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1、光学学问点光的直线传播光的反射一、光源1定义：可以自行发光的物体2特点：光源具有能量且能将其它形式的能量转化为光能，光在介质中传播就是能量的传播二、光的直线传播1光在同一种匀称透亮的介质中沿直线传播，各种频率的光在真空中传播速度：C3108m/s；各种频率的光在介质中的传播速度均小于在真空中的传播速度，即 vC。说明： 直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是匀称介质。否则，可能发生偏折。如从空气进入水中（不是同一种介质）；“空中楼阁”现象（介质不匀称）。 同一种频率的光在不同介质中的传播速度是不同的。不同频率的光在同一种介质中传播速度一般也不同。在同一种介质中，频率越低的光其传播速度越大。依
2、据爱因斯坦的相对论光速不行能超过C。 当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，发生明显的衍射现象，光线可以偏离原来的传播方向。 近年来（1999-2001年）科学家们在极低的压强（10-9Pa）和极低的温度（10-9K）下，得到一种物质的凝合态，光在其中的速度降低到17m/s，甚至停顿运动。2本影和半影（l）影：影是自光源发出并及投影物体外表相切的光线在背光面的前方围成的区域（2）本影：发光面较小的光源在投影物体后形成的光线完全不能到达的区域（3）半影：发光面较大的光源在投影物体后形成的只有局部光线照耀的区域（4）日食和月食：人位于月球的本影内能看到日全食，位于月球的半影内能看到日偏食
3、，位于月球本影的延长区域（即“伪本影”）能看到日环食当地球的本影局部或全部将月球反光面遮住，便分别能看到月偏食和月全食详细来说：若图中的P是月球，则地球上的某区域处在区域A内将看到日全食；处在区域B或C内将看到日偏食；处在区域D内将看到日环食。若图中的P是地球，则月球处在区域A内将看到月全食；处在区域B或C内将看到月偏食；由于日、月、地的大小及相对位置关系确定看月球不行能运动到区域D内，所以不存在月环食的自然光现象。3.用眼睛看实际物体和像SS / 用眼睛看物或像的本质是凸透镜成像原理：角膜、水样液、晶状体和玻璃体共同作用的结果相当于一只凸透镜。发散光束或平行光束经这只凸透镜作用后，在视网膜上
4、会聚于一点，引起感光细胞的感觉，通过视神经传给大脑，产生视觉。 图中的S可以是点光源，即本身发光的物体。 图中的S也可以是实像点（是实际光线的交点）或虚像点（是发散光线的反向延长线的交点）。 入射光也可以是平行光。以上各种状况下，入射光线经眼睛作用后都能会聚到视网膜上一点，所以都能被眼看到。三、光的反射1.反射现象：光从一种介质射到另一种介质的界面上再返回原介质的现象 2反射定律：反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，且反射光线和人射光线分居法线两侧，反射角等于入射角3分类：光滑平面上的反射现象叫做镜面反射。发生在粗糙平面上的反射现象叫做漫反射。镜面反射和漫反射都遵循反射定律4光路可逆原理：全
5、部几何光学中的光现象，光路都是可逆的四平面镜的作用和成像特点 （1）作用：只变更光束的传播方向，不变更光束的聚散性质（2）成像特点：等大正立的虚像，物和像关于镜面对称（3）像及物方位关系:上下不颠倒,左右要交换光的折射、全反射一、光的折射1折射现象：光从一种介质斜射入另一种介质，传播方向发生变更的现象2折射定律：折射光线、入射光线跟法线在同一平面内，折射光线、入射光线分居法线两侧，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比3在折射现象中光路是可逆的二、折射率1定义：光从真空射入某种介质,入射角的正弦跟折射角的正弦之比,叫做介质的折射率留意：指光从真空射入介质2公式：n=sini/sin，折射率总大于1即
6、n13.各种色光性质比拟：红光的n最小，最小，在同种介质中（除真空外）v最大，最大，从同种介质射向真空时全反射的临界角C最大，以一样入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（留意区分偏折角和折射角）。4两种介质相比拟，折射率较大的叫光密介质，折射率较小的叫光疏介质三、全反射1全反射现象：光照耀到两种介质界面上时，光线全部被反射回原介质的现象2全反射条件：光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角3临界角公式：光线从某种介质射向真空（或空气）时的临界角为C，则sinC=1/n=v/c四、棱镜及光的色散1.棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出
7、方向及入射方向相比，向底边偏折。(若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。)作图时尽量利用对称性(把棱镜中的光线画成及底边平行)。由于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象，在光屏上形成七色光带（称光谱）（红光偏折最小，紫光偏折最大。）在同一介质中，七色光及下面几个物理量的对应关系如表所示。光学中的一个现象一串结论色散现象nv(波动性)衍射C临干预间距 (粒子性)E光子光电效应红黄紫小大大小大 (明显)小(不明显)简单难小大大小小 (不明显)大 (明显)小大难易结论：(1)折射率n、；(2)全反射的临界角C；(3)同一介质中的传播速率v；(4)在平行玻璃块的侧移x(5)光
8、的频率,频率大,粒子性明显.；(6)光子的能量E=h则光子的能量越大。越简单产生光电效应现象 (7)在真空中光的波长,波长大波动性显著；(8)在一样的状况下，双缝干预条纹间距x越来越窄 (9)在一样的状况下，衍射现象越来越不明显2.全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o（右图1）或180o（右图2）要特殊留意两种用法中光线在哪个外表发生全反射。3.玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上外表入射，从下外表射出时，其特点是：射出光线和入射光线平行；各种色光在第一次入射后就发生色散；射出光线的侧移和折射
9、率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。4.光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过屡次全反射可以没有损失地全部从另一个端面射出。五、各光学元件对光路的限制特征(1)光束经平面镜反射后，其会聚（或发散）的程度将不发生变更。这正是反射定律中“反射角等于入射角”及平面镜的反射面是“平面”所共同确定的。(2)光束射向三棱镜，经前、后外表两次折射后，其传播光路变更的特征是：向着底边偏折，若光
10、束由复色光组成，由于不同色光偏折的程度不同，将发生所谓的色散现象。(3)光束射向前、后外表平行的透亮玻璃砖，经前、后外表两次折射后，其传播光路变更的特征是；传播方向不变，只产生一个侧移。(4)光束射向透镜，经前、后外表两次折射后，其传播光路变更的特征是：凸透镜使光束会聚，凹透镜使光束发散。六、各光学镜的成像特征物点发出的发散光束照耀到镜面上并经反射或折射后，如会聚于一点，则该点即为物点经镜面所成的实像点；如发散，则其反向延长后的会聚点即为物点经镜面所成的虚像点。因此，推断某光学镜是否能成实（虚）像，关键看发散光束经该光学镜的反射或折射后是否能变为会聚光束（可能仍为发散光束）。（1）平面镜的反射
11、不能变更物点发出的发散光束的发散程度，所以只能在异侧成等等大的、正立的虚像。（2）凹透镜的折射只能使物点发出的发散光束的发散程度进步，所以只能在同侧成缩小的、正立的虚像。（3）凸透镜折射既能使物点发出的发散光束仍旧发散,又能使物点发动身散光束变为聚光束,所以它既能成虚像,又能成实像。 光的波动性(光的本性)一、光的干预一、光的干预现象两列波在相遇的叠加区域，某些区域使得“振动”加强，出现亮条纹；某些区域使得振动减弱，出现暗条纹。振动加强和振动减弱的区域互相间隔，出现明暗相间条纹的现象。这种现象叫光的干预现象。二、产生稳定干预的条件：两列波频率一样，振动步调一样(振动方向一样)，相差恒定。两个振
12、动状况总是一样的波源，即相干波源1.产生相干光源的方法（必需保证一样）。利用激光 (因为激光发出的是单色性极好的光)；分光法(一分为二)：将一束光分为两束频率和振动状况完全一样的光。(这样两束光都来源于同一个光源,频率必定相等)下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图点(或缝)光源分割法：杨氏双缝(双孔)干预试验；利用反射得到相干光源：薄膜干预利用折射得到相干光源：SS1S2dSS /acb2双缝干预的定量分析 如图所示，缝屏间距L远大于双缝间距d，O点及双缝S1和S2等间距，则当双缝中发出光同时射到O点旁边的P点时，两束光波的路程差为 =r2r1；由
13、几何关系得：r12=L2+(x)2， r22=L2+(x+)2.考虑到 Ld 和 Lx，可得 =.若光波长为，亮纹：则当=k(k=0,1,2,) 屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍时，两束光叠加干预加强；暗纹：当=(2k1) (k=0,1,2,)屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍时，两束光叠加干预减弱，据此不难推算出： (1)明纹坐标 x=k (k=0，1，2，） (2)暗纹坐标 x=(2k1) (k=1，2，）测量光波长的方法 (3)条纹间距相邻亮纹(暗纹)间的间隔 x=. (缝屏间距L，双缝间距d)用此公式可以测定单色光的波长。则出n条亮条纹(暗)条纹的间隔 a,相邻两条亮条纹间
14、距用白光作双缝干预试验时,由于白光内各种色光的波长不同,干预条纹间距不同,所以屏的中央是白色亮纹,两边出现彩色条纹。结论：由同一光源发出的光经两狭缝后形成两列光波叠加产生当这两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时，即=k，该处的光互相加强，出现亮条纹；当到达某点的路程差为半波长奇数倍时，既=，该点光互相消弱，出现暗条纹；条纹间距及单色光波长成正比 ()，所以用单色光作双缝干预试验时，屏的中央是亮纹，两边对称地排列明暗一样且间距相等的条纹用白光作双缝干预试验时，屏的中央是白色亮纹，两边对称地排列彩色条纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。 缘由：不同色光产生的条纹间距不同，出现各色条纹交织现象。
15、所以出现彩色条纹。将其中一条缝遮住：将出现明暗相间的亮度不同且不等距的衍射条纹3薄膜干预现象：光照到薄膜上，由薄膜前、后外表反射的两列光波叠加而成劈形薄膜干预可产生平行相间条纹，两列反射波的路程差,等于薄膜厚度d的两倍，即=2d。 由于膜上各处厚度不同，故各处两列反射波的路程差不等。 若：=2d=n(n=1,2)则出现明纹。 =2d=(2n-1)/2(n=1,2)则出现暗纹。 应留意：干预条纹出如今被照耀面(即前外表)。后外表是光的折射所造成的色散现象。单色光明暗相间条纹，彩色光出现彩色条纹。薄膜干预应用：肥皂膜干预、两片玻璃间的空气膜干预、浮在水面上的油膜干预、牛顿环、蝴蝶翅膀的颜色等。光照
16、到薄膜上，由膜的前后外表反射的两列光叠加。看到膜上出现明暗相间的条纹。(1)透镜增透膜(氟化镁)：透镜增透膜的厚度应是透射光在薄膜中波长的14倍。使薄膜前后两面的反射光的光程差为半个波长，(T=2d=，得d=)，故反射光叠加后减弱。大大削减了光的反射损失，增加了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。光谱中央局部的绿光对人的视觉最敏感，通过时完全抵消，边缘的红、紫光没有显著减弱。全部增透膜的光学镜头呈现淡紫色。从能量的角度分析E入=E反+E透+E吸。 在介质膜汲取能量不变的前提下，若E反=0，则E透最大。增加透射光的强度。 (2)“用干预法检查平面”：如图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下
17、照耀，假如被检测平面是光滑的，得到的干预图样必是等间距的。 假如某处凸起来，则对应明纹(或暗纹)提早出现，如图甲所示；假如某处凹下，则对应条纹延后出现，如图乙所示。 (注：“提早”及“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的依次位置上。 )留意：由于发光物质的特殊性，任何独立的两列光叠加均不能产生干预现象。只有采纳特殊方法从同一光源分别出的两列光叠加才能产生干预现象。4光的波长、波速和频率的关系vf。光在不同介质中传播时，其频率f不变，其波长及光在介质中的波速v成正比色光的颜色由频率确定，频率不变则色光的颜色也不变。二、光的衍射。1.光的衍射现象是光分开直线途径而绕到障碍物阴影里的现象 单缝衍射
18、：中央明而亮的条纹，两侧对称排列强度减弱，间距变窄的条纹。 圆孔衍射：明暗相间不等距的圆环，（及牛顿环有区分的）2.泊松亮斑：当光照到不透光的微小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑。当形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。3.各种不同形态的障碍物都能使光发生衍射。至使轮廓模糊不清，4.产生明显衍射的条件：障碍物(或孔)的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。(当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，有明显衍射现象)d300 当d=0.1mm=1300时看到的衍射现象就很明显了。小结：光的干预条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区分：单色光的衍射条纹
19、及干预条纹都是明暗相间分布，但衍射条纹中间亮纹最宽，两侧条纹渐渐变窄变暗，干预条纹则是等间距，明暗亮度一样。 白光的衍射条纹及干预条纹都是彩色的。意义：干预和衍射现象是波的特征：证明光具有波动性。大，干预和衍射现明显，越简单视察到现象。衍射现象说明光沿直线传播只是近似规律，当光波长比障碍物小得多和状况下(条件)光才可以看作直线传播。(反之)在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间间隔 变大，而亮度变暗。光振动垂直于纸面光振动在纸面光的直进是几何光学的根底，光的衍射现象并没有完全否认光的直进，而是指出光的传播规律受肯定条件制约的，任何物理规律都受肯定条件限制。(光学显微镜能放
20、大2000倍，无法再放大，再放大衍射现象明显了。)(以下新教材适用)三.光的偏振横波只沿某个特定方向振动，这种现象叫做波的偏振。只有横波才有偏振现象。依据波是否具有偏振现象来推断波是否横波，试验说明，光具有偏振现象，说明光波是横波。（1）自然光。太阳、电灯等一般光源干脆发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都一样，这种光叫自然光。自然光通过偏振片后成形偏振光。（2）偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，假如光的入射方向适宜，使反射和折射光之间的夹角恰好是90，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。除了干脆从光源发出的光外。偏振片(起偏器)由特定的材料制成，它上面有一个特殊方向(透振方向)只有振动方向和透振方向平行的光波才能通过偏振片。（3）只有横波才有偏振现象。光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。（4）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。（5）应用：立体电影、照相机的镜头、消退车灯的眩光等。