5. 光速

当我们在阳光下奔跑的时候，我们的影子总是紧紧地跟着我们；汽车无论跑得多么快，它的影子也总是紧跟着它，真是形影不离。

这个简单的现象告诉我们：光的传播速度一定比人和汽车的速度快得多。假如光跑得慢，那么，光从人的头部跑到地面的时候，人又向前跑了一段距离，头部的影子就会落后一大段。事实当然不是这样的。

闪电打雷的时候，你总是先看见闪电，后听见雷声。这证明，光的传播速度比声音的传播速度也快得多。

光的传播速度有多快呢？用普通的方法是很难测得出来的。经过科学家的多次测定，光每秒钟大约跑三十万公里,即3X10⁸m/s.(更准确地说，光在真空里的速度是每秒钟299792.46公里)。也就是说，只要一秒钟，光就可以在北京和上海之间跑一百多个来回。光速差不多是声音在空气中传播速度的九十万倍。光在宇宙万物的运动会上，称得上是赛跑冠军。

光有着直线前进的性格，又有着轻盈敏捷的脚步。对这个不知疲倦的“赛跑冠军”，有的人却抱怨起来，他们说：“光跑得太慢，简直像爬行。”这是为什么呢？

当人类开始向宇宙空间进军的时候，人们深深感到宇宙实在太大了。除了太阳以外，距我们最近的恒星是半人马星座中的α星(又叫比邻星)。它发出的光要经过4.3年才能到达地球。现代的天文望远镜看到的遥远恒星，它的光要经过几十亿年才能到达地球。换句话说，我们看到的光线是它在几十亿年以前发出来的，至于现在这个恒星的面孔如何，要再等几十亿年以后才能看见。这多么让人着急啊！难怪一些科学家说：“光像蜗牛一样在宇宙中爬行。”

[典型例题]

例1. 指出下列物体中哪些是光源[　　 ]

A．太阳　 B．月亮　 C．火星　　 D．开着的电灯

[解析]：A、D是光源，因它们自身能发光，而月亮、火星的光都是对太阳光的反射，它们自身不能发光，所以不是电源．

[点拨]：理解光源的概念是解本题的关键．

例2. 太阳光穿过树叶间的孔隙，在地面上出现无数个小圆点，这是太阳的______，是由于______而形成的。

[分析]树叶间的孔隙相当于小孔，从太阳射出的光进入孔隙后，投射到地面上，就形成了太阳的像，即所谓的小孔成像。

[解答]像，光在空气中沿直线传播。

[说明]你能用光的直线传播来解释小孔能成倒像，而大孔不能成像吗？除了小孔成像，还能举出光沿直线传播的例子吗？　

例3. 打雷时，看到闪电后经5秒钟才听到雷声，估算一下发生雷鸣处离你多远？

[分析]实际上雷和闪电是同时发生的，但由于光的传播速度远远大于声音的传播速度，光速是3×10⁸米/秒，而声音在空气中传播速度仅为340米/秒，所以打雷时，先看见闪电而后听到雷声，光传播所需要的时间可以忽略不计，则5秒为雷声传播的时间，人到雷鸣处的距离可以求得。

[解答]已知：V声=340米/秒，t=5秒，根据V=s/t可得

　s=vt=340米/秒×5秒=1700米

　发生雷鸣处离人的距离为1700米。

[说明]现在公认的光在真空中的传播速度是3×10⁸米/秒，光在其它介质中的传播速度比在真空中的速度小，光在空气中的速度十分接近光在真空中的速度。　

例4. 运动会上100m跑比赛时，记时员听到发令枪声才记时，比看到冒烟记时早些还是迟些？早或迟多长时间？哪个更准确？

[分析]发令员发令时，枪声和烟同时发生并在空中传播。运动员与发令员相距很近，可以认为在发令的同时起跑。记时员在终点，由于光速远大于声速，可以认为发令的同时记时员看到了冒烟，记时员听到声音要稍后些。

[解答]看见冒烟和听到声音的时间相差

∴听到枪声要迟0.29s，看到冒烟记时准确。　

例5. 如图1所示，AB是窗口，CD为窗外一景物，用作图法画出室内可看到CD整个景物的位置和范围。

[分析]室内能看到景物上方C点的位置在光线CA和CB所夹的范围内，同理看到景物最下方的D点的位置在光线DA、DB所夹的范围内，因此要能够看到整个景物只能在上述两个范围的重叠部分。

[解答]作光线CA、CB；及DA、DB；图示阴影线即为所求，如图2所示

[模拟试题](答题时间：30分钟)

4. 利用光沿直线传播解释现象

(1)影子的形成

在阳光下或灯下，按照图中的方法，用两只手做出各种姿态，你会看到，墙上映出了狗、鸭、飞鸟等等的生动形象。

当光照射到不透明的物体上时，这时就会在不透明物体的另一侧形成一个光所照射不到的黑暗区域，这个黑暗区域就是影子。我们反过来想一想，如果光不是沿直线传播的，光就可以绕过不透明的物体，而照亮另一侧，当然也就不会出现影子了。既然出现了影子，则正好说明光是沿直线传播的。影子的现象也只能用光沿直线传播来解释。

(2)小孔成像

用一支削得很尖的铅笔，在一张硬纸片的中心部分扎一个小孔。孔的直径约三毫米左右。设法把它直立在桌子上(如图)。然后拉上窗帘，使室内的光线变暗。

点上一支蜡烛，放在靠近小孔的地方。拿一张白纸，把它放在小孔的另一面。这样，你就会在白纸上看到一个倒立的烛焰。我们称它是蜡烛的像。前后移动白纸，瞧瞧烛焰的像有什么变化。当白纸离小孔比较近的时候，像小而明亮；当白纸慢慢远离小孔的时侯，像慢慢变大，亮度变暗。

改变小孔的大小，我们再来观察蜡烛的像有哪些变化。

你可以在硬纸片上，扎几个大小不等、形状不同的孔，孔和孔之间相距几厘米。这时候在白纸上，就出现了好几个和小孔相对应的倒像。它们的大小都一样，但是清晰程度不同，孔越大，像越不清楚。孔只要够小，它的形状不论是方的、圆的、扁圆的，对像的清晰程度都没有影响。

这个实验至少向我们提出了三个问题：小孔成的像为什么是倒立的？像的大小和哪些因素有关？像的清晰程度和哪些因素有关？

为了说明这些问题，我们把蜡烛的火焰看成是由许多小发光点组成的，每个发光点都向四面八方射着光。总会有一小束光，笔直地穿过小孔，在白纸上形成一个小光斑。烛焰上的每一个发光点都会在白纸上形成一个对应的光斑，全部光斑在白纸上就组成了一个烛焰的像。

从图中可以看出，烛焰上部发的光沿直线通过小孔，照在白纸的下部；烛焰下部发出的光，通过小孔，照在白纸的上部，所以在白纸上形成一个倒立的像。这正好说明了光是直线传播的。

如果你把小孔搞得太大，穿过小孔的光束就变粗。由烛焰各部分射来的光束通过较大的孔以后，会在白纸上形成一些较大的光斑。这些光斑互相交叉重合，烛焰的像就变得模糊不清了。再增大小孔的孔径，白纸上就只会出现一个模糊的大光斑。

两千多年以前，我国学者韩非，在他的书里记载了一个有趣的故事：有人请了一个画匠为他画一张画。三年以后，画匠告诉他：“画成了！”他一看，八尺长的木板上只涂了一层漆，什么画也没有，便大发脾气，认为画匠欺骗了他。画匠说：“请你修一座房子，房子要有一堵高大的墙，再在这堵墙对面的墙上开一扇大窗户。把木板放在窗上，太阳一出来，你在对面的墙上就可以看到一幅图画。”他半信半疑，照画匠的话去办。果然，在屋子的墙壁上出现了亭台楼阁和往来车马的图象，好像一幅绚丽多彩的风景画。尤其奇怪的是，画上的人和车还在动，不过都是倒着的！

大约两千四五百年以前，我国的学者-－墨翟和他的学生，作了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原因，指出了光的直线传播的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。

(3)日食和月食

如图所示我们先来说说日食是怎样形成的，当太阳、月亮和地球正好在同一直线上时，由于光沿直线传播，太阳发出的射向地球的光都被月亮挡住了，所以没有光照射到地球上，或者说地球正好处于月亮的影区当中，所以太阳光不能进入人眼，当然人也就看不到太阳，这样就形成了日食。同样道理，我们也可利用光的直线传播来解释月食的形成。

3. 光沿直线传播的利用。

(1)激光准直

在基建工程中，为保持施工作业的质量，常常需要提供较高精度的横向、竖直基准线。以激光束作基准线精度在±1毫米以内的作业，称为激光准直。

①在开凿地下隧道工程中，过去用普通光学经纬仪等仪器，在人工照明条件下，设立桩标，建立基准线。这种方法一方面需要不断停工，影响掘进速度；另一方面在照明不足、粉尘浓度大的情况下，测程短，需要测的次数多，质量也不易得到保证。而在地铁、隧道工程中，应用激光准直，激光束可达300米远，并且亮度大，看得清楚；也便于用光电检测自动控制调整掘进机的方向。在大型掘进中，还可增加激光束的数量，当激光束较多时，可形成开掘面的轮廓，保证工程质量。

②在大型建筑施工中，经常有大面积饰面板安装工程，如大理石贴面、地板安装等。在这种情况下，利用激光束作基准线，可以提高精度。

毛主席纪念堂廊柱有44根柱子，每边12根，用大块的经过刨床加工过的花岗石作饰面，为了使12根廊柱外饰面共在一个铅直面上，采用了激光准直仪为最下面的两列石板准直。施工中，先使仪器发出的激光束与柱列中心线平行(如图)，再以激光束作为检查每根柱上花岗石板共铅直面的基准，可保证各石板共铅直面精度达到毫米量级。

在面积大、人员多、交通频繁的施工场合，激光准直线不怕碰、不怕风、不妨碍交通，使用方便、准确可靠。

(2)排队

如图所示，士兵在排队，当3号士兵看不见1号士兵时，说明1号士兵反射的光都被2号士兵挡住了，不能从其它方向传入3号士兵的眼睛，这正好利用了光沿直线传播。光有多直，队伍就有多直。其它士兵一样，就可以将队伍排的很直。

(3)瞄准与单眼调线

射击手在射击时，要求目标、准星、眼睛三点成一线，其实也是应用了光沿直线传播。当目标发出或反射的光都被准星给挡住了，这时人眼睛就看不见目标，这时才能击中目标。木工师傅在看木料是否直的时候用的单眼调线，实际也是利用了光沿直线传播。

2. 光线

　　 既然光在同一种均匀介质中是沿直线传播的，所以在物理学中用一条带箭头的直线来表示光的传播路径和方向，我们把这样带箭头的直线叫做光线。光线是人们为了研究光的方便而假想出来的物理模型，事实上并不存在。也就是说光不是由光线组成的。要求同学们会画光线、平行光线和点光源发出的光线。

1. 光的空气中沿直线传播。

　　 如图所示，这是黑夜里直直的光柱，这使我们想到光在空气中是沿直线传播的。

这是电影院中由电影放映机射向荧幕的光柱，也说明光在空气中也是沿直线传播的。我们可以利用一个透明水槽中装满水，在水中滴入几滴牛奶，然后用激光手电照射，可以观察到光在水中也是沿直线传播的。同样通过实验我们发现光在玻璃中、酒精中等各种透明物质中都是沿直线传播的。

从太阳到地球的平均距离是14960万公里。地球外面虽然包了一层很厚的大气，可是从太阳到地球之间，有一段很长的距离是没有大气的。当阳光射到大气圈的表面时，光就发生折射。由于大气层上下的密度不同，愈近地面，就折射得愈厉害。这样，阳光在地球大气层里就沿着一条弯曲的道路前进。当太阳还没有升出地平线时，如果没有大气层的折射，阳光将按图中直线1的方向传播，而被地面挡住, 就像碗壁挡住硬币一样，人就不能看见太阳。事实上，阳光在大气层外是直线方向传播的，进入大气层以后，由于大气对光的折射，就按曲线2传播，那时虽然太阳还“躲”在地平线下面，阳光却先到达了地面，人们就能见到太阳。由于人们在感觉上总以为光线是从前面一直来的，因而认为太阳在直线3的方向。所以说，太阳还没升出地平线，我们就可以看见太阳了。这说明光在不均匀的大气层中是不沿直线传播的。如图所示，当光线由空气进入玻璃时，光也不沿直线传播。而在空气中和玻璃中都是沿直线传播的。看来光沿直线传播还必须是同种物质当中才行。

综上所述，我们得出了光沿直线传播的条件是在同种均匀介质中沿直线传播。

凡是能够发光的物体都叫做光源。

光源可以分为自然光源和人造光源，凡是由自然界直接提供的光源，都是自然光源，例如，太阳(太阳是最大最好的自然光源)、萤火虫儿、磷火等等。凡是由人类自行制造出来的光源，都是人造光源，如篝火、火把、油灯、蜡烛、电灯。电灯是迄今为止人类制造出来的最好的人造光源。随着人类社会的发展和科学技术的不断近步，人类将制造出更多更好的人造光源。

在一个伸手不见五指的黑夜，无论我们怎样睁大眼睛，也看不见身边的物体，这是为什么？我们知道这是因为没有光；那么在白天，有光，如果我们用手挡住双眼，我们仍然什么也看不见，这又是为什么呢？看来人要想看到物体，有光还不行，还要有光进入人的眼睛。不要认为人的眼睛发光，发出的光照到什么地方，就看到什么？

如图，黑夜里，我们连平静的湖水都看不风，而到了白天，我们不但能够看到平静的湖水，而且还能看到美丽的倒影。

如图，五光十色的灯光给黑夜带来了光明，人们开始了丰富多彩的夜生活。

　　 如图，密密麻麻的苇林挡不住阳光对 “直” 的不懈追求。

这是神秘的X光的杰作，是一个歌手的照片。

26．用如图A3-8所示的实验研究平面镜成像的特点时，至少需要　　　　　 支蜡烛，每次实验中应观察比较　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

并且量出　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　。

25．在研究光的反射定律的实验中，如图A3-7所示，第一步(图甲)，需要改变

　　　　 　　　　　　　的方向，观察反射光线方向怎样改变；第二步(图乙)，需要把

纸板的半面F向前折或向后折，则不能看到　　　　　　 　　　　　　　　。

图A3-7　　　　　　　　　　　　　 　　　　图A3-8