欢迎！让我们一起探索电磁波谱
各位科学探索家，你好！你有没有想过，为什么收音机可以接收到音乐？为什么微波炉能加热食物？又或者，为什么你能看见彩虹那美丽的色彩呢？答案就在电磁波谱里！听起来好像很复杂，但别担心，我们会一起逐步拆解它。
在这份笔记中，你会学到各种围绕着我们的隐形波浪，从传送你喜爱电视节目的波浪，到医院里使用的波浪。你可以把它想像成一个庞大的能量波家族，而我们现在就要来认识这个家族的所有成员了！
课程备注：电磁波谱属2025年课程的延展部分（2017年课程属核心部分）。在2017年课程中，光的三原色和有色物体在不同色光下的颜色属延展部分；2025年课程没有列出光的三原色。
第一部分：我们能看见的光——可见光谱
什么是可见光谱？
我们的眼睛能看见的光，只是整个电磁（EM）波谱中非常非常微小的一部分。想像一下，如果整个电磁波谱是一个巨型披萨，那么可见光谱就只是其中一小片披萨！这是我们唯一能看见的那一片。
这“一小片”包含了彩虹的所有颜色。有一个很棒的方法可以记住这些颜色的顺序：
R O Y G. B I V
- Red（红）
- Orange（橙）
- Yellow（黄）
- Green（绿）
- Blue（蓝）
- Indigo（靛）
- Violet（紫）
颜色与波长
每种光线的颜色都是一种波，有点像你玩跳绳时制造的波浪。从一个波的顶部到下一个波的顶部之间的距离，就叫做它的波长。
不同的颜色有不同的波长：
- 红光的波长较长（像懒洋洋、伸展得很长的波浪）。
- 紫光的波长较短（像快速、挤在一起的波浪）。
所有其他颜色都介乎于两者之间！波长上的差异，就是我们的眼睛分辨颜色的方式。
不同颜色的光亦有不同的频率。波的频率是指每秒通过某一点的完整波的数目，单位是赫兹 (Hz)。在所有可见光的颜色中，红光的频率最低（约 \(4 \times 10^{14}\) Hz），紫光的频率最高（约 \(7.5 \times 10^{14}\) Hz）。所以，波长较长的光频率较低，波长较短的光频率较高。
光的三原色
当我们谈论光的时候，光的三原色与你在美术课学到的颜料三原色不同。光的三原色是：
红、绿、蓝 (RGB)
你可以混合这三种颜色的光来制造所有其他颜色，甚至连白色也能造出来了。这叫做加色混合。
- 红光 + 绿光 = 黄光
- 绿光 + 蓝光 = 青光
- 蓝光 + 红光 = 洋红光
- 红光 + 绿光 + 蓝光 = 白光
小提示：别混淆了！
光的三原色（红、绿、蓝）与颜料的三原色（通常是红、黄、蓝，或是青、洋红、黄）是不同的。光线是通过颜色叠加来使东西变得更亮，而颜料则是吸收颜色来使东西变得更暗。这是一个常见的错误，所以务必记住这一点！
我们如何看见颜色
你有没有想过，为什么香蕉看起来是黄色的？这完全取决于物体反射和吸收了哪些颜色的光线。
其运作原理如下：
- 白光（例如太阳光，它包含所有颜色）照射到一个物体上。
- 物体的表面会吸收一些颜色。
- 表面会反射其他的颜色。
- 被反射出来的颜色，就是我们所看到的颜色！
例子一：白光下的红苹果
当白光照射到一个红苹果上时，苹果的表皮会吸收光谱中除了红色以外的所有颜色。它把红光反射回我们的眼睛，所以我们看见苹果是红色的。
例子二：蓝光下的红苹果
如果你只用蓝光照射红苹果，苹果会试图吸收蓝光。由于没有红光可以反射，所以几乎没有光线被反射出来。苹果就会看起来非常暗，几乎是黑色！
例子三：白色和黑色的物体
白色物体会反射所有颜色的光，所以看起来是白色的。黑色物体会吸收照射到它的几乎所有光，几乎不反射任何光，所以看起来是黑色的。
用科学的说法：每种颜色都有自己的波长，所以物件会吸收某些波长的光，并反射其他波长的光。例如，绿叶主要反射绿色波长的光，并吸收大部分红光和蓝光。这个概念同样适用于看不见的波：防晒霜会吸收或反射紫外光，令到达皮肤的紫外光减少。
第一部分重点摘要
我们能看见的光称为可见光谱（红橙黄绿蓝靛紫）。每种颜色都有不同的波长。光的三原色是红、绿、蓝 (RGB)，它们可以混合形成其他颜色。我们看到的物体颜色，取决于它反射出来的光线颜色。
第二部分：彩虹之外——不可见光谱
一个庞大的波浪家族
可见光只是庞大的电磁波谱家族中的一个成员。这些波浪都围绕着我们，但我们却看不见它们。它们按照波长从长到短的顺序排列。
这里有一个简单的方法可以记住它们的顺序：
Raging Martians Invaded Venus Using X-ray Guns
这代表：
无线电波（Radio waves）→ 微波（Microwaves）→ 红外线（Infrared）→ 可见光（Visible Light）→ 紫外光（Ultraviolet）→ X射线（X-rays）→ 伽马射线（Gamma rays）
让我们来认识这个隐形家族的每一位成员。
认识电磁波谱家族的成员
无线电波
它们是电磁波谱中波长最长的波。
应用：用于电台广播、电视讯号和遥控玩具。
潜在危险：在我们日常使用的水平下，通常认为是安全的。
微波
比无线电波短，但仍然相当长。
应用：在微波炉中加热食物、移动电话通讯和Wi-Fi讯号。
潜在危险：高水平的微波可以加热身体组织。这就是为什么微波炉的门上会有金属网，以将微波阻挡在内部。
红外线 (IR)
我们感到红外线波浪就是热量。
应用：电视遥控器、热成像仪（用来探测热量）、夜视镜和暖炉。
潜在危险：过多的红外线辐射会导致皮肤灼伤（想想看，靠近火堆会怎样）。
紫外光 (UV)
这些波浪就在我们能看见的紫光之外。太阳是紫外光的主要来源。
应用：消毒医疗设备、检测伪钞和用于日光浴床（助晒）。
潜在危险：会导致晒伤、损害眼睛和皮肤癌。这就是为什么涂抹防晒霜和佩戴太阳眼镜如此重要！
X射线
波长非常短且能量高的波。
应用：医院里用来拍摄骨骼的影像，以及机场里用来扫描行李。
潜在危险：会损害活细胞。这就是为什么操作X光机的人员（放射技师）通常会离开房间，或者穿戴保护性的铅围裙。
伽马射线
它们是整个光谱中波长最短、能量最高的波。
应用：在医学上用于杀死癌细胞（放射治疗）和消毒手术器械。
潜在危险：对生物极其危险，并可能导致癌症。它们只能由受过专业训练的人员在非常受控且安全的环境中使用。
你知道吗？
有些动物能看见我们看不见的电磁波谱部分！蜜蜂能看见紫外光，这有助于它们在花朵中寻找花蜜。一些蛇能“看见”红外线辐射，这有助于它们在黑暗中捕食温血动物。
安全第一：潜在危害、风险和安全措施
危害是指可能造成伤害的东西。风险是指伤害发生的可能性有多大，以及后果有多严重。电磁辐射的风险取决于：
- 波的种类：频率高的波（紫外光、X射线和伽马射线）带有较多能量，会损害细胞，所以最危险。
- 辐射源有多强：辐射源愈强，接收的剂量愈大。
- 暴露时间有多长：时间愈长，风险愈高。
- 距离有多近：离辐射源愈远，辐射愈弱。
我们可以用一些简单的安全措施来减低风险：
- 屏蔽：微波炉门上的金属网；X光室的铅围裙和含铅的墙壁。
- 保护皮肤和眼睛：在阳光猛烈的日子涂防晒霜、戴帽和戴能阻隔紫外光的太阳眼镜，并留意天气报告中的紫外线指数。切勿直视太阳。
- 限制时间和保持距离：医生只在有需要时才照X光；使用X射线或伽马射线的工作人员会佩戴辐射剂量计，量度自己接收了多少辐射。
- 遵守安全守则：不要使用门已损坏的微波炉，并按照指示使用各种仪器。
想想风险：没有任何活动是完全没有风险的，所以科学家会衡量风险和好处。在日常使用的水平下，使用手机或Wi-Fi的风险非常低。照X光有少许风险，但通常远比找出骨折的好处小。
第二部分重点摘要
电磁波谱的不可见部分包括无线电波、微波、红外线、紫外光、X射线和伽马射线。它们在我们的日常生活中都有重要的用途，从通讯到医疗。然而，其中一些（特别是波长较短的，如紫外光、X射线和伽马射线）可能有害，所以我们需要谨慎使用它们。
第三部分：光速和波动方程
光走得有多快？
光是宇宙中最快的东西！在真空（完全空无一物的空间）中，光的速率约为 \(3 \times 10^8\) m/s，即每秒 300 000 000 米，快得可以在一秒内环绕地球超过 7 圈！
电磁波谱家族的所有成员，由无线电波到伽马射线，在真空中都以这个相同的速率传播。
光在不同介质中以不同速度进行
光在不同介质（光所穿过的物质）中的速度不同。光进入水或玻璃时会减慢：
- 真空：约 \(3.0 \times 10^8\) m/s
- 空气：只比真空中慢一点点（我们通常用 \(3 \times 10^8\) m/s）
- 水：约 \(2.25 \times 10^8\) m/s
- 玻璃：约 \(2.0 \times 10^8\) m/s
光的速度改变，就是光从一种介质进入另一种介质时会弯曲的原因。你可以在“折射”一章学习更多。
波动方程
波的速率、频率和波长可以用一条简单的公式联系起来，叫做波动方程：
\( v = f \lambda \)
其中：
- \( v \) 是波的速率（单位：m/s）
- \( f \) 是频率（单位：Hz）
- \( \lambda \)（希腊字母“lambda”）是波长（单位：m）
你可以把公式重新排列来求其他数值：\( f = \frac{v}{\lambda} \) 和 \( \lambda = \frac{v}{f} \)。电磁波在真空或空气中传播时，使用 \( v = 3 \times 10^8 \) m/s。
例题一：FM 电台
一个 FM 电台广播的无线电波频率为 100 MHz（\(1 \times 10^8\) Hz）。这些无线电波的波长是多少？
\( \lambda = \frac{v}{f} = \frac{3 \times 10^8}{1 \times 10^8} = 3 \text{ m} \)
每个无线电波的波长约 3 米，比课室的门还要高！
例题二：红光
红光的波长约为 \(7 \times 10^{-7}\) m。它的频率是多少？
\( f = \frac{v}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{7 \times 10^{-7}} \approx 4.3 \times 10^{14} \text{ Hz} \)
即是每秒约有 430 万亿个波通过某一点！
小提示
光由空气进入玻璃时，它的频率保持不变（所以颜色不会改变）。由于速度减慢，根据 \( v = f \lambda \)，它的波长亦会变短。所以，各种颜色光的波长一般是指它们在空气（或真空）中的波长。
第三部分重点摘要
光在真空中的速率为 \(3 \times 10^8\) m/s，在水和玻璃等介质中会较慢。运用波动方程 \( v = f \lambda \)，可以计算光和其他电磁波的速率、频率或波长。
章节总结：快速回顾
做得好！你刚才探索了整个电磁波谱。它是我们世界中一个强大而有用的部分，每天都影响着我们。
重要词汇
- 电磁波谱：从无线电波到伽马射线，所有能量波的完整范围。
- 可见光谱：人类能看见的电磁波谱中很小的一部分（红橙黄绿蓝靛紫）。
- 波长：波浪两个波峰之间的距离。它决定波浪的类型和光的颜色。
- 光的三原色：红、绿、蓝 (RGB)。
- 吸收：吸收光线。
- 反射：将光线从表面反弹。
更多重点：频率是每秒通过某一点的完整波的数目（单位：Hz）；在可见光中，红光的频率最低，紫光的频率最高。光在真空中的速率为 \(3 \times 10^8\) m/s，在其他介质中较慢。波动方程是 \( v = f \lambda \)。
请保持好奇心，并继续观察你周围的世界。你会发现它充满了无处不在、令人惊叹的隐形科学！