为什么手电筒的光照不到天上(手电筒的光为什么散开)

导语：光的传播距离很远，那为什么晚上手电筒的光只能达到30米左右？

如果光可以传播很长一段距离，为什么你在晚上点一个手电筒，光只会持续30米左右?

众所周知，对于光，我们对它的崇拜就是一个字：快。光不仅传播的快，而且远。但是在我们生活中有一个有趣的现象，那就是晚上打开手电筒却只能扩散到30米左右？再远就看不见了？这是为什么呢？

假设我们有一个非相干光源，非相干光的波长分布在各处，意思是不以某个方向为目的的光源。在这种情况下，当它移动时，光会以球形的方式出去，像这样:

但是在这背后有很多复杂的数学，我试着用语言来表达，最后我会给出简单的解释。有一个坎德拉强度的光源（坎德拉代表的是发光强度单位），距离是1米，球面上的面积是1米²，就得到1勒克斯（勒克斯是照明单位，根据百科解释，被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。适宜阅读和缝纫等的照度约为500勒克斯。）。

类似上图，如果你把光源移得离墙更近一点，你会发现墙变亮了，但光束变窄了。换句话说，我们所做的是把墙的一部分照亮得更亮一些，但以照亮墙的其余部分为代价。你可以用手电筒试试。如果我们把它移开，我们会照亮更多的墙，但不会那么明亮。因为这个:

是的，这就是粒子和波的关系。光束的颜色取决于所呈现的波长;跨越光谱的多波长意味着白光。但同时，它是由粒子组成的。它们被称为光子，光子携带的能量与辐射频率成正比，但静止质量为零。因为源是恒定的，它发射的光子也以恒定的速率。

简而言之，光束走得越远，光子在光束锥上的传播越大。如果你把它照向天空，它会看起来好像光束停止了。但它不是。这些光子继续行驶，直到它们撞上别的东西。在一片漆黑中，如果你在一座大山顶上划一根火柴，50英里外的人就会看到，如果他们有视线的话。这就是为什么在闪电战期间关灯很重要。

探照灯可以达到数百万坎德拉，它们看起来像一束大光束，你可以看到它延伸数公里。千万不能直视它，它令人目眩，只能看向别处，你不能直接看它，它们可以在几百米高的地面上，在相当大的范围内进行辐射。如果他们在3万英尺的高空，光线仍然会落到地面上，但会照到更广的区域，看起来就不那么明亮了。总的来说，距离越远，覆盖的空间越大，强度越小，从你的角度看，光束好像已经结束了。但它并没有，它只是继续前进，照亮了一个更大的区域，更稀疏，所以你不能真正地看出来。我们称之为扩散。

所有的波长(光子的能量)都是一样的。它产生一种不容易扩散的细光束，但在很长一段时间内就会扩散，因此你可以在距离点光源几英里的地方看到一个激光点。你看不到真正的光束；你看到的是光，它击中了某个物体——也许是尘埃，或者一棵树——然后反射回你所在的地方。显然，这只是手电筒发出光的一小部分。距离的四分之一，亮度的四分之一，是距离的四分之一。少量的反射光在返回你的路上也会受到强度平方律的影响，所以你看到的任何光都会被距离的四次方加上实际反射的量可能很小的事实而衰减。第四次的功率降低是非常显著的——同一物体在3米和30米的距离上的强度差是1万比1。

想象一下一个光点，在一个棒球里，均匀地照射着球的内部。现在用同样的光源，把它放在一个直径是棒球直径两倍的篮球里。有多少光照在大球的内侧？一半？不，是四分之一。光球的面积扩大了四倍，因为光球的面积扩大了四倍。这是完全相同的，当它涉及到传播光（或任何其他电磁辐射）在任何地区-平方反比定律。两倍的距离需要四倍的功率来提供相同的强度。

但这只是为了达到你所照亮的东西-光也必须回来，而且这也受同一定律的约束-所以你实际上需要提供4倍于你照亮的物体的强度，或者16倍的强度来在原来的距离上完成同样的工作。这直接对应于光源的功率要求，因此，能够达到60米而不是30米的手电筒需要16倍大的电池（或耗电速度快16倍）。即使是50%的增长也需要5倍以上的功率，而加倍的功率甚至不会给你20%的增长。

原因二是吸收。没有什么是真正透明的，所有的物质都会反射或吸收一定比例的电磁辐射。在某些大气条件下，这种现象很容易被观察到，在这种情况下，空气在近距离处看起来是透明的，但离你越远，它的透明度就明显地增加了。真正干净、干燥的空气能让你看得非常清楚——这就是为什么沙漠和极地地区适合观星——但是空气中的任何水、灰尘或污染也会限制光的传播能力。

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