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光学
 2008-10-13   

                                      
§.1 第十九章 光的传播 
1. 光的直线传播:在同一均匀介质中,光是沿直线传播的.
①光源:自行发光的物体
②影:AB是发光物体,CD是不透明物体,在物体CD的背光面,区域Ⅰ是
一个光线照不到的黑暗区域,称为本影区;区域Ⅱ只有光源上端发出的
部分光线能照射到,称为半影区;区域Ⅲ只有光源下端发出的部分光线
能照射到,也称为半影区;区域Ⅳ只有光源两端发出的部分光线能照到,
而光源中间部分发出的光线照射不到,这个区域称为伪本影区.
③月食、月食现象:
I. 图是发生日食现象的示意图,当月球位于日、地之间时,若月、地之间相距较近,地面上C、 D两点之间的人可看到日全食;A、C之间和D、B之间的人可看到日偏食.若月、地之间相距较远,地面上E、F两点之间的人可看到日环食.
II. 图是发生月食现象的示意图,当月球
处在地球的本影区域内时,月球没有阳光
可反射,地球上的人可看到月全食;当月
球的一部分在本影区域内、一部分在半影
区域内,地球上的人可看到月偏食.如果月
球全部处在地球的半影区域内,它的向阳
面全部有阳光反射,地球上的人看到的便是一轮圆月.
 
 
 
注意:手术室中的无影灯并不是没有影,因为有不透明的医疗器,只是在大光源下本影区小造成的.
2. ⑴光的反射与折射.
①折射率:光从空气或真空中射入到某种介质内部时,
入射角的正弦与折射角正弦的比值大小就叫做该种介质的折射率. >1.
②在反射和折射现象中光路是可逆的.
 
 
 
 
 
 
 
 
 

注意:ⅰ. 当入射角为0°时,折射角为0°,这仍是折射现象.(同时也有沿入射光线反向的反射光线)
ⅱ.如果玻璃被上下两边平行时,则入射光线与射出光线平行,且一定不会有全反射现象.[假若是则 当 也不会发生全反射]
⑵发生全反射的条件:光从光密介质射入光疏介质, 入射角大于或等于临界角.[ 为临界角)]
注:①临界角是指光线的入射角,当入射角达到临界角时,折射角是90°故入射角发生全反射,则入射角在 ,折射角在[0,90°].
②大气中的蒙气差是折射现象而大气中的海市蜃楼是全反射现象.
③横截面为等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜.
④如果发生折射,则该处既有折射光线,又有反射光线,若重点讨论折射光线,则可不考虑反射光线;如果发生全反射,则光路满足反射定律,此处没有折射光线.
3. 光的色散.
①白光:由各种单色光组成的复色光.
②色散:复射光在介质中由于折射率不同而分解成单色光的现象.(在同一介质中由 得,红光的传播速度最快)
③红橙黄绿青蓝紫,折射率增加,频率增加波长减小. (简记为“红光折射率小,因此由 得 为最大,速度最大 知f为最小)
注:i. 光的颜色由频率决定.
ⅱ.色散的常见事例:阻光通过三棱镜成的彩色条纹,雨过天晴,天空中的彩虹而阳光下肥皂膜上的彩色条纹是光的干射现象.
§.2 第二十章 光的波动性
1. 光的干涉.
(1)杨氏双缝干涉实验(必须是相干光源).
①产生双缝干涉的条件: ,且振动情况完全相同.
②缝 产生的光相当于光源的作用.
③产生亮暗条件是 (亮), (暗)两条亮纹或暗纹之间的距离
④ =
⑤条纹间距是相等的,0级亮纹与1级亮纹,1级亮纹与2级亮纹都相差一个波长,而相邻级的暗纹之间相差半个波长. 其实第n级就相当于波长的几倍.
(2)薄膜干涉:两个相干光源是薄膜的两条反射光产生的现象.
①单色平行光照楔形薄膜时呈现明暗相间条纹.[因为d的不同造成 的不同,因此有此d可能就使 为波长整数倍,有的d可能使 为半波长奇数倍,而呈现明暗相间条纹]
②用复色光照射时,则出现彩色条纹.[用白光作光源时,由于不同色光波长不同,在某一厚度d处只能是某一种色光相强而成为这种色光的亮条纹,旁边另一厚度 处只能是另一种色光强而成为另一色光的亮条纹,这样在不同厚度d处,为不同波长的色光的亮条纹,从而形成彩色条纹]
③增透膜是干涉的应用之一,由于“增透”只使两反射光相消,一定的d只能使一定的波长 的光相消,我们常见的涂有增透膜的光学元件,是在自然光条件下增透,通常控制增透膜的厚度,使它对黄、绿光满足“增透”,而其他色光(红、橙、蓝、靛、紫)不能满足“增透”.因此从入射光方向看上去呈现其他色光形成的淡紫色.
④薄膜干涉应用之二是检查平面是否平整.
2. 光的衍射—单缝衍射实验.
①条纹间距不等.
②对孔的条纹最亮,朝两走依次变窄变暗.
 
 
③ 小于或接近 ,衍射现象明显. 这种衍射花样的明暗条纹的出现是光干涉的结果.[衍射只能绕过障碍物继续传播而已,而明暗的条纹则说明一些地方光的波动增强,一些地方光的波动减弱]
注:①光波衍射中有干涉;干涉中有衍射.
②泊松亮斑是光的衍射形成的.
③光的干涉和光的衍射都表明光具有波动性.[当赫兹发现电磁波的速度与光速几乎相等时,才提出光是一种电磁波]
3. 光的电磁说.
(1)红外线.  ①产生:ⅰ.一切物体都在向外辐射能量. (例如:红外线夜视仪) ⅱ. 温度越高,辐射红外线本领越强.
②作用:ⅰ. 最显著作用是热作用(红外线取暖炉). ⅱ. 遥感技术
注意:红外线比红光波长更长,不能引起视觉的光.
(2)紫外线:①产生高温物体向外辐射.
②作用:ⅰ. 最显著作用是生物化学作用,易使蛋白质变性.  ⅱ. 荧光效应.
(3)X射线(伦琴射线). 最显著作用是穿透本领强.
注意:高速电子流时到任何固体上,都会产生X射线,而光电效应是吸收光子放出光电子
(4)电磁波谱:①电磁波由大到小,波长由大到小(即频率由小到大)依次为无限电波,红外线、可见光、紫外线、琴伦射线、 射线.
②产生机理:无线电波,微波都是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的,红外线,可见光,紫外线用原子外层电子受激发后产生,琴伦射线为原子内层电子受激发后产生, 射线为原子核受激发后产生.
4. 光的偏振:光的偏振现象揭示了光波是横波.
自然光:光振动沿各个方向均匀分布.
偏振光:光振动沿特定方向.
要观察光的偏振现象,首先要将自然光转化为偏振光.光的偏振,首先要将自然光通过偏振片转化为偏振光,所以自然光一定能透过第一偏振片,当偏振光的振动方向与偏振片的.
5. 激光:①激光是一种人工产生的相干光. ②激光的平行度非常好. ③激光的亮度高.
注意:激光只是某种特定波长的光,而白炽灯光是有一切波长的光.
§.3 第二十一章 量子论初步
1. 光电效应、光子.
(1)光电效应:某种金属在某种频率光照射下,自由电子吸收能量摆脱原子核束缚,飞出金属表面的现象.
①对任何一种金属都有一个极限频率( ),如果入射光的频率 < ,则无论光多强,照射时间变长,都不能发生光电效应.
②电子离开金属表面的最大初动能是与入射光频率有关与入射光强度无关.
③入射光照射到金属表面时光电子飞出其表面的时间t< ,即光照停止,光电子的发射亦立即停止.
④当入射光频率一定时,飞出金属表面的电子个数随着入射光强度的增加而增加.[由 ,吸收一个光子,发出一个光电子,而单位时间的光子数与光的强度成正比,那么单位时间发出的光电子数也就与光的强度成正比]
注意:光电效应与电磁波动理论的矛盾有:ⅰ光子能量与频率有关,与振幅无关.  ⅱ电子吸收光子的能量瞬间完成,不需要时间积累. [由 , 是一个光子的能量,电子吸收这份能量后,使自己的能量达到逸出金属所需的能量,不需要时间的积累,即光电子的发射是瞬时的]
(2)光子说:普朗克提出电磁波动的能量是不连续的,爱因斯坦提出在空间传播的光也不是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光量子,简称光子,有 表光的频率 为普朗克常量,其值为6.63× )
(3)光电效应方程.
①逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值. ,这量的 即为极限频率.
②光电效应方程 (逸出功)
注意:i. 光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光的频率的增大而增大.
ⅱ. 光电效应方程是对大量光电子来讲,如果 则对某些光电子可能最大初动能相同,也有些大于或者小于对大量来讲, > .
2. 光的波粒二象性:光是一种波,同时也是一种粒子,个别光子表现出粒子性,大量光子表现出波动性.因此光波又可叫做概率波. 如单个光子通过双缝后的落点无法预测,但大量光子的行为(通过双缝后)产生干涉条纹,明纹处光子到达的机会大,暗纹处光子到达的机会小.
①波动性是光子本身的一种属性,故光在本质上是一种高频率的电磁波.
②光的反射,折射、干涉、衍射等现象说明光具有波动性;光电效应现象则说明光具有粒子性.
③频率越低,波动性就越突出,粒子性就越弱;频率越高,粒子性就越突出,波动性就越弱.光的电磁说与光子说并不是互相对立的,而是相互统一的.光子的能量与其对应的频率v成正比( ),其中频率v是波动性的特征物理量.
3. 能级:电子在各个定态时,能量的值称为能级,其值等于电子的动能和电势能之和(基态能量最低的状态)和激发态(其它状态)统称为定态.
①原子能量的量子化:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然做加速运动,但不向外辐射能量.这些状态叫做定态.
②原子能级的跃迁:原子从一种定态(设能量为 )跃迁到另一种定态(设能量为 时,要辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量等于这两个定态的能量差. 光电效应方程: .
i. 轨道能量与半径的关系:  (式中n称为量子数,表示第n条可能轨道)
 
 
 
 
ⅱ. 原子对光子的吸收的选择性(从低能级到高能级)电离之前,满足 的光
子才能被吸收; 只能吸收 不能吸收 电离之后,电子跑到无
穷远处,例如: 都可以吸收,但 剩0.1ev作为其动能.[原子丢失
电子的过程叫电离]
③电子动能与电势能的关系:电子绕核做圆周运动,是库仑力提供向心力,即 ,电子的动能 ,即 随r的减小而增大.
④原子光谱(又叫线状光谱):对不同元素,原子结构不同,可能能量状态不同,各能级可能能级差不同,则各种元素的原子发光谱线位置不相同,因此原子光谱可以反映出原子结构特征.从而鉴别物质中所含有的元素.
 
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