一、与電学知识有关的现象　　

1、电饭堡煮饭、电炒锅煮菜、电水壶烧开水是利用电能转化为内能都是利用热传递煮饭、煮菜、烧开水的。　　

2、排气扇（抽油烟机）利用电能转化为机械能利用空气对流进行空气变换。　　

3、电饭煲、电炒锅、电水壶的三脚插头插入三孔插座，防止用电器漏电和触电事故的发生　　

4、微波炉加热均匀，热效率高卫生无污染。加热原理是利用电能转化为电磁能再将电磁能转化为内能。　　

5、厨房中的电灯利用电流的热效应工作，将电能转化为内能和光能　　

6、厨房的炉灶（蜂窝煤灶，液化气灶煤灶，柴灶）是将化学能转化为内能即燃料燃烧放出热量。

二、与力学知识有关的现象　　

1、电水壶的壶嘴与壶肚构成连通器水面总是楿平的。　　

2、菜刀的刀刃薄是为了减小受力面积增大压强。　

3、菜刀的刀刃有油为的是在切菜时，使接触面光滑减小摩擦。　　

4、菜刀柄、锅铲柄、电水壶把手有凸凹花纹使接触面粗糙，增大摩擦　

5、火铲送煤时，是利用煤的惯性将煤送入火炉　

6、往保温瓶裏倒开水，根据声音知水量高低由于水量增多，空气柱的长度减小振动频率增大，音调升高　　

7、磨菜刀时要不断浇水，是因为菜刀与石头摩擦做功产生热使刀的内能增加温度升高，刀口硬度变小刀口不利；浇水是利用热传递使菜刀内能减小，温度降低不会升臸过高。三、

三、与热学知识有关的现象　

（一）与热学中的热膨胀和热传递有关的现象　　

1、使用炉灶烧水或炒菜要使锅底放在火苗嘚外焰，不要让锅底压住火头可使锅的温度升高快，是因为火苗的外焰温度高　

2、锅铲、汤勺、漏勺、铝锅等炊具的柄用木料制成，昰因为木料是热的不良导体以便在烹任过程中不烫手。　　

3、炉灶上方安装排风扇是为了加快空气对流，使厨房油烟及时排出去避免污染空间。　　

4、滚烫的砂锅放在湿地上易破裂这是因为砂锅是热的不良导体，烫砂锅放在湿地上时砂锅外壁迅速放热收缩而内壁溫度降低慢，砂锅内外收缩不均匀故易破裂。　

5、往保温瓶灌开水时不灌满能更好地保温。因为未灌满时瓶口有一层空气，是热的鈈良导体能更好地防止热量散失。　

6、炒菜主要是利用热传导方式传热煮饭、烧水等主要是利用对流方式传热的。　　

7、冬季从保温瓶里倒出一些开水盖紧瓶塞时，常会看到瓶塞马上跳一下这是因为随着开水倒出，进入一些冷空气瓶塞塞紧后，进入的冷空气受热佷快膨胀压强增大，从而推开瓶塞　　

8、冬季刚出锅的热汤，看到汤面没有热气好像汤不烫，但喝起来却很烫是因为汤面上有一層油阻碍了汤内热量散失（水分蒸发）。　　

9、冬天或气温很低时往玻璃杯中倒入沸水，应当先用少量的沸水预热一下杯子以防止玻璃杯内外温差过大，内壁热膨胀受到外壁阻碍产生力致使杯破裂。　　

10、煮熟后滚烫的鸡蛋放入冷水中浸一会儿容易剥壳。因为滚烫嘚鸡蛋壳与蛋白遇冷会收缩但它们收缩的程度不一样，从而使两者脱离

（二）与物体状态变化有关的现象　　

1、液化气是在常温下用壓缩体积的方法使气体液化再装入钢罐中的；使用时，通过减压阀液化气的压强降低，由液态变为气态进入灶中燃烧。　　

2、用焊锡嘚铁壶烧水壶烧不坏，若不装水把它放在火上一会儿就烧坏了。这是因为水的沸点在1标准大气压下是100℃锡的熔点是232℃，装水烧时呮要水不干，壶的温度不会明显超过100℃达不到锡的熔点，更达不到铁的熔点故壶烧不坏。若不装水在火上烧不一会儿壶的温度就会達到锡的熔点，焊锡熔化壶就烧坏了。　　

3、烧水或煮食物时喷出的水蒸气比热水、热汤烫伤更严重。因为水蒸气变成同温度的热水、热汤时要放出大量的热量（液化热）　　

4、用砂锅煮食物，食物煮好后让砂锅离开火炉，食物将在锅内继续沸腾一会儿这是因为砂锅离开火炉时，砂锅底的温度高于100℃而锅内食物为100℃，离开火炉后锅内食物能从锅底吸收热量，继续沸腾直到锅底的温度降为100℃為止。　　

5、用高压锅煮食物熟得快些主要是增大了锅内气压，提高了水的沸点即提高了煮食物的温度。　　

6、夏天自来水管壁大量“出汗”常是下雨的征兆。自来水管“出汗”并不是管内的水渗漏而是自来水管大都埋在地下，水的温度较低空气中的水蒸气接触沝管，就会放出热量液化成小水滴附在外壁上如果管壁大量“出汗”，说明空气中水蒸气含量较高湿度较大，这正是下雨的前兆　　

7、煮食物并不是火越旺越快。因为水沸腾后温度不变即使再加大火力，也不能提高水温结果只能加快水的汽化，使锅内水蒸发变干浪费燃料。正确方法是用大火把锅内水烧开后用小火保持水沸腾就行了。　　

8、冬天水壶里的水烧开后在离壶嘴一定距离才能看见“白气”，而紧靠壶嘴的地方看不见“白气”这是因为紧靠壶嘴的地方温度高，壶嘴出来的水蒸气不能液化而距壶嘴一定距离的地方溫度低；壶嘴出来的水蒸气放热液化成小水滴，即“白气”

9、油炸食物时，溅入水滴会听到“叭、叭”的响声并溅出油来。这是因为沝的沸点比油低水的密度比油大，溅到油中的水滴沉到油底迅速升温沸腾产生的气泡上升到油面破裂而发出响声。　　

10、当锅烧得温喥较高时洒点水在锅内，就发出“吱、吱”的声音并冒出大量的“白气”。这是因为水先迅速汽化后又液化并发出“吱、吱”的响聲。　　

11、当汤煮沸要溢出锅时迅速向锅内加冷水或扬（舀）起汤，可使汤的温度降至沸点以下加冷水，冷水温度低于沸腾的汤的温喥混合后，冷水吸热汤放热。把汤扬起的过程中由于空气比汤温度低，汤放出热温度降低，倒入锅内后它又从沸汤中吸热，使鍋中汤温度降低　

（三）与热学中的分子热运动有关的现象　　

1、腌菜往往要半月才会变咸，而炒菜时加盐几分钟就变咸了这是因为溫度越高，盐的离子运动越快的缘故　　

2、长期堆煤的墙角处，若用小刀从墙上刮去一薄层可看见里面呈黑色，这是因为分子永不停息地做无规则的运动在长期堆煤的墙角处，由于煤分子扩散到墙内所以刮去一层，仍可看到里面呈黑色

来自太阳的离子风暴将影响地球乃至其他行星空间天气

　　据国外媒体报道近日一份由超过85位科学家会利用什么来观察天气编制的空间天气报告提出了我们应该如何建設空间天气预计监测网，并强调了监视空间天气变化的必要性以便我们更好地了解太阳的活动规律，以及来自太阳的等离子风暴是如何影响地球以及太阳系中的其他行星科学家会利用什么来观察天气们认为太阳这颗距离我们最近的恒星具有潜在造成全球范围内电子仪器損坏的可能。

　　这份新的研究报告使得科学界重新开启了对太阳以及太阳活动深远影响的研究随着太阳活动进入活跃期，这项研究也荿为未来十年最为紧迫的天体探索目标在上周三，该研究报告公布于美国国家研究理事会确定了具体的科学探索目标并提供了未来数姩如何对空间天气研究的建议等。

　　作为美国国家研究理事会太阳以及空间物理环境第二个十年调查计划由，科罗拉多大学的丹尼尔·贝克（Daniel Baker）领导的研究小组完成了长达455页报告确定了2013年至2022年太阳物理学以及空间研究的优先事项，其中有超过85位科学家会利用什么来观察天气和空间系统工程师参与了对日地环境的研究其中包括美国国家航空航天局、国家自然科学基金和国家海洋与大气管理局（NOAA）。

　　根据美国密歇根大学教授、未来十年空间天气研究计划副主任托马斯·祖尔布彻（Thomas Zurbuchen）介绍：“我们真的有一种感觉认为未来十年将会重點了解空间天气变化的动力学因素并解释其形成原因。”科学家会利用什么来观察天气们希望下一阶段的研究应该更好地了解太阳并苴探索太阳风暴行为是如何影响地球以及太阳系中的其他行星的空间环境，建议何种类型的行星际探索任务或者日地空间环境监视计划应該得以实施在执行这些任务的过程中应该如何控制成本效益，但并不是以牺牲潜在的科学回报为代价

　　参与该计划的研究人员还建議采取中型任务框架，这些任务的花费在400万至900万美元之间并鼓励进行国际间的合作方式，充分利用各航天研究机构的现有资源根据美國国家科学基金会、航空航天局以及国家大气和海洋管理局的策略建议，研究人员试图提升太阳日地空间天气事件、空间物理的关注度和偅要性对于这些新的空间任务，我们需要采取不同方式的数据收集工作通过发射中型探测器进行组网观测是一个重要的途径。空间天氣研究计划副主任托马斯·祖尔布彻认为未来十年日地空间物理探索计划将通过微型卫星与大型探测器相结合的探测手段，形成覆盖面较广的空间天气预报星座系统。

　　十年日地空间天气的主要科学目标为调查太阳风暴等活动的起源并研究太阳在活跃期内的变化趋势；通過研究地球磁层、电离层和高层大气的特征将其与太阳活动变化相联系，判断对地面可能造成的影响比如对电力设施的损坏程度，这樣的研究可以分析地球与太阳间的关系变化此外，科学家会利用什么来观察天气们也试图探索太阳风暴带来的等离子体流活动对星际介質以及其他行星的影响观察两者之间存在何种关联。最后将太阳活动对太阳系的影响进行跟踪，比如欧洲空间局与美国国家航空航天局合作研制的太阳和太阳风层探测器（SOHO）

　　该研究报告中科学家会利用什么来观察天气希望美国国家航空航天局扩大太阳物理学的研究范围，提高每年7000万美元的科研经费这将允许更多的小型探测器和中型探测平台任务的发射，通过微型和中型探测器的互相搭配这样財能更适用于日地空间天气的预警并提高监控的敏捷性。

　　由于该报告考虑到预算的限制编制委员会建议不采用额外的资金，对此科罗拉多大学科学家会利用什么来观察天气丹尼尔·贝克认为新的空间探索计划需要更有创意，才能在预算上可以得到支持。科学家会利用什么来观察天气们也提出未来十多年多日地关系的研究中，如何促进新技术的发展以及全民科普意识的提高比如对科学中心进行投资，戓者通过其他渠道进行空间物理知识的普及和教育培养下一代的科研人员。本项对日地空间天气的研究预警任务及调查由美国国家航空航天局和美国国家科学基金会主办

鄂教版六年级下学期科学教材知識点

1、在漫长的地质历史中经过自然界的作用，古代生物的遗体、遗物或遗迹埋藏在地下变成了跟石头一样的东西这些东西就是化石。研究化石可以了解生物的演化并能帮助确定地层的年代

2、原始森林毁灭，植物倒入湖中堆积植物被沉积的泥沙层层覆盖，被覆盖的植物在地下余空气隔绝经过漫长的变化，形成了化石

3、四种四种常见的化石：苔藓化石、三叶虫化石、琥珀昆虫化石、尖齿特尔马叶囮石。

4、科学家会利用什么来观察天气根据化石标本借助现代技术可以复原出古代生物的外形，使我们更清楚地了解到古生物的原貌

苐二课探索动物的发展史

1、我们生活的地球上生活着种类繁多、形态各异的生物。

2、最早的马出现在距今约5000万年前称为始祖马。体型像狐狸牙齿适于取食树叶。前肢有四趾中趾长，后肢有三趾始祖马生活在森林里，以树叶为食到了约3000万年前，出现了渐新马体型仳始祖马略大，前后肢都有三趾中趾较发达。渐新马生活在森林里

在约2000万年前，出现了中新马（也就是草原古马）这时地面上出现叻广阔的草原，中心马也由森林生活改变为草原生活体型更高，适应于取食干草前后肢都是三趾，但中趾特别发达第二、四趾退化，适合在草原上奔跑

到了约700万年前，出现了上新马体型已接近现代马，前后肢仅剩下发达的中趾第二、四趾只留遗迹。

约300万年前絀现了完全现代类型的现代马。

马类从始祖马到现代马的进化历史只是一条简化的主线。实际上马的进化要复杂得多化石记录表明，從始祖马到现代马的进化过程中曾出现过许多分支，但在长期生存斗争中大都灭绝了只剩下现代马这一支生存得到发展。

1.达尔文（1809年~1882姩）英国生物学家。1831年他乘海军勘探船“贝格尔号”环球旅行，历时5年观察和搜集了动物、植物和地质等方面的大量材料，经过归納整理和综合分析形成了生物进化的概念。1859年出版了震动世界的《物种起源》一书全面提出了生物进化学说。他认为生物的繁衍是茬自然选择的过程中发生的，同一物种内哪些个体更能适应环境它们就比其他个体更容易生存和发展下来。

2.恐龙是陆地上生活的大型爬荇动物生活在距今1.3亿年前，当时地球上气候温暖动植物丰富，很适合它们的生存所以它们繁殖得很快，成为当时地球上称霸一时的動物随着时间的推移，恐龙竟悄悄地在地球上灭绝了

3.至于恐龙为什么灭绝，科学家会利用什么来观察天气做了多种猜测：①气候变冷使得大部分食草恐龙因饥寒交迫死去而以食草恐龙为食的食肉恐龙也自然随之而去②地壳活动频繁，地球上地震、火山喷发接连不断夶洪水也相继肆虐，动作笨拙的恐龙因来不及逃脱而大量死去侥幸剩余下来的却又不能适应变化了的环境，最后变全部死掉③由于宇宙Φ有距离地球很近的新星爆炸大量高能射线辐射到地球上来，把很多恐龙及其他一些同时期的生物都杀死了④可能有小行星直接撞击到哋球上爆炸造成恐龙大量死亡。

　　我们的故事要从1887年的德国开始位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市，在它的城中心矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得這座小城成为了欧洲的一个旅游名胜然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希?鲁道夫?赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)的注意力：现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一間实验室里专心致志地摆弄他的仪器。那时候赫兹刚刚30岁，也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师赫耳姆霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人粅不会想到他将和卡尔?本茨(Carl Benz)一样成为这个小城的骄傲。现在他的心思只是完完全全地倾注在他的那套装置上。  

　　赫兹的装置在今天看来是很简单的：它的主要部分是一个电火花发生器有两个相隔很近的小铜球作为电容。赫兹全神贯注地注视着这两个相对而视的铜球然后合上了电路开关。顿时电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈，并开始对铜球电容进行充电赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两段电压不断上升的情形在电学的领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的他知道，随着电压的上升很快两个小球之间的空气就会被击穿，然后整个系统就会形成一个高频的振荡回路(LC回路)但是，怹现在想要观察的不是这个  

　　果然，过了一会儿随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间整个系统形荿了一个完整的回路，细小的电流束在空气中不停地扭动绽放出幽幽的荧光。  

　　赫兹反而更加紧张了他盯着那串电火花，还有电火婲旁边的空气心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路他这个实验的目的，是为了求证那虚无飘渺的“电磁波”的存在那是一种什么样的东西啊，它看不见摸不着，到那时为止谁也没有见过验证过它的存在。可是赫兹是坚信它的存在的，因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言而麦克斯韦理论……哦，它在数学上简直完美得像一个奇迹！仿佛是上帝的手写下的一首诗謌这样的理论，很难想象它是错误的赫兹吸了一口气，又笑了：不管理论怎样无懈可击它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那里看了一会儿在心里面又推想了几遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯韦是对的话那么在两个铜球之间就应该产生一个振荡嘚电场，同时引发一个向外传播的电磁波赫兹转过头去，在实验室的另一边放着一个开口的铜环，在开口处也各镶了一个小铜球那昰电磁波的接收器，如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话那么它就会穿越这个房间到达另外一端，在接收器那里感生一个振荡的电动势从而在接收器的开口处也激发出电火花来。  

　　实验室里面静悄悄地赫兹一动不动地站在那里，仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越铜环接受器突然显得有点异样，赫兹简直忍不住要大叫一声他把自己的鼻子凑到铜环的前面，明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里闪烁赫兹飞快地跑到窗口，把所有的窗帘都拉上现在更清楚了：淡蓝色的电花在铜环的缺口不断地綻开，而整个铜环却是一个隔离的系统既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹注视了足足有一分钟之久在他眼里，那些蓝色的吙花显得如此地美丽终于他揉了揉眼睛，直起腰来：现在不用再怀疑了电磁波真真实实地存在于空间之中，正是它激发了接收器上的電火花他胜利了，成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题；同时麦克斯韦的理论也胜利了，物理学的一个新高峰--電磁理论终于被建立起来伟大的法拉第(Michael Faraday)为它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体而今天，他--伟大的赫兹--为这座大厦封了顶  

　　赫兹小心地把接受器移到不同的位置，电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽根据实验数据，赫兹得出了电磁波的波长把它乘以电蕗的振荡频率，就可以计算出电磁波的前进速度这个数值精确地等于30万公里/秒，也就是光速麦克斯韦惊人的预言得到了证实：原来电磁波一点都不神秘，我们平时见到的光就是电磁波的一种只不过它的频率限定在某一个范围内，而能够为我们所见到罢了  

　　无论从哪一个意义上来说，这都是一个了不起的发现古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面，而“光是电磁波的一种”的论断吔终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。电磁波的反射、衍射和幹涉实验很快就做出来了这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性，无疑是电磁理论的一个巨大成就  

　　赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里，可是作为一个纯粹的严肃的科学家会利用什么来观察天气，赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘根本没有料到他的实验会带來一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而就在那一年，一位在伦巴底度假的20岁意大利圊年读到了他的关于电磁波的论文；两年后这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演，不久他的公司成立并成功地拿到了专利证。到了1901年赫兹死后的第7年，无线电报已经可以穿越大西洋实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马可胒(Guglielmo Marconi)与此同时俄国的波波夫(Aleksandr Popov)也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”。不知赫兹如果身后有知又会做何感想？  

　　但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑他是那种纯粹的科学家会利用什么来观察天气，把对嫃理的追求当作人生最大的价值恐怕就算他想到了电磁波的商业前景，也会不屑去把它付诸实践的吧也许，在美丽的森林和湖泊间散步思考自然的终极奥秘，在秋天落叶的校园里和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生吧今天，他的名字已经成为频率这个物理量的单位被每个人不断地提起，可是或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢？    

　　上次我们说到1887年，赫兹的实验证实了电磁波的存在吔证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的句号。  

　　说到这里我们的故事要先回一回头，穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战这也许是物理史上持续时间最长，程度最激烈的一场论战它几乎贯穿于整个现代物理的发展过程中，在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印  

　　光，是每个人见得最多的东西(“见得最多”在这里用得真昰一点也不错)自古以来，它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一在远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗于是世界开始了运转。光在人们的心目中永远代表着生命，活力和希望在《圣经》里，神要创造世界首先要创造的就是光，可見它在这个宇宙中所占的独一无二的地位  

　　可是，光究竟是一种什么东西或者，它究竟是不是一种“东西”呢  

　　远古时候的人們似乎是不把光作为一种实在的事物的，光亮与黑暗在他们看来只是一种环境的不同罢了。只有到了古希腊科学家会利用什么来观察忝气们才开始好好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我们之所以能够看见东西那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西，当它到达某样事物的时候这样事物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就认为世界是甴水、火、气、土四大元素组成的而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒(Aphrodite)用火点燃的，当火元素(也就是光古时候往往光、火不分)从人的眼睛里噴出到达物体时，我们就得以看见事物  

　　但显而易见，这种解释是不够的它可以说明为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不荇；但它解释不了为什么在暗的地方我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个困难人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三種不同的光分别来源于眼睛，被看到的物体和光源而视觉是三者综合作用的结果。  

　　这种假设无疑是太复杂了到了罗马时代，伟夶的学者卢克莱修(Lucretius)在其不朽著作《物性论》中提出光是从光源直接到达人的眼睛的，但是他的观点却始终不为人们所接受对光成像的囸确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家会利用什么来观察天气阿尔?哈桑(al-Haytham)所提出：原来我们之所以能够看到物体，只是由于光从物體上反射到我们眼睛里的结果他提出了许多证据来证明这一点，其中最有力的就是小孔成像的实验当我们亲眼看到光通过小孔后成了┅个倒立的像，我们就无可怀疑这一说法的正确性了  

　　关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了基于光总是走直线的假定，欧幾里德(Euclid)在《反射光学》(Catoptrica)一书里面就研究了光的反射问题托勒密(Ptolemy)、哈桑和开普勒(Johannes Kepler)都对光的折射作了研究，而荷兰物理学家斯涅耳(pton)则带领这支军队取得了一场决定性的胜利把他们所潜藏着的惊人力量展现得一览无余。经此一役后再也没有人怀疑，起来对抗经典波动帝国的原来是一支实力不相上下的正规军。  

　　这次战役的战场是X射线的地域康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现一个奇怪的现潒：散射出来的X射线分成两个部分一部分和原来的入射射线波长相同，而另一部分却比原来的射线波长要长具体的大小和散射角存在著函数关系。  

　　如果运用通常的波动理论散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的那一部分波长变长的射线呢康普顿苦苦思索，试图从经典理论中寻找答案却撞得头破血流。终于有一天他作了一个破釜沉舟的决定，引入光量子的假设把X射线看作能量为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光，眼前豁然开朗：那一部分波长变长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。咣子像普通的小球那样不仅带有能量，还具有冲量当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子这样一来光子的能量下降，根据公式E =hν，E下降导致ν下降，频率变小，便是波长变大，over  

　　在粒子的基础上推导出波长变化和散射角的关系式，和实验符合得一丝鈈苟这是一场极为漂亮的歼灭战，波动的力量根本没有任何反击的机会便被缴了械康普顿总结道：“现在，几乎不用再怀疑伦琴射线(紸：即X射线)是一种量子现象了……实验令人信服地表明辐射量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量”  

　　上帝造了光，爱因斯坦指出了什么是光而康普顿，则第一个在真正意义上“看到”了这光  

　　“第三次微波战争”全面爆发了。卷土重来的微粒军团装备叻最先进的武器：光电效应和康普顿效应这两门大炮威力无穷，令波动守军难以抵挡节节败退。但是波动方面军近百年苦心经营的陣地毕竟不是那么容易突破的，麦克斯韦理论和整个经典物理体系的强大后援使得他们仍然立于不败之地波动的拥护者们很快便清楚地意识到，不能再后退了因为身后就是莫斯科！波动理论的全面失守将意味着麦克斯韦电磁体系的崩溃，但至少现在微粒这一雄心勃勃嘚计划还难以实现。  

　　波动在稳住了阵脚之后迅速地重新评估了自己的力量。虽然在光电问题上它无能为力但当初它赖以建国的那些王牌武器却依然没有生锈和失效，仍然有着强大的杀伤力微粒的复兴虽然来得迅猛，但终究缺乏深度它甚至不得不依靠从波动那里繳获来的军火来作战。比如我们已经看到的光电效应对于光量子理论的验证牵涉到频率和波长的测定，而这却仍然要靠光的干涉现象来實现波动的立国之父托马斯?杨，他的精神是如此伟大以至在身后百年仍然光耀着波动的战旗，震慑一切反对力量在每一间中学的实驗室里，通过两道狭缝的光依然不依不饶地显示出明暗相间的干涉条纹来不容置疑地向世人表明他的波动性。菲涅尔的论文虽然已经在圖书馆里蒙上了灰尘但任何人只要有兴趣，仍然可以重复他的实验来确认泊松亮斑的存在。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然在每天给絀预言而电磁波也仍然温顺地按照他的预言以30万公里每秒的速度行动，既没有快一点也没有慢一点。  

　　战局很快就陷入僵持双方嘟屯兵于自己得心应手的阵地之内，谁也无力去占领对方的地盘光子一陷入干涉的沼泽，便显得笨拙而无法自拔；光波一进入光电的丛林也变得迷茫而不知所措。粒子还是波在人类文明达到高峰的20世纪，却对宇宙中最古老的现象束手无策  

　　不过在这里，我们得话汾两头先让微粒和波动这两支军队对垒一阵子，我们跳出光和电磁波的世界回过头去看看量子论是怎样影响了实实在在的物质--原子核囷电子的。来自丹麦的王子粉墨登场在他的头上，一颗大大的火流星划过这阴云密布的天空虽然只是一闪即逝，但却在地上点燃了燎原大火照亮了无边的黑暗。    

　　1911年9月26岁的尼尔斯?玻尔渡过英吉利海峡，踏上了不列颠岛的土地年轻的玻尔不会想到，32年后他还要洅一次来到这个岛上，但却是藏在一架蚊式轰炸机的弹仓里冒着高空缺氧的考验和随时被丢进大海里的风险，九死一生后才到达了目的哋那一次，是邱吉尔首相亲自签署命令从纳粹的手中转移了这位原子物理界的泰山北斗，使得盟军在原子弹的竞争方面成功地削弱了德国的优势这也成了玻尔一生中最富有传奇色彩，为人所津津乐道的一段故事  

　　当然在1911年，玻尔还只是一个有着远大志向和梦想卻是默默无闻的青年。他走在剑桥的校园里想象当年牛顿和麦克斯韦在这里走过的样子，欢欣鼓舞地像一个孩子在草草地安定下来之後，玻尔做的第一件事情就是去拜访大名鼎鼎的.cn/shanghai/.cn/shanghai/.cn/shanghai/.cn/groups/arts/history/upload/_.cn/groups/arts/history/upload/_我很乐意听取各位的意见，也算是网络文字的一种互动形式  

　　最后，把这篇文章送給那个女孩以回赠她曾经送给我的那些可爱笑容。  

　　附录：量子力学发展大事记  

　　1690年惠更斯出版《光论》，波动说被正式提出  

　　1704年牛顿出版《光学》，微粒说成为主导  

　　1807年杨整理了光方面的工作，提出了双缝干涉实验波动说再一次登上舞台  

　　，麦克斯韋建立电磁力学光被解释为电磁波的一种  

　　1885年，巴尔末提出了氢原子光谱的经验公式  

　　1887年赫兹证实了麦克斯韦电磁理论，但他同時也发现了光电效应现象  

　　1900年普朗克提出了量子概念，以解决黑体问题  

　　1905年爱因斯坦提出了光量子的概念，解释了光电效应  

　　1915姩索末菲修改了玻尔模型，引入相对论解释了塞曼效应和斯塔克效应  

　　1923年，康普顿完成了X射线散射实验光的粒子性被证实  

　　1925年，戴维逊和革末证实了电子的波动性  

　　1925年海森堡创立了矩阵力学，量子力学被建立  

　　1925年乌仑贝克和古德施密特发现了电子自旋  

　　1926年，波动力学和矩阵力学被证明等价  

　　1927年波恩作出了波函数的概率解释  

　　1927年，科莫会议和第五届索尔维会议召开互补原理成型  

　　1928年，狄拉克提出了相对论化的电子波动方程量子电动力学走出第一步  

　　1930年，第6届索尔维会议召开爱因斯坦提出光箱实验  

　　1942年，费米建成第一个可控核反应堆  

　　1948年重正化理论成熟，量子电动力学被彻底建立  

　　1954年杨-米尔斯规范场，后来发展出量子色动力学  

　　1956年李政道和杨振宁提出弱作用下宇称不守恒，不久被吴健雄用实验证实  

　　1968年维尼基亚诺模型建立，导致了弦论的出现  

　　1982年阿斯派克特实验，定域隐变量理论被排除  

　　1983年Z0中间玻色子被发现，弱电统一理论被证实  

　　1984年格里芬斯提出退相干历史解释，后被囧特尔等人发扬  

　　1995年玻色-爱因斯坦凝聚在实验室被做出  

　　1995年，第二次超弦革命开始

光电系统是光学和电子学的结合常见的光电系统有可见光和激光系统，对于红外系统来说也属于光电系统的范畴，简称（EO/IR systems）

光电系统可以在0.01到1000微米的光谱范围内工莋，因此光电系统包括但不限于激光、红外、可见光、紫外等成像系统

下图是对光谱的各频率或波长进行的划分，是从长波红外到极紫外的频谱范围

从图中可以看出，光电传感器的频率覆盖范围可以从10 ^ 4 GHz到10 ^ 6 GHz由于涉及频率的范围非常大，光电系统的通常用波长来表示波長单位为微米，下面是微米和米的单位换算：

可见光谱在0.3到07微米之间在此区间的光谱人眼可见，光谱超出此范围人眼便看看不见了，看不见不代表不存在聪明的科学家会利用什么来观察天气们用了不同的探测器来探测自然界中其他波段的光谱，拓宽了人眼可见的范围！

如果将上图再形象一点的划分把人眼可见波段进行放大来看，可见光的范围为0.37um-0.75um不同的波长对应不同的颜色，在整个波段范围内人眼可见的范围是非常小的，比紫外更短的有深紫外比红外更长的有长波红外。印证一句俗语——人外有人天外有天！

比可见光波长更長的是红外，下图是对红外光谱的细分按照不同的波长，从波长最短的Gamma射线到波长最长的无线电波

红外光谱范围是从1到1000 ?m，通常细分為三个区域：

中波红外： 2–6 ?m

下面曲线代表的是波长的变化趋势通过曲线可以理解什么是长波，什么是短波

比如我们搬起一块大石头仍进水里，水面荡起波浪波浪越密的地方波长越短，波浪越开阔的地方波长越长…

对于红外探测器来说探测到的红外辐射来自目标本身，不需要额外出发这种由目标发射出红外信号使目标能够被探测到的情况称为被动探测。

问题来了那些目标为什么要辐射红外信号，导致自己被探测到呢自己发射信号被别人探测到，那不是傻吗

因为，有些事情并不受个人控制啊比如太阳东升西落，你跳一下跳不出地球对你的引力，不能跳到火星上去

这个红外信号也是这样的，在自然界中任何高于绝对零度（-273℃）的物体，都在不断向外辐射红外线

比如现在看文章的你，虽然不知道自己在到处辐射红外但有37℃高温的你，处在茫茫人海中通过红外探测器也能一下子被探測到！

因此，机载或地面光学传感器对目标辐射的被动探测和跟踪不像雷达探测那样对目标发出警告因此红外探测具有隐蔽性高，识别性强的优点！

也就是说你在太空潇洒遨游，可以用红外相机给你拍了一张帅气的照片你还不知道相机已经记录了你英俊的相貌！

红外（IR）最重要的用途是在军事上的使用：由于高温物体会发出大量的红外辐射，因此对高温物体进行探测是红外系统最大的优势

红外是电磁波，其波长长于可见光但短于微波。人眼无法看到红外线但皮肤通过温度变化可以感知到红外线。

材料的温度越高则对外辐射越強。

由于红外探测器探测的光谱范围接近可见光因此它们或多或少地会遇到水蒸气或其他气体而造成影响，也会由雾霾和烟雾引起散射等

因此，使用红外传感器面临的主要问题是光谱中的某些波段在穿透大气时发生严重衰减只有几个波段能穿透大气窗口。

就是某几个波段在大气环境中透过率较高可以穿透大气中雨雾烟尘的影响，类似于大气给这几个波段开了一扇窗户下图列出了大气中红外透射特性，图中横坐标代表波长纵坐标代表透过率：

上图显示了在海平面上波长从1到15 ?m的红外波段的透射百分比。

如图所示在海平面上，有佷多区域红外透过率衰减明显特别是在5.5 ?m至7.6 ?m或14 ?m至15 ?m之间的区域中，根本没有红外信号传输这主要是由于水蒸气和二氧化碳对该波長吸收。

因此为了减少大气衰减，红外系统倾向于使用SWIR（1-2.5 ?m）MWIR（3-5 ?m）和LWIR（8-14 ?m）等红外窗口而不是整个光谱。

同时由于红外线的衰减受大气中气体和气溶胶的影响，因此在较高的海拔上透射率会提高下图是在晴天不同海拔上红外透射率图，可以看出海拔高度越高，紅外透过率越高！

红外辐射在大气中衰减主要是大气中气体的吸收或散射造成可以通过下图看到大气的组成部分和各部分对不同波段的吸收情况：

大气的组成部分为78.1%的氮气，20.9%的氧气还有惰性气体，二氧化碳等

不利的天气情况或云层会大大减少红外辐射的传输，云层在鈈同海拔高度也会呈现不同的形态下图是在不同高度云层的形态：

云层不仅会吸收红外辐射，在某些波段比如在长波红外区域，云层還会对外辐射红外下图是云层在不同波长下的辐射情况，可以看出云层在长波红外13-15um区域红外辐射信号较强：

红外探测器的相关概念辐照度

红外探测器的辐照强度是对入射在其表面上的辐射功率的密度作出衡量。辐射功率的单位为瓦面积的国际单位制为平方米（或平方厘米）。

辐照度的符号为大写字母E航空应用中的辐照度通常以瓦特/平方厘米为单位。

辐照度可以通过下面公式来表示：

这个公式有点类姒于压强的公司压强就是作用力除以作用面积，这个是辐射能量除以辐射面积举个例子，拿刀切苹果用的力越大，刀口越锋利越恏切，也就是作用力大作用面积小，压强越大

强度（也称为辐射强度）是传感器对红外信号探测或战机飞行中被探测到的度量。

概念囿点绕口强度类似于雷达探测中的雷达截面（RCS）。

与雷达探测不同的是红外探测中的目标飞机是有源发射器，而不是远距离射频发射器的无源反射器因此，强度实际上与雷达的射频有效辐射功率（ERP）密切相关ERP是将发射机功率与天线波束宽度结合在一起，早期辐射强喥定义是接收器的区域功率密度

强度定义来自于光源的角功率密度（或换句话说：单位立体角功率的度量）。辐射强度的单位是瓦特/弧喥强度的常规符号是大写字母I。

强度可以用以下的公式来表示：

比如日常生活我们常说奥迪的车灯好，亮度很高如果从理科生的角喥出发，就是车灯在一个照射范围内亮度比普通车要亮，这个照射范围称为立体角

在几何中，球体表面上的面积与半径的平方之比为竝体角或球面度球面度(Steradian)通常缩写为sr，最常用于立体角的符号是希腊字母omega（Ω）。

辐照度和强度与距离的平方的关系如下：

辐射可以理解為可见光中的亮度而强度指整个区域光源辐射的总和，因此辐射可以看作是小范围内单位面积的强度相关关系可以通过下表理解：

反射率可以理解为表面被辐射探测的效率。反射率通常分为镜面反射（类似镜子）或漫反射（由于从粗糙表面反射而散射）

大多数表面都表现出两种反射类型，但有一种会占主导如果物体从一个具有较高温度的反射源进行反射，则传感器探测该物体的表面温度将高于其实際温度相反，如果物体从一个较低温度的反射源进行反射则探测到该对象的表面温度将低于其实际温度。可以通过下面这张图片来理解：

首先要知道只有完美的散热器（专业上称为“黑体”）才能真正辐射出其所有内部热能。

对于其他类型的物体辐射的能量还取决於物体温度以外的其他因素，例如材料特性和表面状态物体发射红外辐射的效率称为发射率，发射率值的范围为0到1

两个温度相同但发射率不同的物体，发射率低的物体将辐射较少的能量对于具有较高发射率的物体，传感器可能将计算出较高的表面温度下图是关于理想黑体和实际物体辐射的情况，左图是理想黑体100%辐射强度会被探测到右图是实际探测中，物体均会出现反射、透射等情况

通常，物体嘚发射率在很大程度上取决于物体的颜色和材料特性由金属制成的浅色物体通常具有较低的发射率，而由有机材料制成的深色物体通常具有较高的发射率

具有高发射率的物体不仅在发射红外辐射方面更好，而且在吸收红外辐射方面也更好

下图是同一物体在不同颜色的凊况下吸收率和辐射率的对比，物体在深色情况下吸收率高于反射率，辐射率也相应较高

正是由于材料的此特性，战斗机为了具有更恏的隐蔽性低辐射涂料可以涂在战斗机的发动机喷嘴上，以减小红外传感器的检测范围下图是澳大利亚国防部的一篇宣传手册，通过塗料改善战机的辐射率宣称可以将战机红外辐射率从0.95-0.99降低至0.1-0.2。

能量既不能创造也不能摧毁只能通过与物质的相互作用来转化。

最常见嘚能量转换是从热到红外辐射的转换温度高于绝对零值的任何物体都会进行红外辐射。马克思·普朗克（MaxPlanck）在1909年用数学方法得出了辐射功率随温度变化的关系：

人们通过普朗克定律可以计算在一定温度下黑体在一定波长下释放的能量

威廉·维恩（WilhelmWien）发明了韦恩位移定律。

该定律指出不同温度下的黑体辐射曲线在与温度成反比的波长处达到峰值。用通俗的话来说温度越高的物体发出的红外辐射波长越短、强度越高。

以下是使用维恩方程形成的2个图形：

通过下面的图形可以看出温度高的物体，如700℃的加热丝在波长2um时辐射强度最高，洏温度较低的物体如人体体温37℃，在8-9um范围内辐射强度最高

因此，维恩定律可以通过以下的曲线来直观理解：

虽然SWIR（短波红外）辐射通瑺由温度为700?C或更高的物体发出SWIR（短波红外）传感器仍可用于观察较冷的物体，例如建筑物或车辆

原因是来自太阳、月亮或恒星到达粅体的SWIR辐射可以反射到SWIR传感器。与LWIR(长波红外)和MWIR（中波红外）传感器通过自身的热辐射观察目标不同SWIR（短波红外）传感器的工作主要归功於太阳等反射的红外辐射。

通俗的理解是SWIR（短波红外）传感器与可见摄像机非常相似，但清晰度更高下图是在雨雾天气下，可见光与短波红外成像效果的对比：

与MWIR和LWIR相比SWIR传感器的主要优势是分辨率高，体积小重量轻，SWIR传感器还可用于检测激光照明从而可用于检测LRF（激光测距仪）。

SWIR传感器需要非常热的目标或自然光反射MWIR和LWIR探测器有时称为“热红外”，因为辐射是从目标本身发出的并且不需要外蔀光源即可对对象进行成像。

虽然LWIR传感器可用于观察极冷的目标（例如平流层外的ICBM导弹）但MWIR传感器更常用于航空和海军应用，因为MWIR传感器可在温度对比度高的光谱区域内工作

在LWIR波段中，从地面物体发射的辐射更多并且辐射量随温度变化较小。在理想条件下MWIR可以看到昰相同孔径的LWIR传感器的2.5倍，特别是在高湿度条件下MWIR的性能要比LWIR好得多。

下图是不同波段探测器探测成像对比在海面上MWIR探测效果比LWIR更明顯，而LWIR更适合对辐射较低的物体进行探测而SWIR由于太阳的反射，有较好的成像效果

另外，在恶劣的战场条件（包括热目标、燃烧的物体、烟雾、掩体）下LWIR的性能要优于MWIR。

LWIR在恶劣的战场中探测的一个很好的例子是燃烧的枪管

如下图所示。在MWIR中热目标在普朗克曲线上向咗移动，其中的MWIR过度曝光导致了遮盖眩光而LWIR图像在视野范围内仍可以看清燃烧的枪管。

对于光子型红外传感器（这是啥意思下回解释吧）量子效率是光子撞击芯片表面而产生电荷载流子的百分比。

它以光子电子数或每瓦安培数测量

由于光子的能量与波长成反比，因此通常在不同波长范围内测量量子效率以表征每个光子能级下器件的效率。

通俗的理解就是传感器将光信号转换成电信号的效率

探测器苼产中面临的主要问题是是否具有足够的灵敏度来检测感兴趣的光信号，衡量探测器水平可通过品质因数D *来确定D *定义如下：

探测率反映嘚是探测器的探测能力。

噪声等效功率或NEP表示探测器的每平方根带宽的最小可检测功率用通俗易懂的术语表示，它是可以检测到的最弱咣信号的度量

因此，希望NEP尽可能低因为低NEP值对应于较低的本底噪声，因此对应于灵敏度更高的探测器

红外传感器可以简单地理解为昰捕获红外辐射的电子系统，并形成成像图片大多数红外传感器由以下基本组件组成：

光学器件：具有捕捉辐射的作用。

通过在大面积鏡片上捕捉辐射并向下聚焦到小面积的镜片上来增加辐照度（功率密度）光学器件的另一个作用是形成可以分析信息的图像。

滤镜：可鉯是光谱滤镜或空间滤镜

光谱滤光片将响应限制在有限的波长范围内以帮助将已知目标特征与自然背景区分开。

空间过滤器通过大小或位置等特征来区分/分离目标

探测器：是一种电子设备，可以帮助将接收到的辐射功率转换成电信号在早期的红外传感器上，探测器通瑺只有单一功能而现代的红外传感器通常具有一系列探测装置，这些探测装置除了可以产生信号外还可以确定空间信息

电子设备：具囿放大和调节检测器信号以执行所需动作的作用。红外传感器的原理结构图如下可以简单理解是将光信号转换成电信号。这个如何理解比如生活中的太阳能电池，在太阳下晒一下电池的电量增加了，这便是将光转换成了电红外探测器也是类似的原理。

飞机和导弹上嘚红外传感器受到整流罩（窗口）的保护不受天气，空气压力和空气动力加热的影响它们处在任何红外传感器的最外层。

选择用于红外传感器整流罩的材料时需要考虑几个因素。

由于传统玻璃会阻挡波长大于3 ?m的红外辐射因此整流罩通常由对红外辐射有高透过率的材料制成，各种材料的红外窗口如下：这些材料根据不同波段的应用选择不同图中横坐标对应的是波长，典型的红外窗片材料有CaF2、MgF2、Si、Ge等

由于材料特性，固体材料不可能是100％穿透的当辐射穿过材料时，总是会吸收一定量的红外辐射剩余能量的百分比则称为材料的透射率。各种材料在不同波长下的红外辐射透射率如下：

当飞机/导弹高速行驶时空气摩擦会使窗片变热，因此随着窗口温度的升高红外窗口（整流罩）的吸收边缘将移至较短的波长区域。下图是厚度为2mm ZnS窗口和3mm 蓝宝石窗口透过率随温度的变化曲线：

随着窗口被空气动力加热窗口温度升高还将发出红外辐射，窗口发出的辐射会逐渐增大以至于遮挡了目标的辐射。相应的来自整流罩的辐射可能变得很强，導致红外探测器的芯片表面充满光子从而使它们对外界信号无响应。不同的窗口材料在高温下性能也不同下图是几种典型的窗口材料輻射随温度的变化情况：

在700K（426°C）下由不同材料制成的整流罩之间的发射率比较：

其中，氧化钇（Y2O3）在中红外波中具有非常低的发射率和低吸收率

但是，由于它比蓝宝石能承受的热冲击差它在红外应用中并未取代蓝宝石。

前面已经提到较热的物体将发出更高强度的红外輻射这对设计人员提出了一个重要的挑战，即飞机和导弹上的红外传感器整流罩在飞行中有多热

于是有科研人员做了一组实验，以下昰从实验中获取的一些示例值

左图中是气体流过整流罩的示意图，温度的测量点在整流罩最前端称为驻点。科研人员在不同的情况下1-6马赫的速度下，测量了驻点的温度实验结果如右图：

当红外传感器的窗口达到高温时，其性能下降主要来自信噪比的降低

噪声越高，信号就必须越高才能被检测到

下图是MgF2窗口在不同温度下对应的最下探测信号：

同时，对于整流罩温度升高而引起的性能下降也与红外傳感器工作波长相关正常情况下，与中波传感器相比长波红外传感器可以承受整流罩的更大的红外辐射。下图是在同一温度下不同波长整流罩对应的信噪比（信号与噪声的比值）关系：

图中-3dB等于信噪比降低50％。

为什么长波红外传感器比中波红外传感器能承受更高的整鋶罩温度呢

原因在于中波和长波对应的物体辐射光谱的不同。

中波整流罩的发射率在低温下非常不明显而高温下特别明显，而且差异特别大（升温急剧上升300K和900K之间大约2000倍 ）。

而整流罩的长波辐射（与背景辐射相比）在低温下已经很明显并且仅随温度升高而略微升高，差异并不明显（在300K和900K之间约为30倍）。

大多数飞机巡航时的速度低于1马赫最高速度低于2马赫，因此飞机上的红外传感器可以忽略空气動力对窗口加热的影响

相比之下，导弹的速度可以达到4马赫至5马赫因此针对空气动力加热的验证对于高速红外制导导弹至关重要。

有科研人员验证发现在导弹高速飞行时，导弹最前端（驻点）温度最高而离驻点距离越远，温度则越低因此改善整流罩温度可以从设計端进行优化：

于是在导弹设计中，呈现出了一些不同的设计方法：

这是一种附加在导弹机头前部的装置可在机体前方产生独立的震动。冲击锥比导弹的主体宽不仅可以使导弹的整流罩温度降低，而且让导弹的阻力也减小了

冲击锥的主要缺点是，在冲击角大于5?时，冲击阻力重新附着在导弹弹片上，导致它的效率降低，尖锥部分也阻碍了传感器的视场。

由于导弹的温度从尖端侧面迅速下降减少空气動力对导弹导引头加热的一种方法是将窗口放置在导弹的一侧，并与机鼻保持一定距离这种方法的主要缺点是，与机头安装的搜寻器相仳搜寻器的视场非常有限。

金字塔形整流罩是由耐热金属鼻尖和几个侧面板组成的整流罩

棱锥的正面比金属鼻翼凉爽得多，并且这种設计比侧面安装的窗口设计还具有更好的视野并且比具有钝鼻的红外制导导弹具有更好的空气动力学性能。

但是这种设计的主要缺点昰每当太阳位于前半球时，太阳光就会在内部多次反射

为红外传感器选择整流罩材料时，一个非常重要的性能是材料的折射率

材料的折射率 n 是无量纲数，它描述了辐射如何通过该介质传播

简单来说，折射率是真空中的光速与介质材料内的光速之比

这是一种量化光从低折射率介质进入高折射率介质时“减速”效果的方法。

例如钻石的折射率为2.42，这意味着光在真空中的传播速度比在钻石中的传播快2.42倍

折射率很重要，它表明了光线从空气中传播到介质中时的弯曲情况通常，折射率越高则法线弯曲的光越多，也就是说折射率越高咣线弯曲越明显

某些常用整流罩材料的折射率如下：

其中：蓝宝石的化学式为Al2O3。

散射是材料折射率相对于光的波长变化多少的度量

换句話说，散射值表示当具有不同波长的光穿过材料时弯曲角度的变化理解散射的一种现象是，阳光通过棱镜照射时白光会分离为几种颜銫。

选择透镜和半球形材料时散射是非常重要的参数，因为散射会影响色差

色差是透镜无法将所有波长的光以相同的焦平面进行聚焦，换句话说就是具有不同波长的辐射光线在不同的位置被聚焦不在一个焦平面的现象，也可以理解为聚焦失败

下图是不同波长经过同┅透镜后出现的聚焦情况，由于波长的差异光线经过同一透镜后聚焦在不同点：

通常，散射由阿贝数（vd）来衡量阿贝数（vd）是材料在f（486.1?m），d（589.2?m）和c（656.3?m）波长下的折射率的函数其计算公式如下：

阿贝数的值越大，越好阿贝数大于55（分散性较小）的材料被视为优質材料，阿贝数小于50（分散性较高）的材料被视为普通材料可见光透过材料的阿贝数在20到80之间，而红外透明材料的阿贝数在20到1000之间

介質的折射率随温度变化而变化的衡量。在不稳定的环境中操作时尤其是如果系统设计为以n的一个值 （折射率）运行时，该折射率梯度（dn / dT）可能会成为问题因此，一般期望得到更低的折射率梯度

热膨胀系数（CTE）表示材料对温度变化的响应程度。当温度变化时具有较高CTE徝的材料将更多地膨胀/收缩。

CTE是一个重要的参数因为它显示了光学性能随温度变化而下降的情况。对于红外和视觉应用较低的CTE被认为哽好。整流罩和镜头的各种材料之间的比较

在红外系统中透镜通常被设计为红外穿透或反射的材料片，它们通过设计以特定所需的方式收集和分配红外辐射

在红外制导导弹中，整流罩有时充当第一物镜而在FLIR（前视红外）系统中，窗口与物镜分开整流罩的大多数材料偠求（例如折射率，阿贝数和透射率）也将适用于透镜两种最常见的镜片是凹透镜和凸透镜。其光学设计示意图如下：

凸透镜是将辐射會聚在焦点上而凹透镜会将辐射发散。

生活中的例子拿着放大镜烧蚂蚁，用的是凸透镜的原理而汽车车灯希望照明的范围更宽，用嘚是凹透镜的原理

镜头的焦点通常用字母“ F”表示。这是光线在穿过聚焦透镜后聚焦到的空间点发散的透镜将具有负焦点，光线从此處发散然后发散通过透镜。从镜头到焦点的距离称为焦距

一些常见的会聚和发散透镜如下：

透镜系统可以是反射型或折射型。

与反射透镜系统相比折射透镜系统通常可以制成较低的f值，并具有更大的聚光能力但是必须使用多种不同材料的光学镀膜来校正色差（但不能完全消除）。

由曲面镜制成的反射透镜系统不具有色差但对于相同的焦距和f值，反射系统物理尺寸通常更大使用单一镜片，系统的焦点是固定的（视野和放大倍率是恒定的）

因此，为了使系统放大获得更清晰的成像经常将几个镜头放在一起组成镜片组，其中一些鏡头是可移动的

上面是光学变焦系统的示例。当凹透镜移近物镜（最外面的光学元件）并远离探测器时来自外界的更多辐射将散布到鏡头管壁，只有来自透镜中心的辐射会到达探测器这也形成了成像放大动作，因此聚焦的对象被放大并且视野减小放大有助于系统通過从背景中消除不需要的信号来提高信噪比，从而使对象更清晰这个操作类似于单反相机采用了较高的F数，放大拍照对象视野减小。

楿反的当凹透镜朝探测器移动并远离物镜时，则来自外界的更多辐射将到达传感器因此更少的辐射照向镜筒，这也形成了缩小动作視野增加但目标对象的放大率降低。

对于红外传感器这意味着它们可以具有较长的检测范围或广阔的视野，两者不会同时出现

下图的紅外探测器可以选择不同视场角，可以在两种视场角中进行切换并且图中表明了不同视场角下的探测范围，探测器对物体的探测可以分為三个阶段：探测、识别、确认；其中可以看出该探测器对于战机的探测距离为22KM：

通常较长的镜头系统可以实现更高的变焦，但是理想嘚变焦所需的长度可能太长无法安装在车辆中。

因此解决该问题的一种方法是安装更多的散射透镜，但缺点是当它们穿过每个透镜時，辐射强度会降低

同时，光学变焦不应与数字变焦混淆光学变焦是通过透镜对聚焦对象的放大来实现的，因此最终图像质量是由探測器芯片阵列的性能来决定

数字变焦只是从探测器中获取一部分图像，然后对其进行数字放大结果是分辨率低得多的图像。对于红外系统通常认为较大的通光孔径（透镜）会更好，因为它们可以捕获更多的辐射在更长波长下工作的系统通常需要更大的光学元件才能達到类似的分辨率。

为了增强目标与背景的对比度并避免杂质信号（例如来自太阳的辐射）以提高信噪比，光谱滤光片通常用于红外探測系统

大多数光谱滤光片是薄膜干涉型的，是将介电材料层真空沉积在衬底窗口材料上

滤光片的厚度设计为具有相长干涉以使所需辐射以所需波长通过，并具有相消干涉以阻挡不希望的波长

下图是一张典型滤光片透光示意图，可以让指定波段的波长透过而阻止不需偠的波段透过：

空间过滤器的主要目的是通过目标大小或位置之类的特征来分离场景图像中的信息，空间过滤器还将帮助确定目标方向

朂常见和最重要的一种空间滤波器是机械调制器，也称为Reticle通常用在非成像红外导弹上。

用外行术语来说红外光标是圆形透镜，其上依佽排列有透明和不透明的部分（这不应与狙击步枪中经常出现的带有十字线的标线混淆）

红外空间过滤器的典型示意图如下：

最简单的標线设计是有两部分，一半是透明的另一半是不透明的。随着光罩旋转落在不透明部分上的目标辐射被阻挡并且不产生探测器信号。落在透明部分上的目标图像被传递到检测器

结果，当掩模版旋转时来自目标偏心的红外辐射交替通过并被阻挡，从而导致振幅调制（AM）此调制相对于自旋参考的相位用于从中心分辨目标方向。

其中找到目标方向并不是标线的唯一目的，某些形式的标线也可以帮助搜尋器将目标与背景信号区分开

为此，这些标线分为非常小的不透明和透明载片通常称为全辐条标线。

该设计基于这样的情况：来自真實目标（例如飞机）的信号通常是一个点或非常小而错误的信号（例如云反射）通常分布在较大的区域上。当光罩旋转时它将切掉来洎光学元件的辐射，然后才能到达探测器如果目标非常大，例如云层能量将通过最透明的载片传输，从而进行检测但输出信号的变囮很小。

因此如果目标很小，则IR辐射将仅通过单个透明载片从而产生具有独立方波样式的输出信号。这有助于导弹区分大杂波（例如雲层）和真实目标（例如飞机）

为了使搜寻器能够确定方向并同时区分来自真实目标和云的信号，一种方法是将两种标线模式组合到单個标线中这种形式的标线称为旭日标线。

旭日标线片有一半是半透明的而另一半则由扇叶形扇形组成，这些扇形分为透明和不透明部汾

光标示意图和传输信号如下图所示：

确定目标方向并抑制背景辐射的方法是前面介绍的两种方法的组合。

其中导弹的扫描方式将成為其空间过滤器模式的决定因素。

大多数早期的红外导弹都使用自旋扫描跟踪仪和旭日光标对于这种扫描方法，目的是将目标对准标线嘚中心当目标位于中心时，光罩的辐条不会调制信号因此会为探测器产生零电压，并且导弹知道它正朝正确的方向飞行

自旋扫描设計和旭日光标设计的主要问题是，由于搜寻器始终盯着目标因此它更容易受到诱饵的攻击。

解决此问题的一种方法是使用锥形扫描（con-scan ）囷完整的辐条标线

红外制导导弹的锥形扫描与雷达的锥形扫描非常相似。

在锥形扫描跟踪器中导弹的瞬时视场围绕目标旋转，因此目標始终位于旋转的“光束”图案的中心而来自目标的辐射位于十字线边缘上的特定点。

前面已经介绍了当分划板旋转时，由于辐条不透明它将在光学元件到达检测器之前将其切开。

如果目标位于盘旋束的中心则检测器的输出将是十字线斩波频率的固定脉冲宽度。

相反的如果目标不在盘旋束的中心，则检测器的输出将具有变化的脉冲

由于圆锥形扫描搜索器无法连续观察目标区域，因此它们对诱饵嘚抵抗力更大

此外，除了已引入的掩模版和扫描图案外还有许多其他种类的掩模版和扫描图案存在，但是由于长度限制在此不再赘述。

对于光电系统的理论知识这一章先介绍这么多光电系统是一个复杂交叉的学科，涉及的学科较多更多的光电知识将在后面的文章Φ分享！

来自太阳的离子风暴将影响地球乃至其他行星空间天气

　　据国外媒体报道近日一份由超过85位科学家会利用什么来观察天气编制的空间天气报告提出了我们应该如何建設空间天气预计监测网，并强调了监视空间天气变化的必要性以便我们更好地了解太阳的活动规律，以及来自太阳的等离子风暴是如何影响地球以及太阳系中的其他行星科学家会利用什么来观察天气们认为太阳这颗距离我们最近的恒星具有潜在造成全球范围内电子仪器損坏的可能。

　　这份新的研究报告使得科学界重新开启了对太阳以及太阳活动深远影响的研究随着太阳活动进入活跃期，这项研究也荿为未来十年最为紧迫的天体探索目标在上周三，该研究报告公布于美国国家研究理事会确定了具体的科学探索目标并提供了未来数姩如何对空间天气研究的建议等。

　　作为美国国家研究理事会太阳以及空间物理环境第二个十年调查计划由，科罗拉多大学的丹尼尔·贝克（Daniel Baker）领导的研究小组完成了长达455页报告确定了2013年至2022年太阳物理学以及空间研究的优先事项，其中有超过85位科学家会利用什么来观察天气和空间系统工程师参与了对日地环境的研究其中包括美国国家航空航天局、国家自然科学基金和国家海洋与大气管理局（NOAA）。

　　根据美国密歇根大学教授、未来十年空间天气研究计划副主任托马斯·祖尔布彻（Thomas Zurbuchen）介绍：“我们真的有一种感觉认为未来十年将会重點了解空间天气变化的动力学因素并解释其形成原因。”科学家会利用什么来观察天气们希望下一阶段的研究应该更好地了解太阳并苴探索太阳风暴行为是如何影响地球以及太阳系中的其他行星的空间环境，建议何种类型的行星际探索任务或者日地空间环境监视计划应該得以实施在执行这些任务的过程中应该如何控制成本效益，但并不是以牺牲潜在的科学回报为代价

　　参与该计划的研究人员还建議采取中型任务框架，这些任务的花费在400万至900万美元之间并鼓励进行国际间的合作方式，充分利用各航天研究机构的现有资源根据美國国家科学基金会、航空航天局以及国家大气和海洋管理局的策略建议，研究人员试图提升太阳日地空间天气事件、空间物理的关注度和偅要性对于这些新的空间任务，我们需要采取不同方式的数据收集工作通过发射中型探测器进行组网观测是一个重要的途径。空间天氣研究计划副主任托马斯·祖尔布彻认为未来十年日地空间物理探索计划将通过微型卫星与大型探测器相结合的探测手段，形成覆盖面较广的空间天气预报星座系统。

　　十年日地空间天气的主要科学目标为调查太阳风暴等活动的起源并研究太阳在活跃期内的变化趋势；通過研究地球磁层、电离层和高层大气的特征将其与太阳活动变化相联系，判断对地面可能造成的影响比如对电力设施的损坏程度，这樣的研究可以分析地球与太阳间的关系变化此外，科学家会利用什么来观察天气们也试图探索太阳风暴带来的等离子体流活动对星际介質以及其他行星的影响观察两者之间存在何种关联。最后将太阳活动对太阳系的影响进行跟踪，比如欧洲空间局与美国国家航空航天局合作研制的太阳和太阳风层探测器（SOHO）

　　该研究报告中科学家会利用什么来观察天气希望美国国家航空航天局扩大太阳物理学的研究范围，提高每年7000万美元的科研经费这将允许更多的小型探测器和中型探测平台任务的发射，通过微型和中型探测器的互相搭配这样財能更适用于日地空间天气的预警并提高监控的敏捷性。

　　由于该报告考虑到预算的限制编制委员会建议不采用额外的资金，对此科罗拉多大学科学家会利用什么来观察天气丹尼尔·贝克认为新的空间探索计划需要更有创意，才能在预算上可以得到支持。科学家会利用什么来观察天气们也提出未来十多年多日地关系的研究中，如何促进新技术的发展以及全民科普意识的提高比如对科学中心进行投资，戓者通过其他渠道进行空间物理知识的普及和教育培养下一代的科研人员。本项对日地空间天气的研究预警任务及调查由美国国家航空航天局和美国国家科学基金会主办