視覺與聽覺的物理學：你驚人的感官！
各位同學，大家好！你有沒有想過，你是怎樣看到美麗的日落，或是聽到你最愛的歌曲呢？這可不是魔法，而是物理學的奧秘！本章將會探索我們兩個最重要的感官——視覺和聽覺——背後令人難以置信的物理原理。我們會將眼睛和耳朵視為精密的生物儀器，了解它們如何運作，為何有時需要一點幫助（例如佩戴眼鏡或助聽器），以及我們該如何保護它們。讓我們一起深入探索這個充滿魅力的世界，了解我們如何感知周遭的宇宙吧！
第一部分：視覺的物理學
1. 眼睛如何運作：一個活生生的相機
把你的眼睛想像成一部超級先進、能自動對焦的相機。
- 角膜和晶狀體就像相機的鏡頭，負責聚焦光線。
- 虹膜就像光圈，透過瞳孔控制有多少光線進入。
- 眼睛後方的視網膜就像相機的感光元件或菲林，影像就是在那裡形成的。
視網膜：奇妙之處
視網膜佈滿了數百萬個微小、感光的細胞。主要有兩種：桿狀細胞和錐狀細胞。它們各有不同的職責，了解它們的區別超級重要！
桿狀細胞：
- 在微弱光線下表現最佳（夜間視覺）。
- 它們看到的是黑色、白色和不同深淺的灰色。它們無法偵測顏色。
- 負責我們的周邊視覺和夜間視覺。
錐狀細胞：
- 在明亮光線下表現最佳（日間視覺）。
- 它們負責色覺和看清清晰細節。
- 錐狀細胞有三種類型，每種對不同波長的光線敏感：紅、綠和藍。
記憶小貼士：錐狀細胞管彩色視覺，桿狀細胞管夜間視覺。
色覺：光譜響應
我們只有三種類型的錐狀細胞，卻能看到彩虹般的色彩，這是怎麼辦到的呢？你的大腦巧妙地混合了來自紅、綠、藍錐狀細胞的信號。如果紅和綠錐狀細胞同時受到刺激，你就會看到黃色！這會顯示在感光器吸收曲線上，這張圖顯示了每種錐狀細胞對不同波長（顏色）光線的響應強度。每種錐狀細胞類型在特定波長下都有一個峰值靈敏度。
你知道嗎？
色盲通常是由於一種或多種錐狀細胞有缺陷或缺失所致。這就是為什麼有些人很難分辨紅色和綠色的原因。
對焦能力：調節作用
你的眼睛可以瞬間從手機屏幕切換焦點到遠處的樹木。這種驚人的能力稱為調節作用。這一切都與改變眼睛晶狀體的形狀有關。
調節作用的逐步過程：
- 看遠處物體時：你的睫狀肌放鬆。這會使懸韌帶拉緊，拉扯晶狀體使其變薄和變平（屈光能力較弱）。
- 看近處物體時：你的睫狀肌收縮。這會使懸韌帶鬆弛，讓晶狀體恢復其自然、變厚和變圓的形狀（屈光能力較強）。
不用擔心這聽起來有點反直覺！你只需記住：要看清近物，你的眼部肌肉需要「工作」（收縮）。
你的視力有多銳利？分辨能力
分辨能力是光學儀器（例如你的眼睛！）將兩個非常接近的點分辨為獨立的點的能力。想像一下，晚上遠處的汽車頭燈看起來就像一個光點。當汽車靠近時，你最終能夠「分辨」出它們是兩個獨立的頭燈。
我們視力的銳利度受到光的波動性（繞射）和瞳孔大小的限制。我們使用瑞利準則來計算我們剛剛能分辨的兩個物體之間的最小角度。
公式是：
$$ \theta \approx \frac{1.22 \lambda}{d} $$其中：
- θ 是以弧度表示的最小分辨角（θ 越小，代表分辨能力越好！）。
- λ 是光的波長。
- d 是孔徑的直徑（對眼睛而言，就是你瞳孔的直徑）。
這個公式告訴我們，當我們的瞳孔越寬（d 值越大）或在波長較短的光線下（例如藍光）看東西時，我們會有更好的分辨能力（θ 值更小）。
視覺重點總結
桿狀細胞與錐狀細胞：桿狀細胞負責微弱光線下的黑白視覺；錐狀細胞負責明亮光線下的彩色視覺。
調節作用：眼睛的晶狀體改變形狀以對焦近物或遠物。
分辨能力：將兩個接近物體分辨為獨立的能力，受瞳孔大小和光波長限制。
第二部分：當視力需要協助時
2. 常見視力問題與眼鏡的運作原理
有時，眼睛的形狀或對焦能力不完全正確。幸運的是，我們可以利用鏡片（眼鏡或隱形眼鏡）來矯正這個問題！
測量鏡片焦度：焦度與屈光度
鏡片的「度數」或稱「焦度 (P)」。它就是鏡片焦距 (f) 的倒數。
$$ P = \frac{1}{f} $$- 焦度的單位是屈光度 (D)。
- 關鍵點：要使用這個公式，焦距 f 必須以米 (m) 為單位！
- 會聚透鏡（使光線向內彎折）具有正（+）焦度。
- 發散透鏡（使光線向外擴散）具有負（-）焦度。
眼睛的限制：近點與遠點
- 遠點：眼睛能清晰對焦的最遠點。對於正常眼睛，遠點在無窮遠處。
- 近點：眼睛能在不費力下清晰對焦的最近點。對於年輕健康的眼睛，這大約是 25 厘米。
近視 (Myopia)
- 它是什麼：你能清晰地看到近處的物體，但遠處的物體模糊不清。
- 發生了什麼：眼睛將來自遠處物體的光線聚焦在視網膜的「前方」。這通常是因為眼球過長或眼睛的晶狀體屈光能力過強（過於彎曲）。你的遠點比無窮遠處更近。
- 矯正方法：需要發散透鏡（凹透鏡）。這種鏡片會將光線輕微地擴散開，然後才進入眼睛，將焦點推回視網膜上。這些鏡片具有負焦度（例如 -2.5 D）。
遠視 (Hypermetropia)
- 它是什麼：你能清晰地看到遠處的物體，但近處的物體模糊不清。
- 發生了什麼：眼睛將來自近處物體的光線聚焦在視網膜的「後方」。這通常是因為眼球過短或眼睛的晶狀體屈光能力過弱（過於扁平）。你的近點比 25 厘米更遠。
- 矯正方法：需要會聚透鏡（凸透鏡）。這種鏡片會使光線更彎曲，將焦點拉回到視網膜上。這些鏡片具有正焦度（例如 +2.0 D）。
老花眼 (Presbyopia)
- 它是什麼：一種與年齡相關的狀況，使得難以聚焦近處物體。這就是為什麼許多人隨著年齡增長需要佩戴老花眼鏡的原因。
- 發生了什麼：眼睛的晶狀體隨年齡增長而變得不那麼有彈性。這使得調節作用的過程更加困難。睫狀肌會收縮，但僵硬的晶狀體無法變得足夠厚和圓。結果是近點不斷地向外移。
- 矯正方法：就像遠視一樣，會聚透鏡（凸透鏡）用於閱讀及其他近距離工作。
視覺缺陷重點總結
鏡片焦度：$$P = 1/f$$，單位為屈光度 (D)。記住 f 必須以米為單位！
近視（短視）：焦點在視網膜前方。用發散透鏡（- 焦度）矯正。
遠視（長視）：焦點在視網膜後方。用會聚透鏡（+ 焦度）矯正。
老花眼：晶狀體失去彈性。用會聚透鏡（+ 焦度）矯正近距離工作。
第三部分：聽覺的物理學
3. 我們如何聽到聲音：從聲波到大腦信號
聽覺是將聲波（空氣中的振動）轉換為你的大腦能理解的電信號的過程。你的耳朵就是一個不可思議的換能器！
聲音的旅程：壓力放大
聲波沿著耳道傳播並撞擊耳膜，使其振動。但內耳充滿液體，這比空氣更難振動。為了解決這個問題，中耳充當了壓力放大器。
它的運作方式：
- 耳膜具有相對較大的表面積。
- 它將振動傳遞給三塊微小的骨頭，稱為聽小骨，它們的作用類似於一個槓桿系統。
- 這些骨頭隨後將振動傳遞給一個小得多的膜，稱為卵圓窗。
由於壓強 = 力 / 面積 (P = F/A)，通過將來自大耳膜的相同力集中到小卵圓窗上，壓強大大增加（約 20 倍！）。這足以使內耳的液體產生運動。
感受聲音：內耳的響應
在內耳充滿液體的蝸牛狀耳蝸內部，不同部分對不同頻率敏感。耳蝸靠近卵圓窗的部分響應高頻聲音，而最末端的部分則響應低頻聲音。耳蝸內微小的毛細胞響應這些振動而彎曲，並產生傳遞到大腦的電信號。
聲音有多響亮？分貝標度
人耳能偵測到的聲音強度範圍非常廣泛，從微小的耳語到響亮的噴氣發動機聲。線性標度將會非常不實用（你需要一個帶有 12 個零的數字！）。因此，我們使用一種稱為分貝 (dB) 標度的對數標度來測量聲強級 (L)。
$$ L = 10 \log_{10} \left( \frac{I}{I_0} \right) $$其中：
- L 是以分貝 (dB) 表示的聲強級。
- I 是聲音的強度，單位為瓦特每平方米 (W m⁻²)。
- I₀ 是聽閾，一個參考強度，其值為 $$1.0 \times 10^{-12}$$ W m⁻²。這是普通人能聽到的最微弱聲音。
快速回顧：經驗法則
因為這是一個對數標度：
- 聲強級增加 10 分貝，代表聲音強度 (I) 增加 10 倍。
- 聲強級增加 20 分貝，代表強度增加 100 倍。
- 聲強級增加 3 分貝，代表強度大約「倍增」。
感知與現實：等響曲線
這是一個有點難懂但很酷的概念：你的耳朵並不是對所有頻率的聲音都同樣敏感。你可能會覺得低頻的 60 分貝聲音（例如沉重的低音）比中頻的 60 分貝聲音（人類語音的頻率範圍）響度小得多。
等響曲線就是顯示這一點的圖表。單一曲線上的每個點都被我們的大腦感知為具有相同的響度，即使這些聲音具有截然不同的物理強度水平（分貝）。
這些曲線的關鍵啟示是：我們的聽力在 2000 - 5000 赫茲的範圍內最為敏感。對於極低和極高頻率的聲音，我們的敏感度則大大降低。
保護你的耳朵！噪音與健康
響亮噪音會對耳蝸內部精密的毛細胞造成嚴重且永久性的損害。一旦它們受損，就不會再生。
- 噪音的影響：長期暴露於響亮噪音（通常超過 85 分貝）可導致聽力受損。短時間暴露於極響亮噪音（如爆炸）可導致即時損害。這還可能導致耳鳴（耳朵持續響起鈴聲）等狀況。
- 聲音保護：在嘈雜的環境中保護聽力至關重要。在演唱會、操作高噪音機器或在建築地盤時使用耳塞或耳罩，可以防止不可逆轉的聽力損害。
聽覺重點總結
壓力放大：中耳增加聲壓，以將振動從空氣傳遞到內耳的液體。
分貝標度：一種對數標度（$$L = 10 \log_{10}(I/I_0)$$），用於測量範圍巨大的聲強級。
等響曲線：顯示我們對響度的感知取決於頻率。我們對中頻聲音最為敏感。
噪音與健康：響亮噪音可導致永久性聽力損害，因此務必保護你的耳朵！