暖的陽光，以及皎潔的月光。 光也可以在空氣、水、玻璃等透光的物質中傳播。

光是以直線前進的方式傳播 當光在傳播過程中，若遇到不透明的物體，就無法繼續前進而在該物體的背後形成陰影，而且陰影的形狀通常與物體的輪廓一樣，這表示光是直線前進的。所以我們常常又將光稱為「光線」。 民俗技藝中的皮影戲，古代的計時工具－日晷等都是利用光直線前進傳播的性質 (產生陰影) 。

光傳播到物體表面時會怎樣？ 反射 (第 4-2 節) 折射(透光物質) (第 4-3 節) 吸收 (第 4-4 節)

光的傳播速率 光在空氣中傳播的速率要比聲音在空氣中傳播的速率快很多。 光在空氣中傳播的速率約為 每秒鐘 30 萬公里 ( 300000 km/sec )。

4-2 光的反射與平面鏡

光的反射 我們能看到本身不會發光的物體，也是因為光的反射。 在黑暗的房間中，因為沒有光線可以照到房內物品再反射到我們的眼睛，當然就看不見房間裏的任何東西。

光的反射關係 當入射光垂直鏡面射向平面鏡時，反射會沿原路徑反射回來。我們把和鏡面垂直的假想線稱為法線。 當入射光以和法線成一個角度ｉ（稱為入射角）射向鏡面，反射光會從法線的另一邊反射出來，反射線與法線的夾角ｒ稱為反射角。對於任何表面，光線的反射是遵守反射定律。

反射定律 (1)光線反射時，入射線與反射線分別在法線的兩側，且此三線在同一平面上。 (2)入射角＝反射角。

平面鏡成像 我們能從一般的平面鏡中看到鏡前物體的像，原因是鏡前的物體發出(或反射)的光線經過平面鏡反射後進入我們的眼睛。 在平面鏡中所成物體的像，只能經由我們的眼睛看到，並不能投射至屏幕（或白紙、牆壁等）。像這樣子的像稱為虛像。 平面鏡所成的像，與原物體的大小相同、左右相反，且兩者與鏡面的距離相等。

凸面鏡 在迴旋的山路邊所架設的凸面鏡，能增加反射鏡前物體的成像範圍，如此可幫助駕駛員看到彎道處的對向來車。 光亮潔新的湯匙背面也有凸面鏡的效果。

凹面鏡 汽車的車前燈手電筒使用凹面鏡，將光源置於凹面鏡的焦點上，所發出的光線會平行射出，以增加照射光線的強度。 光亮潔新的湯匙內側也有凹面鏡的效果。

哈哈鏡 在遊樂場中的哈哈鏡是以凸、凹面鏡組合而成。站在哈哈鏡前，會看到變形失真的影像。 將光亮潔新的鐵片彎曲也也相同的效果。(照片摘 自屏東公正國中網站）

4-3 光的折射與透鏡

光的折射原理 光由一介質進入另一介質中，如果前進的方向與第二個介質不互相垂直，則進入第二的介質後，光行進的方向會發生偏折，這種現象稱為光的折射。 光之所以會發生折射，是因為光在不同的介質中，傳播的速率不同。

光速 在真空中，光傳播速率最快； 空氣中其次 (但與真空中十分接近)。 不同介質中的光速： 空氣中 300000 公里/秒 空氣中 300000 公里/秒 水中 225000 公里/秒 玻璃中 200000 公里/秒

折射情形 (圖片摘自屏東公正國中網站） 光由較快的介質進入較慢的的介質中 光由較慢的介質進入較快的的介質中

光的折射 當光傳播至介質的交界面時，折射與反射經常是同時存在的。亦即部分的光進入另一介質，另一部分的光反射回原介質。 (圖片摘自屏東公正國中網站） 當光傳播至介質的交界面時，折射與反射經常是同時存在的。亦即部分的光進入另一介質，另一部分的光反射回原介質。

生活中常見的折射現象 放入水中的吸管或筷子，好像斷掉了？ 筷子前端Ｐ所發出的光經折射後到達我們的眼睛，由於我們的眼睛認為光是直線前進的，因此我們會以為筷子的位置在Ｑ。

生活中常見的折射現象 為什在游泳池邊向池底望去，感覺池水並不深，等到下水後，才知道不是那麼一回事？ 因為由池底發出的光線，到達水與空氣的交界面時，會因速度的不同而發生折射，且是偏離法線的方向，故到達我們的眼睛時，會讓池底有「上浮」的感覺，也就是會看起來較淺。

透鏡 透鏡中間部分較邊緣部分厚的稱為凸透鏡 透鏡中間部分較邊緣部分薄的稱為凹透鏡

透鏡的性質 凸透鏡可使入射的平行光線會聚於一點，此點稱為凸透鏡的焦點。 (圖片摘自屏東公正國中網站） 凸透鏡可使入射的平行光線會聚於一點，此點稱為凸透鏡的焦點。 凹透鏡可使入射的平行光線發散開來，但若是將發散的光線向反方向延伸，仍會相交於一點 ，此點稱為凹透鏡的虛焦點。 從焦點到透鏡中心的距離稱為透鏡的焦距。

尋找凸透鏡的焦點與焦距 利用太陽光 利用燭光 蠟燭與鏡面相距至少 1 公尺以上 (越遠越好) ，前後移動紙面，使光在白紙上形成最小、最亮的點，此時亮點的位置即為焦點，紙面與鏡面的距離即為焦距。 鏡面朝向太陽，保持紙面與鏡面平行，上下移動凸透鏡，使光在白紙上形成最小、最亮的點，此時亮點的位置即為焦點，紙面與鏡面的距離即為焦距。

凸透鏡的成像 (圖片摘自屏東公正國中網站） 凸透鏡的成像 (圖片摘自屏東公正國中網站）

凹透鏡的成像 (圖片摘自屏東公正國中網站） 凹透鏡的成像 (圖片摘自屏東公正國中網站）

4-4 光與顏色的關係

色散 原來我們所見的白色太陽光是由不同顏色的光混合而成的。 牛頓發現太陽光通過三稜鏡後，會分離出不同顏色的光，此現象稱為色散。 圖片摘自「科學小芽子」網站 http://www.bud.org.tw/answer/0005/000526.htm 原來我們所見的白色太陽光是由不同顏色的光混合而成的。

光的三原色 我們一般將紅、綠、藍三種顏色的光稱為光的三原色。 將三種顏色的光以不同的亮度混合，即可呈現各種不同的顏色。 (圖片摘自師大物理系網站， 作者黃福坤老師） 電視機 (或電腦) 的螢光幕所顯示的各種顏色，即是調整螢光幕上許多發光體三原色之間亮度的比例。

可透光物質的顏色 玻璃、透明的壓克力板、玻璃紙等透光物質，當光線照射時可讓某些色光通過，而吸收了其他顏色的光，故呈現出來的顏色就是通過的色光的顏色。 超連結一個有趣的圖解。 (作者：劉兆全老師）

不透光物質的顏色 表面被光線照射時，會吸收大部分色光，只讓某種色光反射。 呈現出的顏色是物體表面反射的色光的顏色。

光譜 日光通過三稜鏡會分散出不同的顏色，像色散這樣連續排列的光稱為光譜。光，實際上就是所謂的電磁波。其中人眼可察覺的部分稱為可見光，包括紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等光。而人眼無法察覺的部分稱為不可見光，有紅外線、紫外線、無線電波、X光及其他的光。

紅外線 光譜中在可見光之外，最靠近紅光的，稱為紅外線。 在餐廳中會使用發出紅外線的燈泡以保持食物的溫度。 另外，藉助紅外線裝置，可在黑暗中進行照相或觀察事物。

紫外線 光譜中在可見光之外，最靠近紫光的，稱為紫外線。 醫院常用來殺菌消毒。 人體皮膚吸收紫外線，會使皮膚細胞轉換成維生素 D， 有助於骨略及牙齒健康。 但如果過度曝露於紫外線下，容易造成曬傷，甚至引起皮膚病變。 從 86 年  7 月起，環境品質文教基金會與臺灣大學全球變遷中心、中央氣象局合作，進行臺灣地區紫外線的監測及預報隔日紫外線的可能強度。

4-5 雷射

雷射名稱的由來 雷射 LASER 的全名與涵意 LASER在國內稱為雷射 ﹔在大陸稱為激光 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 光　 　 放大　　　　 激發　　 放射　　　輻射　　　　　　　　 LASER在國內稱為雷射 ﹔在大陸稱為激光

雷射光的性質（一） 雷射光是單色光 普通的光源產生的光通過三稜鏡後會產生色散現象，但雷射光不會，因為雷射是單一顏色的光。 一般常見到雷射光都是紅光雷射，此外尚有其他顏色的雷射光，例如綠色、藍色。

雷射光的性質（二） 雷射光束細而直 夜晚時，以一般的手電筒照向遠處，光線會散開成錐狀，無法照射很遠。 但若以市售的雷射光筆指向三、四十公尺外的物體，在物體表面上依然可清晰看到雷射光照射所產生的紅點。 將雷射光向天空照射，即使傳播很遠的距離，依然看到光線是一細小光束直射向高空。

雷射光的性質（三） 雷射光能量集中 因為雷射光束是細小而不散開成錐狀，所以光線的能量也集中 。 有些高能量的雷射光甚至可用來切割物體，這些雷射光在使用時眼睛是不能直接正視的，否則會造成視力傷害。即使是能量最弱的市售的雷射光筆，也不可以直接照射他人的眼睛。

雷射在工業上的應用 應用高能量雷射光來進行鑽孔、切割、焊接等。

雷射在醫療上的應用 醫療上目前廣泛的運用到雷射，例如代替傳統手術刀進行開刀、止血；皮膚上除斑、美容；眼科方面也可用來治療視網膜剝離、近視。

雷射在生活娛樂上的應用 CD音響、電腦上的光碟機、DVD等，都是使用雷射光讀寫頭來讀取碟片上的音樂或資料。 另外像大型戶外晚會等活動也常用雷射光照向天空來增加聲光效果。