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光和機械波的能量與頻率區(qū)別:探索太陽光譜的最優(yōu)頻率段

更新時間:2024-09-14 文章作者:佚名 信息來源:網(wǎng)絡(luò)整理 閱讀次數(shù):

機械波和電磁波的區(qū)別7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

這個問題可以從光與機械波的兩個主要區(qū)別來分析:能量區(qū)別和頻率區(qū)別7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1. 光和聲音(機械波)的頻率和能量7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

大家很容易理解,光子的能量和機械波的能量不在一個數(shù)量級上,其實討論單個光子的能量意義也不大,因為人類生活在地球自然環(huán)境中,人類最需要的就是我們感知到的自然光(來自太陽)和自然聲音(60db左右),我們可以先考察一下太陽光能量隨頻率(波長)的分布情況:7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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可以看出機械波和電磁波的區(qū)別,太陽光譜中能量最高的部分,無論是在被大氣吸收之前還是之后,恰好是我們視覺感知到的光譜部分(波長 380-750nm),我們可以據(jù)此定義這個頻段。波長的不同帶給我們的感覺也不同,這就是顏色的不同。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

這當(dāng)然不是偶然的,而是地球生物和環(huán)境數(shù)十億年進化的結(jié)果。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地面上的陽光能量密度大約為每平方米1.3KW,但我們的眼睛一般不會直視太陽貝語網(wǎng)校,無法感知到整個光譜。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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單位面積吸收的可見光能量強度的測量單位之一是照度(),家居環(huán)境的照度大約為300勒克斯,對于自然光來說,每瓦每平方米的能量密度對應(yīng)的光通量大約為600勒克斯,據(jù)此我們可以粗略估算,自然環(huán)境中光的吸收能量密度(人眼接收到的)為2瓦每平方米。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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考慮到人眼的結(jié)構(gòu)特點,瞳孔面積會隨著光線的強弱自動變化,瞳孔半徑(Pupil 認為是圓形)通常在 1~3.5 mm 之間變化,自然光下瞳孔半徑較小,所以為了簡單起見,取值為 1mm。那么進入人眼的光功率就是 2×10^(-6)*1^2*3.14,約為 6×10^(-6)W,也就是自然光下眼睛接收到的光功率。這是日常生活中光線比較強的情況。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對于人耳來說,感受振動的主要機制是骨膜,但聲音傳播的介質(zhì)不僅是空氣,還有頭骨、皮膚等。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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人耳對不同頻率的敏感度不同。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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聽覺的頻率范圍主要在20~20KHz之間,波長大約在17mm~17m之間,人耳能感知到的能量范圍在10^(-12)~10瓦每平方米之間,一般情況下能量密度比光要高得多。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們可能無法像定義光那樣定義聲音的最佳頻率范圍,但生物界,特別是主要生活在空氣環(huán)境中的生物的聽覺頻率范圍與人類相似,因此我們可以認為,人耳的聽覺頻率范圍也是自然界聲音中的最佳頻率范圍,是信息量最豐富的部分。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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2. 光與聲感知7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由于光的功率太小,又具有極高的空間和時間分辨率,要充分感知其中的信息,人們需要很多細胞密集地分布在很小的區(qū)域內(nèi),通過快速的光化學(xué)反應(yīng),將光信號轉(zhuǎn)換成神經(jīng)信號。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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人眼視網(wǎng)膜中感光細胞主要有兩種:視桿細胞和視錐細胞[1]。視桿細胞約有1.2億個,廣泛分布在視網(wǎng)膜上,它們不能感知顏色,只能感知光線。在弱光條件下,視桿細胞是主要光源,所以我們在夜間無法看見顏色。視錐細胞只有700萬到800萬個,主要分布在視網(wǎng)膜最深處的敏感部位黃斑(中央凹)。并且對顏色敏感。根據(jù)對不同顏色(紅、綠、藍)的敏感程度,視錐細胞又可分為短波(S)、中波(M)、長波(L)視錐細胞三種。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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視錐細胞最敏感的顏色分別是藍色、綠色、紅色,需要注意的是,各類視錐細胞也能感知其他顏色,只是相應(yīng)的放電強度沒有最敏感的顏色那么強,人類產(chǎn)生色彩感知的能力來自于三類視錐細胞對不同波長光發(fā)出的神經(jīng)信號的差異,人類所能感知的所有顏色都可以用這三組信號的強度來表示。換句話說,RGB顏色的混合是人類大腦在處理視覺信息時人為混合出來的。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

三原色是由人類的色彩視覺系統(tǒng)決定的,甚至不適用于其他動物(貓、狗等的感光器與人類不同)。我們可以用三原色混合其他顏色,因為我們的視覺系統(tǒng)無法區(qū)分其他顏色。物理學(xué)中沒有顏色。不同顏色的光本質(zhì)上是不同波長的電磁波。顏色是視覺系統(tǒng)進化而來的一種功能,用于識別自然界中的不同事物。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

這種細胞結(jié)構(gòu)、功能和分布為我們的視覺高空間分辨率提供了基礎(chǔ)。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在時間分辨率方面,它依賴于極快的光化學(xué)反應(yīng)。以視桿細胞為例:7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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其關(guān)鍵步驟為11-順式視黃醛(11-cis-)在光照下異構(gòu)化為全反式視黃醛(all-trans-),引起視紫紅質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變,并引發(fā)神經(jīng)沖動至大腦,從而產(chǎn)生視覺。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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反應(yīng)速度在10^(-12)秒(皮秒)數(shù)量級,為極高的視覺時間分辨率提供了基礎(chǔ)。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從聽覺上來說,由于聲音的頻率較低,所以我們不需要太高的空間分辨率和時間分辨率,我們對聲音空間的感知是通過兩耳聽到聲音的時間差來計算的,在時間分辨率上,組織得也非常粗糙。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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感知聽覺的最小器官是毛細胞,它隨著聲音(機械波)振動并轉(zhuǎn)換成神經(jīng)電位。您可以觀看視頻:毛細胞隨著音樂跳舞:7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

總結(jié):7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們感知的聽覺和視覺范圍已經(jīng)進化了數(shù)億年。這兩個頻率范圍分別是自然界中光和聲音信息最豐富的頻率范圍。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由于光與聲的能量密度不同,它們能夠引發(fā)的反應(yīng)機制也不同,引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)只需要很少的能量,而引發(fā)細胞振動(毛細胞)則需要很大的能量。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

光的頻率較高,空間分辨率極高,這就要求視網(wǎng)膜上神經(jīng)細胞的密度很高;聲音的空間分辨率較低,因此不需要集中那么多細胞。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

光的時間分辨率極高,只有光化學(xué)反應(yīng)才能支撐;聲音的時間分辨率低,細胞的振動就足夠了7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

光的頻率差異導(dǎo)致顏色感知,聲音的頻率差異導(dǎo)致音調(diào)感知的差異。但它們對一個人的重要性是不同的。顏色感知對于每個人的視覺理解都很重要,所以每個人都有較高的顏色視覺識別能力。音調(diào)對除了音樂家之外的大多數(shù)人的生存沒有太大影響機械波和電磁波的區(qū)別,所以大多數(shù)人的音調(diào)識別能力很差。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

視覺和聽覺機構(gòu)似乎都遵循著“足夠”和“好用”的原則,用最少的資源達到最大的目的。7gH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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