【問題】大家有沒有想過光在水中為何會變慢?

北北

由 北北,
在 物理版

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北北

北北 10

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大家有沒有想過光在水中為何會變慢?

在國中時

老師總是說

因為在真空中沒有物質阻擋光前進

所以在固.液.氣中光速較慢

但是真的是這樣嗎?

我問過我們老師這個問題

但我們老師說

沒有這種解釋法

他以前也一直在想這個問題

他也問過他大學教授

但教授總是含糊帶過

老師說

這目前似乎還是無解

我們只知道會減速

但不知為什麼會減速

我覺得這真是一個好問題

大家來討論吧

:E

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雪‧鳳凰

雪‧鳳凰 10

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應該不是介質"阻擋"，這話有瑕疵，牆壁是把光給"阻擋"而不是"變慢"吧？

不過肯定介質有影響

我的解釋是：

如果光(子)會受到GMm/r^2影響

先從微觀來看，光(子)在介質裡行進會受到萬有引力而改變方向(角度超級小)

再跳回巨觀的世界，固、液、氣三態的分(原)子間距差很多，那麼在三態裡行徑相同距離(同體積)

因為密度固>液(先排除Hg)>氣，由M=VD可知，密度和質量成正比，質量越大，所含的分(原)子數就越多，受到萬有引力而改變方向的次數也越多，改變方向越多次，行徑"路程"也就越大

最後由V=L(路經長)/t可知，同時間下路徑越長，速度越慢，所以光在固體行進最慢，液體(先不談Hg)其次，氣體因為密度很小所以幾乎沒有影響...

以上我想講的是光在非真空狀態下，其行徑路線不是純粹的直線，而是不斷修正的曲線

這樣的解釋我還舉"光纖"的例子，要是分(原)子對光沒有吸引力的話，光是沒有理由跟著光纖做彎曲的行徑(請討論一下折射的可能性)

這樣解釋我知道也有問題，照我這樣講恆星就不會發光了...恆星的質量跟光纖是沒法比的

以上只是我人的看法，有錯歡迎指正！

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Sathla

Sathla 10

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應該不是介質"阻擋"，這話有瑕疵，牆壁是把光給"阻擋"而不是"變慢"吧？

不過肯定介質有影響

我的解釋是：

如果光(子)會受到GMm/r^2影響

先從微觀來看，光(子)在介質裡行進會受到萬有引力而改變方向(角度超級小)

再跳回巨觀的世界，固、液、氣三態的分(原)子間距差很多，那麼在三態裡行徑相同距離(同體積)

阻擋的意思是??? 我可不可以解釋成阻礙???

GMm/r^2

你的M要帶入什麼數??? 感覺可以帶很多東西!!!

你的m要帶入什麼數??? 光子的靜質量還是動質量???

在對這種微小粒子討論萬有引力時 你要先知道他的數量級有多小

這樣的解釋我還舉"光纖"的例子，要是分(原)子對光沒有吸引力的話，光是沒有理由跟著光纖做彎曲的行徑(請討論一下折射的可能性)這樣解釋我知道也有問題，照我這樣講恆星就不會發光了...恆星的質量跟光纖是沒法比的

以上只是我人的看法，有錯歡迎指正！

我想知道你對這部分更詳細的解釋

光纖的原理在高中教材中的解釋

光在兩介質中折射時

折射角大於臨界角 發生全反射

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孤城

孤城 10

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鳳凰的想法很有意思

不過我倒是有個疑問

如果照你這麼說

那麼整體來看光的速度應該是每個光子速度的平均才對

因為有的光子做曲線運動，而有的直線

這麼說在介質中平均速率變慢說的通

不過另一個疑問是，既然光子會被介質中的一些粒子吸引而改變軌道

那是否也意味著某些光子會因吸引的方向而做加速？

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雪‧鳳凰

雪‧鳳凰 10

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在對這種微小粒子討論萬有引力時 你要先知道他的數量級有多小

所以可以把偏差的角度視為沒有，變成我們一般認為光在介質中仍以直線行進的認知

光纖的原理在高中教材中的解釋，光在兩介質中折射時，折射角大於臨界角 發生全反射

這部分我思慮欠周，抱歉！舉例不當

某些光子會因吸引的方向而做加速？

是的！快要進入介質以前，不過那不算在介質內啊！

我剛剛在想，如果我假定光會受引力影響，那就是有質量，有質量便佔有體積，就會和分子發生碰撞，粒子發生碰裝快的減速慢的加速，所以光減速...可以用為波爐來解釋我的這個看法嗎？

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Sathla

Sathla 10

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我剛剛在想，如果我假定光會受引力影響，那就是有質量，有質量便佔有體積，就會和分子發生碰撞，粒子發生碰裝快的減速慢的加速，所以光減速...可以用為波爐來解釋我的這個看法嗎？

一般我們把光子視為完全彈性體

它會做日常生活中不太可能出現的完全彈性碰撞

微波爐的原理好像是發出超高頻的波 強迫分子振動 碰撞摩擦生熱

跟你說的有點像 又有點不一樣 思考中

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磁單極

磁單極 10

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我是波動性去考慮

以下是我之前發過的文

經過我的物理老師的指點後

大概如下

不同的光其頻率跟波長在真空中可能不同

但是他們得乘積都是光速

不同的光進入同一種介質(非真空)時其波長會發生改變

至於改變後的新波長根原波長的差值是多少呢

對於不同的光這種差值會一樣嗎

如果一樣

我認為可能是因為光只受到介質本身的影響

譬如說

介質阻礙了光的前進之類的

如果不一樣

我想很可能是除了介質外光也受其本身的某項性質所影響

例如

頻率跟波長可以算是光的兩種"本質"而所謂的本質可能還包括其他的東西

因為不同的光本質不同

所以當他們進入同一種介質(非真空)時會產生變化量不同的新波長

而由實驗得到的折射率來看

似乎後者比較正確

因該是因為不同的光對於同一介質的折射率不

內容大概是這樣

至於是什麼性質影響的

我就不了了

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清純小百合

清純小百合 10

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我是波動性去考慮

以下是我之前發過的文

經過我的物理老師的指點後

大概如下

不同的光其頻率跟波長在真空中可能不同

但是他們得乘積都是光速

不同的光進入同一種介質(非真空)時其波長會發生改變

至於改變後的新波長根原波長的差值是多少呢

對於不同的光這種差值會一樣嗎

如果一樣

您覺得呢??不同的光進入同一介質 波長的差值會一樣嘛?

我認為可能是因為光只受到介質本身的影響

譬如說

介質阻礙了光的前進之類的

如果不一樣

我想很可能是除了介質外光也受其本身的某項性質所影響

例如

頻率跟波長可以算是光的兩種"本質"而所謂的本質可能還包括其他的東西

因為不同的光本質不同

所以當他們進入同一種介質(非真空)時會產生變化量不同的新波長

而由實驗得到的折射率來看

似乎後者比較正確

因該是因為不同的光對於同一介質的折射率不

這裡是一個好問題 折射率是兩個介面的光速比值 那不同的光呢??折射率會一樣嗎??這個問題提的不錯...值得大家思考

內容大概是這樣

至於是什麼性質影響的

我就不了了

之前有討論過喔??那我漏掉了...真是抱歉= =

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yinhslin

yinhslin 10

發表於
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基本上，光在任何介質中行進遵守Maxwell's Equations所導出的波動方程。由此波動方程可以知道光速=1/(介電係數*介電常數*真空磁導率)^(1/2)。介電長數和真空磁導率基本上是常數，差就差在介電係數。介電係數永遠大於1，所以光速永遠小於c。此係數的存在是因為電場會被介質的極性化抵銷部分正負電荷造成的。有興趣可以去查"介電質"的資料。

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清純小百合

清純小百合 10

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基本上，光在任何介質中行進遵守Maxwell's Equations所導出的波動方程。由此波動方程可以知道光速=1/(介電係數*介電常數*真空磁導率)^(1/2)。介電長數和真空磁導率基本上是常數，差就差在介電係數。介電係數永遠大於1，所以光速永遠小於c。此係數的存在是因為電場會被介質的極性化抵銷部分正負電荷造成的。有興趣可以去查"介電質"的資料。

可否請樓上彙整"介電質"資料及跟本文有關的資料後

然後發文上來

感激不盡

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heinsolid

heinsolid 10

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不錯的想法 那怎嚜確保被水吸收放出後的光子都是同一個類型(同一束光進入水後 折射出來的應該也只會折射出一道光) 又怎嚜確保光子被水吸收的次數相同?? (吸收次數不同應該釋放出來的光子也不同...)

1. 這邊我不很確定，我知道的是物質對不同波長的電磁波會有不同程度的吸收，然後分子的能階會有變化，當直接跳回同一個基態時，會放出和之前能量相同的光子，能量也可以用其他路徑釋放，像振動、螢光等等，或許水在可見光這波段是以原樣放出為主。

2. 我推測是因為二項式分佈的峰值會出現在平均值，就像聲音在空氣中傳播也聽不出來有被拉長。

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yinhslin

yinhslin 10

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1. 這邊我不很確定，我知道的是物質對不同波長的電磁波會有不同程度的吸收，然後分子的能階會有變化，當直接跳回同一個基態時，會放出和之前能量相同的光子，能量也可以用其他路徑釋放，像振動、螢光等等，或許水在可見光這波段是以原樣放出為主。

2. 我推測是因為二項式分佈的峰值會出現在平均值，就像聲音在空氣中傳播也聽不出來有被拉長。

如果是這樣，假設我用強度非常大的光讓他通過介質，讓此介質中很大部份分子都處於激發態，豈不是有很多光子可以逃離此吸收放出過程？這樣的話光速不但是頻率的函數也是強度的函數，感覺有點怪怪的。

我是覺得既然光子有電磁波性質，就想成它發出的電力線和磁力線會被介質中帶有電荷的小粒子拉住或排擠，因此變慢。

另外，光子座標所經歷的時間(原時)不再是零讓我覺得怪怪的。這點是你的吸收放出理論的優勢(光子不斷消失再產生，其間仍以真空光速前進)。

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heinsolid

heinsolid 10

發表於
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個人是認為強度這邊可以忽略，大概沒有什麼介質能承受使大多數分子處於激發態的能量，而處於激發態也未必不能再吸收能量，只不過放出光子時很可能不是原來的波長。

另外，我覺得這個現象在波動和粒子觀點應該都要說得通，介電質這個想法我覺得也是OK的，這是為什麼我前面有註明是從粒子觀點。

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清純小百合

清純小百合 10

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我直覺是高一有學過光是能量也是粒子，不是有一個某某科學家用光去打一個類似電風扇的東西，結果會轉動而證明光是粒子，所以再水中可能會被阻檔吧。

接下來應該討論被介質分子影響的關鍵是什麼??

即光在水 空氣 真空或其他介質的速度 減速的關鍵在於介質的??

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  • 3 weeks later...
NoOneThere

NoOneThere 10

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介電係數是什麼?

在任何物質中，假如加入一個電場，物質中的正電荷和負電荷就會照著電場方向稍微分離，而分離出來的正負電荷，會產生一個與原本加入的電場方向相反的電場，稍微抵銷原本電場的強度。對於各種不同的物質，正負電荷分開的難易度有很大的差別，抵銷的電場強度也不同。

而這個結果會使得外加電場在物質中，強度降低，這個降低的比例我們可用一個常數來描述，這就是介電係數。而介電物質指的就是介電能力與真空不同的物質(嚴格來講所有物質都多少有些這樣的性質)。

而光，是一種電磁波 ，基本結構是電場變動感應出磁場，感應出的磁場變動在感應出電場，不斷下去往前進。但事實上在非真空狀況，感應出來的電場會因為介電物質的影響，使得感應出的電場強度降低。所以在電磁波裡，磁場變動感應電場的過程中，會發現感應出來的電場比真空中小，因此感應出來的電場變動幅度也會比較小，整體下來的結果就是會讓光速變慢(這部份必須要用到maxwell方程式才能做比較好的描述)。

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  • 4 weeks later...
emptiness

emptiness 10

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作者: a1990314

我直覺是高一有學過光是能量也是粒子，不是有一個某某科學家用光去打一個類似電風扇的東西，結果會轉動而證明光是粒子，所以再水中可能會被阻檔吧。

我記得我們自然老師說只是因為光有粒子的特性所以才把光當作粒子吧

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