1、光學知識點光的直線傳播光的反射一、光源1定義：能夠自行發光的物體2特點：光源具有能量且能將其它形式的能量轉化為光能，光在介質中傳播就是能量的傳播二、光的直線傳播1光在同一種均勻透明的介質中沿直線傳播，各種頻率的光在真空中傳播速度：C3×108m/s；各種頻率的光在介質中的傳播速度均小于在真空中的傳播速度，即 v<C。說明： 直線傳播的前提條件是在同一種介質，而且是均勻介質。否則，可能發生偏折。如從空氣進入水中（不是同一種介質）；“海市蜃樓”現象（介質不均勻）。 同一種頻率的光在不同介質中的傳播速度是不同的。不同頻率的光在同一種介質中傳播速度一般也不同。在同一種介質中，頻率越低的

2、光其傳播速度越大。根據愛因斯坦的相對論光速不可能超過C。 當障礙物或孔的尺寸和波長可以相比或者比波長小時，發生明顯的衍射現象，光線可以偏離原來的傳播方向。 近年來（1999-2001年）科學家們在極低的壓強（10-9Pa）和極低的溫度（10-9K）下，得到一種物質的凝聚態，光在其中的速度降低到17m/s，甚至停止運動。2本影和半影（l）影：影是自光源發出并與投影物體表面相切的光線在背光面的后方圍成的區域（2）本影：發光面較小的光源在投影物體后形成的光線完全不能到達的區域（3）半影：發光面較大的光源在投影物體后形成的只有部分光線照射的區域（4）日食和月食：人位于月球的本影內能看到日全食，位于月球

3、的半影內能看到日偏食，位于月球本影的延伸區域（即“偽本影”）能看到日環食當地球的本影部分或全部將月球反光面遮住，便分別能看到月偏食和月全食具體來說：若圖中的P是月球，則地球上的某區域處在區域A內將看到日全食；處在區域B或C內將看到日偏食；處在區域D內將看到日環食。若圖中的P是地球，則月球處在區域A內將看到月全食；處在區域B或C內將看到月偏食；由于日、月、地的大小及相對位置關系決定看月球不可能運動到區域D內，所以不存在月環食的自然光現象。3.用眼睛看實際物體和像SS / 用眼睛看物或像的本質是凸透鏡成像原理：角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體共同作用的結果相當于一只凸透鏡。發散光束或平行光束經這只凸透

4、鏡作用后，在視網膜上會聚于一點，引起感光細胞的感覺，通過視神經傳給大腦，產生視覺。 圖中的S可以是點光源，即本身發光的物體。 圖中的S也可以是實像點（是實際光線的交點）或虛像點（是發散光線的反向延長線的交點）。 入射光也可以是平行光。以上各種情況下，入射光線經眼睛作用后都能會聚到視網膜上一點，所以都能被眼看到。三、光的反射1.反射現象：光從一種介質射到另一種介質的界面上再返回原介質的現象 2反射定律：反射光線跟入射光線和法線在同一平面內，且反射光線和人射光線分居法線兩側，反射角等于入射角3分類：光滑平面上的反射現象叫做鏡面反射。發生在粗糙平面上的反射現象叫做漫反射。鏡面反射和漫反射都遵循反射定

5、律4光路可逆原理：所有幾何光學中的光現象，光路都是可逆的四平面鏡的作用和成像特點 （1）作用：只改變光束的傳播方向，不改變光束的聚散性質（2）成像特點：等大正立的虛像，物和像關于鏡面對稱（3）像與物方位關系:上下不顛倒,左右要交換散 光的折射、全反射一、光的折射1折射現象：光從一種介質斜射入另一種介質，傳播方向發生改變的現象2折射定律：折射光線、入射光線跟法線在同一平面內，折射光線、入射光線分居法線兩側，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比3在折射現象中光路是可逆的二、折射率1定義：光從真空射入某種介質,入射角的正弦跟折射角的正弦之比,叫做介質的折射率注意：指光從真空射入介質2公式：n=sini/

6、sin，折射率總大于1即n13.各種色光性質比較：紅光的n最小，最小，在同種介質中（除真空外）v最大，最大，從同種介質射向真空時全反射的臨界角C最大，以相同入射角在介質間發生折射時的偏折角最小（注意區分偏折角和折射角）。4兩種介質相比較，折射率較大的叫光密介質，折射率較小的叫光疏介質三、全反射1全反射現象：光照射到兩種介質界面上時，光線全部被反射回原介質的現象2全反射條件：光線從光密介質射向光疏介質，且入射角大于或等于臨界角3臨界角公式：光線從某種介質射向真空（或空氣）時的臨界角為C，則sinC=1/n=v/c四、棱鏡與光的色散1.棱鏡對光的偏折作用一般所說的棱鏡都是用光密介質制作的。入射光線

7、經三棱鏡兩次折射后，射出方向與入射方向相比，向底邊偏折。(若棱鏡的折射率比棱鏡外介質小則結論相反。)作圖時盡量利用對稱性(把棱鏡中的光線畫成與底邊平行)。由于各種色光的折射率不同，因此一束白光經三棱鏡折射后發生色散現象，在光屏上形成七色光帶（稱光譜）（紅光偏折最小，紫光偏折最大。）在同一介質中，七色光與下面幾個物理量的對應關系如表所示。光學中的一個現象一串結論色散現象nv(波動性)衍射C臨干涉間距 (粒子性)E光子光電效應紅黃紫小大大小大 (明顯)小 (不明顯)容易難小大大小小 (不明顯)大 (明顯)小大難易結論：(1)折射率n、；(2)全反射的臨界角C；(3)同一介質中的傳播速率v；(4)在

8、平行玻璃塊的側移x(5)光的頻率,頻率大,粒子性明顯.；(6)光子的能量E=h則光子的能量越大。越容易產生光電效應現象 (7)在真空中光的波長,波長大波動性顯著；(8)在相同的情況下，雙縫干涉條紋間距x越來越窄 (9)在相同的情況下，衍射現象越來越不明顯2.全反射棱鏡橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡。選擇適當的入射點，可以使入射光線經過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉90o（右圖1）或180o（右圖2）。要特別注意兩種用法中光線在哪個表面發生全反射。3.玻璃磚所謂玻璃磚一般指橫截面為矩形的棱柱。當光線從上表面入射，從下表面射出時，其特點是：射出光線和入射光線平行；各種色光在第一次入射后就發

9、生色散；射出光線的側移和折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關；可利用玻璃磚測定玻璃的折射率。4.光導纖維全反射的一個重要應用就是用于光導纖維（簡稱光纖）。光纖有內、外兩層材料，其中內層是光密介質，外層是光疏介質。光在光纖中傳播時，每次射到內、外兩層材料的界面，都要求入射角大于臨界角，從而發生全反射。這樣使從一個端面入射的光，經過多次全反射能夠沒有損失地全部從另一個端面射出。五、各光學元件對光路的控制特征(1)光束經平面鏡反射后，其會聚（或發散）的程度將不發生改變。這正是反射定律中“反射角等于入射角”及平面鏡的反射面是“平面”所共同決定的。(2)光束射向三棱鏡，經前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化

10、的特征是：向著底邊偏折，若光束由復色光組成，由于不同色光偏折的程度不同，將發生所謂的色散現象。(3)光束射向前、后表面平行的透明玻璃磚，經前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化的特征是；傳播方向不變，只產生一個側移。(4)光束射向透鏡，經前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化的特征是：凸透鏡使光束會聚，凹透鏡使光束發散。六、各光學鏡的成像特征物點發出的發散光束照射到鏡面上并經反射或折射后，如會聚于一點，則該點即為物點經鏡面所成的實像點；如發散，則其反向延長后的會聚點即為物點經鏡面所成的虛像點。因此，判斷某光學鏡是否能成實（虛）像，關鍵看發散光束經該光學鏡的反射或折射后是否能變為會聚光束（可能仍為發

11、散光束）。（1）平面鏡的反射不能改變物點發出的發散光束的發散程度，所以只能在異側成等等大的、正立的虛像。（2）凹透鏡的折射只能使物點發出的發散光束的發散程度提高，所以只能在同側成縮小的、正立的虛像。（3）凸透鏡折射既能使物點發出的發散光束仍然發散,又能使物點發出發散光束變為聚光束,所以它既能成虛像,又能成實像。七、幾何光學中的光路問題幾何光學是借用“幾何”知識來研究光的傳播問題的，而光的傳播路線又是由光的基本傳播規律來確定。所以，對于幾何光學問題，只要能夠畫出光路圖，剩下的就只是“幾何問題”了。而幾何光學中的光路通常有如下兩類：（1）“成像光路”一般來說畫光路應依據光的傳播規律，但對成像光路來

12、說，特別是對薄透鏡的成像光路來說，則是依據三條特殊光線來完成的。這三條特殊光線通常是指：平行于主軸的光線經透鏡后必過焦點；過焦點的光線經透鏡后必平行于主軸；過光心的光線經透鏡后傳播方向不變。（2）“視場光路”即用光路來確定觀察范圍。這類光路一般要求畫出所謂的“邊緣光線”，而一般的“邊緣光線”往往又要借助于物點與像點的一一對應關系來幫助確定。 光的波動性(光的本性)一、光的干涉一、光的干涉現象兩列波在相遇的疊加區域，某些區域使得“振動”加強，出現亮條紋；某些區域使得振動減弱，出現暗條紋。振動加強和振動減弱的區域相互間隔，出現明暗相間條紋的現象。這種現象叫光的干涉現象。二、產生穩定干涉的條件：兩列

13、波頻率相同，振動步調一致(振動方向相同)，相差恒定。兩個振動情況總是相同的波源，即相干波源1.產生相干光源的方法（必須保證相同）。利用激光 (因為激光發出的是單色性極好的光)；分光法(一分為二)：將一束光分為兩束頻率和振動情況完全相同的光。(這樣兩束光都來源于同一個光源,頻率必然相等)dSS /acb下面4個圖分別是利用雙縫、利用楔形薄膜、利用空氣膜、利用平面鏡形成相干光源的示意圖點(或縫)光源分割法：楊氏雙縫(雙孔)干涉實驗；利用反射得到相干光源：薄膜干涉利用折射得到相干光源：SS1S22雙縫干涉的定量分析 如圖所示，縫屏間距L遠大于雙縫間距d，O點與雙縫S1和S2等間距，則當雙縫中發出光同

14、時射到O點附近的P點時，兩束光波的路程差為 =r2r1；由幾何關系得：r12=L2+(x)2， r22=L2+(x+)2.考慮到 Ld 和 Lx，可得 =.若光波長為，亮紋：則當=±k(k=0,1,2,) 屏上某點到雙縫的光程差等于波長的整數倍時，兩束光疊加干涉加強；暗紋：當=±(2k1) (k=0,1,2,)屏上某點到雙縫的光程差等于半波長的奇數倍時，兩束光疊加干涉減弱，據此不難推算出： (1)明紋坐標 x=±k (k=0，1，2，） (2)暗紋坐標 x=±(2k1) · (k=1，2，）測量光波長的方法 (3)條紋間距相鄰亮紋(暗紋)間的距

15、離 x=. (縫屏間距L，雙縫間距d)用此公式可以測定單色光的波長。則出n條亮條紋(暗)條紋的距離a,相鄰兩條亮條紋間距用白光作雙縫干涉實驗時,由于白光內各種色光的波長不同,干涉條紋間距不同,所以屏的中央是白色亮紋,兩邊出現彩色條紋。··結論：由同一光源發出的光經兩狹縫后形成兩列光波疊加產生當這兩列光波到達某點的路程差為波長的整數倍時，即=k，該處的光互相加強，出現亮條紋；當到達某點的路程差為半波長奇數倍時，既=，該點光互相消弱，出現暗條紋；條紋間距與單色光波長成正比 ()，所以用單色光作雙縫干涉實驗時，屏的中央是亮紋，兩邊對稱地排列明暗相同且間距相等的條紋用白光作雙縫干涉

16、實驗時，屏的中央是白色亮紋，兩邊對稱地排列彩色條紋，離中央白色亮紋最近的是紫色亮紋。 原因：不同色光產生的條紋間距不同，出現各色條紋交錯現象。所以出現彩色條紋。將其中一條縫遮住：將出現明暗相間的亮度不同且不等距的衍射條紋3薄膜干涉現象：光照到薄膜上，由薄膜前、后表面反射的兩列光波疊加而成劈形薄膜干涉可產生平行相間條紋，兩列反射波的路程差,等于薄膜厚度d的兩倍，即=2d。 由于膜上各處厚度不同，故各處兩列反射波的路程差不等。 若：=2d=n(n=1,2)則出現明紋。 =2d=(2n-1)/2(n=1,2)則出現暗紋。 應注意：干涉條紋出現在被照射面(即前表面)。后表面是光的折射所造成的色散現象。

17、單色光明暗相間條紋，彩色光出現彩色條紋。薄膜干涉應用：肥皂膜干涉、兩片玻璃間的空氣膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛頓環、蝴蝶翅膀的顏色等。光照到薄膜上，由膜的前后表面反射的兩列光疊加。看到膜上出現明暗相間的條紋。(1)透鏡增透膜(氟化鎂)：透鏡增透膜的厚度應是透射光在薄膜中波長的14倍。使薄膜前后兩面的反射光的光程差為半個波長，(T=2d=½，得d=¼)，故反射光疊加后減弱。大大減少了光的反射損失，增強了透射光的強度，這種薄膜叫增透膜。光譜中央部分的綠光對人的視覺最敏感，通過時完全抵消，邊緣的紅、紫光沒有顯著削弱。所有增透膜的光學鏡頭呈現淡紫色。從能量的角度分析E入=E反+

18、E透+E吸。 在介質膜吸收能量不變的前提下，若E反=0，則E透最大。增強透射光的強度。 (2)“用干涉法檢查平面”：如圖所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的。 如果某處凸起來，則對應明紋(或暗紋)提前出現，如圖甲所示；如果某處凹下，則對應條紋延后出現，如圖乙所示。 (注：“提前”與“延后”不是指在時間上，而是指由左向右的順序位置上。 )注意：由于發光物質的特殊性，任何獨立的兩列光疊加均不能產生干涉現象。只有采用特殊方法從同一光源分離出的兩列光疊加才能產生干涉現象。4光的波長、波速和頻率的關系vf。光在不同介質中傳播時，其頻率f不

19、變，其波長與光在介質中的波速v成正比色光的顏色由頻率決定，頻率不變則色光的顏色也不變。二、光的衍射。1.光的衍射現象是光離開直線路徑而繞到障礙物陰影里的現象 單縫衍射：中央明而亮的條紋，兩側對稱排列強度減弱，間距變窄的條紋。 圓孔衍射：明暗相間不等距的圓環，（與牛頓環有區別的）2.泊松亮斑：當光照到不透光的極小圓板上時，在圓板的陰影中心出現的亮斑。當形成泊松亮斑時，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環。3.各種不同形狀的障礙物都能使光發生衍射。至使輪廓模糊不清，4.產生明顯衍射的條件：障礙物(或孔)的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小。(當障礙物或孔的尺寸小于0.5mm

20、時，有明顯衍射現象)d300 當d=0.1mm=1300時看到的衍射現象就很明顯了。小結：光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結果，但存在明顯的區別：單色光的衍射條紋與干涉條紋都是明暗相間分布，但衍射條紋中間亮紋最寬，兩側條紋逐漸變窄變暗，干涉條紋則是等間距，明暗亮度相同。 白光的衍射條紋與干涉條紋都是彩色的。意義：干涉和衍射現象是波的特征：證明光具有波動性。大，干涉和衍射現明顯，越容易觀察到現象。衍射現象表明光沿直線傳播只是近似規律，當光波長比障礙物小得多和情況下(條件)光才可以看作直線傳播。(反之)在發生明顯衍射的條件下，當窄縫變窄時，亮斑的范圍變大，條紋間距離變大，而亮度變暗。光振動垂直

21、于紙面光振動在紙面光的直進是幾何光學的基礎，光的衍射現象并沒有完全否認光的直進，而是指出光的傳播規律受一定條件制約的，任何物理規律都受一定條件限制。(光學顯微鏡能放大2000倍，無法再放大，再放大衍射現象明顯了。)(以下新教材適用)三.光的偏振橫波只沿某個特定方向振動，這種現象叫做波的偏振。只有橫波才有偏振現象。根據波是否具有偏振現象來判斷波是否橫波，實驗表明，光具有偏振現象，說明光波是橫波。（1）自然光。太陽、電燈等普通光源直接發出的光，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強度都相同，這種光叫自然光。自然光通過偏振片后成形偏振光。（2）偏振光。自然光通過偏振片后

22、，在垂直于傳播方向的平面上，只沿一個特定的方向振動，叫偏振光。自然光射到兩種介質的界面上，如果光的入射方向合適，使反射和折射光之間的夾角恰好是90°，這時，反射光和折射光就都是偏振光，且它們的偏振方向互相垂直。我們通常看到的絕大多數光都是偏振光。除了直接從光源發出的光外。偏振片(起偏器)由特定的材料制成，它上面有一個特殊方向(透振方向)只有振動方向和透振方向平行的光波才能通過偏振片。（3）只有橫波才有偏振現象。光的偏振也證明了光是一種波，而且是橫波。各種電磁波中電場E的方向、磁場B的方向和電磁波的傳播方向之間，兩兩互相垂直。（4）光波的感光作用和生理作用主要是由電場強度E引起的，因此

23、將E的振動稱為光振動。（5）應用：立體電影、照相機的鏡頭、消除車燈的眩光等。四、麥克斯韋光的電磁說 1、光的干涉與衍射充分地表明光是一種波，光的偏振現象又進一步表明光是橫波。提出光電磁說的背景：麥克斯韋對電磁理論的研究預言了電磁波的存在，并得到電磁波傳播速度的理論值3.11×108m/s，這和當時測出的光速3.15×108m/s非常接近，在此基礎上麥克斯韋提出了光在本質上是一種電磁波這就是所謂的光的電磁說。光電磁說的依據：赫茲在電磁說提出20多年后，用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度確實等于光速，并測出其波長與頻率，并且證明了電磁波也能產生反射、折射、衍射、干涉

24、、偏振等現象。用實驗證實了光的電磁說的正確性。光電磁說的意義：揭示了光的電磁本性，光是一定頻率范圍內的電磁波；把光現象和電磁學統一起來，說明光與電和磁存在聯系。說明了光能在真空中傳播的原因：電磁場本身就是物質，不需要別的介質來傳遞。電磁波譜：按波長由大到小的順序排列為：無線電波、紅外線、可見光(七色)、紫外線、X射級、射線，除可見光外，相鄰波段間都有重疊。各種電磁波產生的基理、性質差別、用途。電磁波種類無線電波紅外線可見光紫外線倫琴射線射線頻率(Hz)1043×101210123.9×10143.9×10147.5×10147.5×10145&

25、#215;10163×10163×10203×1019以上真空中波長(m)3×10141043×1047.7×1077.7×1074×1074×1076×10910810121011以下組成頻率波波長：大小 波動性：明顯不明顯 頻率：小大 粒子性：不明顯明顯觀察方法無線電技術利用熱效應 激發熒光 利用貫穿本領照相底片感光（化學效應）核技術各種電磁波的產生機理LC電路中自由電子的的振蕩原子的外層電子受到激發原子的內層電子受到激發原子核受到激發特性波動性強熱效應引起視覺化學作用、熒光效應、殺菌貫穿作用強貫穿本領最強用途通訊，廣播，導航加熱烘干、遙測遙感，醫療，導向等照明，照相，加熱日光燈，黑光燈手術室殺菌消毒，治療皮膚病等檢查探測，透視，治療等探測，治療等從無線電波到射線，都是本質上相同的電磁波，它們的行服從同的波動規律。由于頻率和波長不同，又表現出不同的特性：波長大(頻率小)干涉、衍射明顯，波動性強。現在能在晶體上觀察到射線的衍射圖樣了。除了可同光外，上述相鄰的電磁波的頻率并不絕對分開，但頻率、波長的排列有規律。(3)紅外線、紫外線、X射線