光的幾何性與物理性

1、.光的幾何性與物理性光學(xué)包括兩大部分內(nèi)容：幾何光學(xué)和物理光學(xué)。幾何光學(xué)又稱光線光學(xué)是以光的直線傳播性質(zhì)為根底，研究光在煤質(zhì)中的傳播規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科；物理光學(xué)是研究光的本性、光和物質(zhì)的互相作用規(guī)律的學(xué)科。一、重要概念和規(guī)律一、幾何光學(xué)根本概念和規(guī)律1、根本規(guī)律光源：發(fā)光的物體分兩大類：點(diǎn)光源和擴(kuò)展光源 點(diǎn)光源是一種理想模型，擴(kuò)展光源可看成無(wú)數(shù)點(diǎn)光源的集合 光線 表示光傳播方向的幾何線 光束通過(guò)一定面積的一束光線它是通過(guò)一定截面光線的集合 光速光傳播的速度。光在真空中速度最大。恒為C=3108 m/s。丹麥天文學(xué)家羅默第一次利用天體間的大間隔 測(cè)出了光速。法國(guó)人裴索第一次在地面上用旋轉(zhuǎn)齒輪法測(cè)出

2、了光這。 實(shí)像 光源發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)器件后，由實(shí)際光線形成的 虛像光源發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)器件后，由發(fā)實(shí)際光線的延長(zhǎng)線形成的。 本影光直線傳播時(shí)，物體后完全照射不到光的暗區(qū) 半影 光直線傳播時(shí)，物體后有部分光可以照射到的半明半暗區(qū)域2根本規(guī)律1光的直線傳播規(guī)律：先在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直線傳播的例證。2光的獨(dú)立傳播規(guī)律：光在傳播時(shí)雖屢屢相交，但互不擾亂，保持各自的規(guī)律繼續(xù)傳播。3光的反射定律： 反射線、入射線、法線共面；反射線與入射線分布于法線兩側(cè)；反射角等于入射角。4光的折射定律： 折射線、入射線、法線共面，折射線和入射線分居法線兩側(cè)；對(duì)確定的兩種

3、介質(zhì)，入射角i的正弦和折射角r的正弦之比是一個(gè)常數(shù)介質(zhì)的折射率 n=sini/sinr=c/v。全反射條件光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角大于臨界角A，sinA=1/n。5光路可逆原理： 光線逆著反射線或折射線方向入射，將沿著原來(lái)的入射線方向反射或折射3常用光學(xué)器件及其光學(xué)特性1平面鏡： 點(diǎn)光源發(fā)出的同心發(fā)散光束，經(jīng)平面鏡反射后，得到的也是同心發(fā)散光束能在鏡后形成等大的、正立的虛出，像與物對(duì)鏡面對(duì)稱。2球面鏡： 凹面鏡：有會(huì)聚光的作用， 凸面鏡： 有發(fā)散光的作用3棱鏡： 光密介質(zhì)的棱鏡放在光疏介質(zhì)的環(huán)境中，入射到棱鏡側(cè)面的光經(jīng)棱鏡后向底面偏折。隔著棱鏡看到物體的像向頂角偏移。 棱鏡的色散作用：

4、 復(fù)色光通過(guò)三棱鏡被分解成單色光的現(xiàn)象。4透鏡： 在光疏介質(zhì)的環(huán)境中放置有光密介質(zhì)的透鏡時(shí)， 凸透鏡： 對(duì)光線有會(huì)聚作用， 凹透鏡： 對(duì)光線有發(fā)散作用透鏡成像作圖： 利用三條特殊光線。成像規(guī)律1/u+1/v=1/f。線放大率m=像長(zhǎng)/物長(zhǎng)=|v|/u。說(shuō)明成像公式的符號(hào)法那么凸透鏡焦距f取正，凹透鏡焦距f取負(fù)；實(shí)像像距v取正，虛像像距v取負(fù)。線放大率與焦距和物距有關(guān)5平行透明板： 光線經(jīng)平行透明板時(shí)發(fā)生平行挪動(dòng)側(cè)移側(cè)移的大小與入射角、透明板厚度、折射率有關(guān)。4簡(jiǎn)單光學(xué)儀器的成像原理和眼睛1放大鏡： 是凸透鏡成像在。uf時(shí)的應(yīng)用。通過(guò)放大餅在物方同地看到正立虛像。2照相機(jī)： 是凸透鏡成像在u2f

5、時(shí)的應(yīng)用得到的是倒立縮小施實(shí)像。3幻燈機(jī)： 是凸透鏡成像在 fu2f時(shí)的應(yīng)用。得到的是倒立放大的實(shí)像4顯微鏡： 由短焦距的凸透鏡作物鏡，長(zhǎng)焦距的透鏡作目鏡所組成。物體位于物鏡焦點(diǎn)外很*近焦點(diǎn)處，經(jīng)物鏡成實(shí)像于目鏡焦點(diǎn)內(nèi)很*近焦點(diǎn)處。再經(jīng)物鏡在同側(cè)形成一放大虛像通常位于明視間隔 處。 5望遠(yuǎn)鏡： 由長(zhǎng)焦距的凸透鏡作物鏡，短焦距的透鏡作目鏡所組成。極遠(yuǎn)處至物鏡的光可看成平行光，經(jīng)物鏡成中間像倒立、縮小、實(shí)像于物鏡焦點(diǎn)外很*近焦點(diǎn)處，恰位于目鏡焦點(diǎn)內(nèi)，再經(jīng)目鏡成虛像于極遠(yuǎn)處或明視間隔 處。6眼睛： 等效于一變焦距照相機(jī)，正常人明視距約25厘米。明視間隔 小子25厘米的近視眼患者需配戴凹透鏡做鏡片的眼

6、鏡；明視間隔 大于25厘米的遠(yuǎn)視25者需配戴凸透鏡做鏡片的眼鏡。二物理光學(xué)人類對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)開(kāi)展過(guò)程1微粒說(shuō)牛頓根本觀點(diǎn)： 認(rèn)為光像一群彈性小球的微粒。 實(shí)驗(yàn)根底 光的直線傳播、光的反射現(xiàn)象。 困難問(wèn)題 無(wú)法解釋兩種媒質(zhì)界面同時(shí)發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象以及光的獨(dú)立傳播規(guī)律等。2波動(dòng)說(shuō)惠更斯根本觀點(diǎn)： 認(rèn)為光是某種振動(dòng)激起的波機(jī)械波。 實(shí)驗(yàn)根底： 光的干預(yù)和衍射現(xiàn)象。光的干預(yù)現(xiàn)象楊氏雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)條件： 兩束光頻率一樣、相差恒定。 裝置 略。 現(xiàn)象： 出現(xiàn)中央明條，兩邊等距分布的明暗相間條紋。 解釋： 屏上某處到雙孔雙縫的路程差是波長(zhǎng)的整數(shù)倍半個(gè)波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，兩波同相疊加，振動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生明條；兩波反

7、相疊加，振動(dòng)相消，產(chǎn)生暗條。 應(yīng)用： 檢查平面、測(cè)量厚度、增強(qiáng)光學(xué)鏡頭透射光強(qiáng)度增透膜光的衍射現(xiàn)象單縫衍射或圓孔衍射條件： 縫寬或孔徑可與波長(zhǎng)相比較。 裝置 ：略。 現(xiàn)象： 出現(xiàn)中央最亮最寬的明條，兩邊不等距發(fā)表的明暗條紋或明暗鄉(xiāng)間的圓環(huán)。 困難問(wèn)題： 難以解釋光的直進(jìn)、尋找不到傳播介質(zhì)。3電磁說(shuō)麥克斯韋： 根本觀點(diǎn)： 認(rèn)為光是一種電磁波。 實(shí)驗(yàn)根底： 赫茲實(shí)驗(yàn)證明電磁波具有跟光同樣的性質(zhì)和波速。 各種電磁波的產(chǎn)活力理： 無(wú)線電波 自由電子的運(yùn)動(dòng)； 紅外線、可見(jiàn)光、紫外線 原子外層電子受激發(fā)； x射線 原子內(nèi)層電子受激發(fā)； 射線 原子核受激發(fā)。 可見(jiàn)光的光譜： 發(fā)射光譜連續(xù)光譜、明線光譜 ；

8、吸收光譜特征光譜。 困難問(wèn)題： 無(wú)法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。4光子說(shuō)愛(ài)因斯坦： 根本觀點(diǎn)： 認(rèn)為光由一份一份不連續(xù)的光子組成每份光子的能量E=h。 實(shí)驗(yàn)根底： 光電效應(yīng)現(xiàn)象。 裝置： 略。 現(xiàn)象： 入射光照到光電子發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的；入射光頻率必須大于光陰極金屬的極限頻率。；當(dāng)v0時(shí)，光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比；光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，只隨著人射光燈中的增大而增大。 解釋 光子能量可以被電子全部吸收不需能量積累過(guò)程；外表電子抑制金屬原子核引力逸出至少需做功逸出功h。；入射光強(qiáng)。單位時(shí)間內(nèi)入射光子多，產(chǎn)生光電子多；入射光子能量只與其頻率有關(guān)，入射至金屬表，除用于逸出功外。其余轉(zhuǎn)化為光電子初動(dòng)

9、能。 困難問(wèn)題： 無(wú)法解釋光的波動(dòng)性。5光的波粒二象性： 根本觀點(diǎn)： 認(rèn)為光是一種具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動(dòng)性。又有粒子性。大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯示波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為顯示粒子性。 實(shí)驗(yàn)根底 ：微弱光線的干預(yù)，X射線衍射二、重要研究方法1作圖：幾何光學(xué)離不開(kāi)光路圖 。利用作圖法可以直觀地反映光線的傳播，方便地確定像的位置、大小、倒正、虛實(shí)以及成像區(qū)域或觀察范圍等把它與公式法結(jié)合起來(lái)，可以互相補(bǔ)充、互相驗(yàn)證。2光路追蹤法： 用作圖法研究光的傳播和成像問(wèn)題時(shí)，抓住物點(diǎn)上發(fā)出的某條光線為研究對(duì)象。不斷追蹤下去的方法尤其合適于研究組合光具成多重保的情況。3光路可逆法： 在幾何光學(xué)中，一所有的光路都是

10、可逆的，利用光路可逆原理在作圖和計(jì)算上往在都會(huì)帶來(lái)方便原子物理包括兩大部分內(nèi)容；原子構(gòu)造和原子核構(gòu)造。前者研究原子核外電子的分布及躍遷規(guī)律，后者研究核的組成及其變化規(guī)律。一、重要概念和規(guī)律1 原子核式構(gòu)造學(xué)說(shuō)1909年。盧瑟福實(shí)驗(yàn)根底： 粒子散射實(shí)驗(yàn)用放射源發(fā)出的粒子穿過(guò)金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子按原方向前進(jìn)，少數(shù)粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。極少數(shù)產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)，個(gè)別被彈回 根本內(nèi)容： 在原子中心有一個(gè)帶正電的核半徑約10-15 10-14 m，集中了幾乎全部原子質(zhì)量、帶負(fù)電的電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)原子半徑約10-10 m。 困難問(wèn)題： 按經(jīng)典理論，電子繞核旋轉(zhuǎn)將輻射電磁波，能量會(huì)逐漸減小，電子運(yùn)行的軌道半徑

11、不斷變小，大量原子發(fā)出的光譜應(yīng)該是連續(xù)光譜。2玻爾理論1913年。玻爾 實(shí)驗(yàn)根底 氫光譜規(guī)律的研究。 根本內(nèi)容三點(diǎn)假設(shè) 1原子只能處于一系列不連續(xù)的、穩(wěn)定的能量狀態(tài)定態(tài)，其總能量En包括動(dòng)能和電勢(shì)能與基態(tài)總能量量的關(guān)系為En=E1 /n1 n1、2、32原子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷時(shí)，將輻射或吸收一定頻率光陰子；光子的能量為h = E初 -E終 。3電子繞核運(yùn)行的可能軌道是不連續(xù)的。各可能軌道的半徑rn =n2 r1 基態(tài)軌道半徑r1。n=1、2、3。 困難問(wèn)題 無(wú)法解釋復(fù)雜原子的光譜3. 放射現(xiàn)象1896年貝克勒爾三種射線1射線 氦原子核流。vc/10。貫穿本領(lǐng)很小。電離作用很強(qiáng)。2射線 高速電子

12、流。vc。貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，電離作用弱。3射線 波長(zhǎng)很短的電磁波。v=c。貫穿本領(lǐng)很強(qiáng)，電離作用很弱。衰變規(guī)律 遵循電量、質(zhì)量和能量守恒。衰變、衰變、衰變衰變是伴隨著衰變或衰變同時(shí)發(fā)生的。半衰期： 放射性元素的原子讀有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間。由核內(nèi)部本身因素決定跟原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)4原子核的組成實(shí)驗(yàn)根底1質(zhì)子發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福2中子發(fā)現(xiàn)1932年，查德威克根本內(nèi)容 原子核由質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子組成原子核的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和原子核的電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)。各核子間依*強(qiáng)大的核力來(lái)集在核內(nèi)。5放射性同位素 質(zhì)子數(shù)一樣、中子數(shù)不同，具有放射性的原子。實(shí)驗(yàn)根底：用粒子蓋擊鋁核首先實(shí)現(xiàn)用

13、人工方法得到放出性同位素磷1934年，約里奧居里夫婦。根本應(yīng)用1利用射線的貫穿本領(lǐng)、電離作用或?qū)ι锝M織的物理、化學(xué)效應(yīng)。2做為示蹤原子。6. 核能質(zhì)量虧損： 組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差質(zhì)能方程：E=mc2核反響能：E=mc2二、重要研究方法1理論-理論-理論從理論實(shí)驗(yàn)出發(fā)，提出理論，再經(jīng)過(guò)理論的檢驗(yàn)或進(jìn)展新的理論一進(jìn)一步開(kāi)展理論。例如，通過(guò)對(duì)氣體放電現(xiàn)象、陰極射線的研究湯姆生發(fā)現(xiàn)電子1897年，提出原子構(gòu)造的湯姆生模型。由于盧瑟福的粒子的散射實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步開(kāi)展成盧瑟福模型。通過(guò)對(duì)氫原子明線光譜的研究，又提出了玻爾理論等。在原子物理中，非常鮮明地貫穿著辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論的這一根本思

14、想方法。復(fù)習(xí)中也應(yīng)以此為線索，把握全章的知識(shí)構(gòu)造。2. 守恒規(guī)律的應(yīng)用質(zhì)量守恒、電荷守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒等自然界中的根本規(guī)律在原子物理中都得到全面的表達(dá)復(fù)習(xí)中應(yīng)緊緊把握這些守恒規(guī)律光的傳播1.光在什么情況下是沿直線傳播的，小孔成像是怎么回事，什么是本影和半影，如何確定本影、半影的區(qū)域？如何確定影子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？在何時(shí)、何地可以觀察到日全食、日偏食、日環(huán)食、月全食、月偏食？你知道幾種典型的測(cè)量光速的方法嗎？你能體會(huì)出為什么這一章又被稱為幾何光學(xué)嗎？2.什么是光的反射定律，鏡面反射和漫反射的主要區(qū)別是什么？平面鏡的成像特點(diǎn)是什么？如何確定平面鏡成像的觀察范圍？我要想看到完好的臉，至少需要多大的矩

15、形平面鏡？那我要想看到完好的三中辦公樓呢？如何確定物像的運(yùn)動(dòng)速度速度垂直鏡面和不垂直鏡面兩種情況？3.什么是折射定律？與折射率相關(guān)的幾個(gè)表達(dá)式分別是什么？如何計(jì)算光射入介質(zhì)后的波長(zhǎng)、波速和頻率？什么是視深？4.什么是光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)，全反射的條件是什么？在求解全反射問(wèn)題時(shí)，一般采用什么解題方法？什么是光導(dǎo)纖維？在入射角的情況下如何計(jì)算光導(dǎo)纖維的折射率，假如入射角未知呢？5.什么是光的色散，產(chǎn)生的原因是什么？各種色光的頻率、折射率、速度有什么規(guī)律？你能定性畫出不同色光在界面上發(fā)生反射、折射時(shí)的情景嗎？反之根據(jù)這些情景你有能判斷出各色光的折射率、頻率、能量、臨界角的大小嗎？6.你理解幾種典型的玻

16、璃磚對(duì)光路的控制特點(diǎn)嗎？在三角形玻璃磚中，你知道幾個(gè)典型角的關(guān)系嗎？單色光、復(fù)色光、單色光點(diǎn)、復(fù)色光點(diǎn)通過(guò)三棱鏡會(huì)呈現(xiàn)什么景象呢？假如光疏棱鏡放在光密介質(zhì)中，上述現(xiàn)象還成立嗎？在圓形玻璃磚中，你知道如何確定法線，如何確定是否發(fā)生全反射，如何計(jì)算各次的偏折角嗎？在矩形玻璃磚中，你會(huì)求側(cè)移間隔 嗎？你能利用一個(gè)杯子測(cè)量液體的折射率嗎？光的本性1.十七世紀(jì)人們關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)有哪些觀點(diǎn)？分別能解釋什么，無(wú)法解釋什么？2.什么是雙縫干預(yù)、薄膜干預(yù)，它們的相干光源是如何得到的，使用單色光和復(fù)色光時(shí)其干預(yù)圖樣怎樣？如何判斷某個(gè)點(diǎn)是加強(qiáng)點(diǎn)還是減弱點(diǎn)。在雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，相鄰兩條亮條紋之間的間距與什么有關(guān)？遮

17、住其中一個(gè)縫，或用不同濾光片分別遮住兩個(gè)縫還會(huì)有干預(yù)條紋嗎？還會(huì)有條紋嗎？在薄膜干預(yù)中，應(yīng)在何處觀察現(xiàn)象，薄膜的形狀對(duì)條紋的形狀及間距有何影響？你知道什么是增透膜嗎？它的厚度如何確定？如何使用薄膜干預(yù)檢查物體外表的平整程度？在實(shí)際生活中如何區(qū)分干預(yù)、衍射、色散、半影等問(wèn)題？3.什么是衍射，發(fā)生明顯衍射的條件是什么？雙縫干預(yù)條紋與單縫衍射條紋的區(qū)別是什么？圓孔衍射與圓屏衍射呢？在衍射現(xiàn)象越來(lái)越明顯的過(guò)程中看到的現(xiàn)象是什么？光的直線傳播與光的衍射矛盾嗎？為什么我們常說(shuō)光是沿直線傳播的？4.光是一種什么波，這種觀點(diǎn)是誰(shuí)提出的，提出的根據(jù)有哪些，又是誰(shuí)驗(yàn)證的？電磁波譜的排列順序是什么，它們的產(chǎn)活力理怎

18、樣，能否結(jié)合電磁波和原子物理的知識(shí)加深理解。紅外線、紫外線、X射線、射線是怎樣產(chǎn)生的，有什么樣的特性及應(yīng)用？倫琴射線管的構(gòu)造是什么？5.什么是偏振？偏振光和自然光有何區(qū)別？如何得到偏振光？偏振光在現(xiàn)實(shí)生活中有何應(yīng)用？什么是激光？它的三個(gè)特性及相關(guān)應(yīng)用是什么？6.什么是光電效應(yīng)，它是使用什么樣的裝置發(fā)現(xiàn)的，又是使用什么樣的裝置研究的。什么是飽和電流、截止電壓，有什么作用？光電效應(yīng)的四條規(guī)律是什么？你會(huì)在做題中使用嗎？經(jīng)典波動(dòng)理論為什么解釋不了，愛(ài)因斯坦的光子理論又是如何解釋的。你會(huì)利用光電效應(yīng)方程解釋以及求解極限頻率、最大初動(dòng)能嗎？你會(huì)連接簡(jiǎn)單的光電管自動(dòng)控制電路嗎？光強(qiáng)與哪些因素有關(guān)？一樣強(qiáng)度

19、的紫光、紅光照射同一金屬發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)有何區(qū)別？你理解最大初動(dòng)能和頻率之間的函數(shù)圖象嗎？7.在光子計(jì)算中，你能計(jì)算出點(diǎn)光源模型中，相距光源一定間隔 放置的面上得到的光子數(shù)嗎？在線光源模型中，你會(huì)計(jì)算單位長(zhǎng)度上的光子數(shù)嗎？8.什么是光的波粒二象性，如何理解？只有電磁波才具有波粒二象性嗎？什么是物質(zhì)波，誰(shuí)提出的？物質(zhì)波的波長(zhǎng)如何計(jì)算？原子物理1.誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了電子，有什么樣的重要意義？接下來(lái)他提出的原子構(gòu)造模型是什么樣的？2.粒子散射實(shí)驗(yàn)是誰(shuí)、為了什么目的、使用什么樣的裝置做的？期望得到什么結(jié)果？實(shí)際的現(xiàn)象是什么？由此得出什么樣的結(jié)論，該實(shí)驗(yàn)有何重大意義？3.什么是光譜，光譜如何分類，分別是由誰(shuí)產(chǎn)生的，哪些光譜可以用作光譜分析，用什么儀器觀察光譜，它的大致構(gòu)造怎樣？4.原子的核式構(gòu)造遇到了哪兩個(gè)困難？是誰(shuí)提出了什么理論解決了這兩個(gè)難題？他否認(rèn)了經(jīng)典理論還是否認(rèn)了核式構(gòu)造學(xué)說(shuō)？理論的內(nèi)容是什么？5.你能根據(jù)題目條件確定核外電子的動(dòng)能、勢(shì)能、總能量、周期、半徑等的大小及變化嗎？什么是eV，它與焦耳如何轉(zhuǎn)換？在解題中一定要將它轉(zhuǎn)化成焦耳嗎？你會(huì)計(jì)算在原子躍遷中吸收或釋放光子的個(gè)數(shù)及頻率嗎？能否在此根底上真正理解明線光譜與吸收光譜？你知道什么是電離，如何計(jì)算電離能嗎？在電離中，原子能吸收超過(guò)電