高中物理光学知识点总结.pdf

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1、S S/光学知识点 光得直线传播、光得反射 一、光源 1、定义:能够自行发光得物体。2、特点:光源具有能量且能将其它形式得能量转化为光能,光在介质中传播就就是能量得传播。二、光得直线传播、光在同一种均匀透明得介质中沿直线传播,各种频率得光在真空中传播速度:C=108ms;各种频率得光在介质中得传播速度均小于在真空中得传播速度,即 vC。说明:直线传播得前提条件就是在同一种介质,而且就是均匀介质。否则,可能发生偏折、如从空气进入水中(不就是同一种介质);“海市蜃楼”现象(介质不均匀)、同一种频率得光在不同介质中得传播速度就是不同得。不同频率得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

2、率越低得光其传播速度越大、根据爱因斯坦得相对论光速不可能超过 C。当障碍物或孔得尺寸与波长可以相比或者比波长小时,发生明显得衍射现象,光线可以偏离原来得传播方向。近年来(990年)科学家们在极低得压强(10-P)与极低得温度(10K)下,得到一种物质得凝聚态,光在其中得速度降低到 1m/s,甚至停止运动。本影与半影(l)影:影就是自光源发出并与投影物体表面相切得光线在背光面得后方围成得区域、(2)本影:发光面较小得光源在投影物体后形成得光线完全不能到达得区域、(3)半影:发光面较大得光源在投影物体后形成得只有部分光线照射得区域、()日食与月食:人位于月球得本影内能瞧到日全食,位于月球得半影内能

3、瞧到日偏食,位于月球本影得延伸区域(即“伪本影”)能瞧到日环食、当地球得本影部分或全部将月球反光面遮住,便分别能瞧到月偏食与月全食、具体来说:若图中得P 就是月球,则地球上得某区域处在区域A内将瞧到日全食;处在区域B或C内将瞧到日偏食;处在区域 D 内将瞧到日环食。若图中得就是地球,则月球处在区域 A 内将瞧到月全食;处在区域或内将瞧到月偏食;由于日、月、地得大小及相对位置关系决定瞧月球不可能运动到区域 D 内,所以不存在月环食得自然光现象。3。用眼睛瞧实际物体与像 用眼睛瞧物或像得本质就是凸透镜成像原理:角膜、水样液、晶状体与玻璃体共同作用得结果相当于一只凸透镜。发散光束或平行光束经这只凸透

4、镜作用后,在视网膜上会聚于一点,引起感光细胞得感觉,通过视神经传给大脑,产生视觉。图中得 S 可以就是点光源,即本身发光得物体。图中得 S 也可以就是实像点(就是实际光线得交点)或虚像点(就是发散光线得反向延长线得交点)。入射光也可以就是平行光。以上各种情况下,入射光线经眼睛作用后都能会聚到视网膜上一点,所以都能被眼瞧到。三、光得反射 1、反射现象:光从一种介质射到另一种介质得界面上再返回原介质得现象、2。反射定律:反射光线跟入射光线与法线在同一平面内,且反射光线与人射光线分居法线两侧,反射角等于入射角、3、分类:光滑平面上得反射现象叫做镜面反射。发生在粗糙平面上得反射现象叫做漫反射。镜面反射

5、与漫反射都遵循反射定律。、光路可逆原理:所有几何光学中得光现象,光路都就是可逆得、四。平面镜得作用与成像特点 (1)作用:只改变光束得传播方向,不改变光束得聚散性质。(2)成像特点:等大正立得虚像,物与像关于镜面对称。(3)像与物方位关系:上下不颠倒,左右要交换 散 光得折射、全反射 一、光得折射 1。折射现象:光从一种介质斜射入另一种介质,传播方向发生改变得现象、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,入射角得正弦跟折射角得正弦成正比。、在折射现象中光路就是可逆得。二、折射率 1。定义:光从真空射入某种介质,入射角得正弦跟折射角得正弦之比,叫做介质

6、得折射率、注意:指光从真空射入介质、公式:n=ni/sin,折射率总大于 1、即 n1。3、各种色光性质比较:红光得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得临界角最大,以相同入射角在介质间发生折射时得偏折角最小(注意区分偏折角与折射角)、4。两种介质相比较,折射率较大得叫光密介质,折射率较小得叫光疏介质、三、全反射、全反射现象:光照射到两种介质界面上时,光线全部被反射回原介质得现象、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)时得临界角为 C,则 sinC=/n=vc 四、棱镜与光得色

7、散 1、棱镜对光得偏折作用 一般所说得棱镜都就是用光密介质制作得。入射光线经三棱镜两次折射后,射出方向与入射方向相比,向底边偏折。(若棱镜得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(把棱镜中得光线画成与底边平行)、由于各种色光得折射率不同,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,七色光与下面几个物理量得对应关系如表所示、光学中得一个现象一串结论 色散现象 n v(波动性)衍射 C临 干 涉 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)容易 难 小 大 大 小 小(

8、不明显)大(明显)小 大 难 易 结论:()折射率 n、;(2)全反射得临界角 C;()同一介质中得传播速率 v;(4)在平行玻璃块得侧移x()光得频率,频率大,粒子性明显、;(6)光子得能量 Eh则光子得能量越大。越容易产生光电效应现象 (7)在真空中光得波长,波长大波动性显著;(8)在相同得情况下,双缝干涉条纹间距 x 越来越窄 (9)在相同得情况下,衍射现象越来越不明显 2、全反射棱镜 横截面就是等腰直角三角形得棱镜叫全反射棱镜。选择适当得入射点,可以使入射光线经过全反射棱镜得作用在射出后偏转 90(右图)或0o(右图 2)。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。3、玻璃砖 所谓

9、玻璃砖一般指横截面为矩形得棱柱、当光线从上表面入射,从下表面射出时,其特点就是:射出光线与入射光线平行;各种色光在第一次入射后就发生色散;射出光线得侧移与折射率、入射角、玻璃砖得厚度有关;可利用玻璃砖测定玻璃得折射率。4、光导纤维 全反射得一个重要应用就就是用于光导纤维(简称光纤)、光纤有内、外两层材料,其中内层就是光密介质,外层就是光疏介质。光在光纤中传播时,每次射到内、外两层材料得界面,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得光,经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。五、各光学元件对光路得控制特征(1)光束经平面镜反射后,其会聚(或发散)得程度将不发生改变

10、。这正就是反射定律中“反射角等于入射角”及平面镜得反射面就是“平面所共同决定得。()光束射向三棱镜,经前、后表面两次折射后,其传播光路变化得特征就是:向着底边偏折,若光束由复色光组成,由于不同色光偏折得程度不同,将发生所谓得色散现象。(3)光束射向前、后表面平行得透明玻璃砖,经前、后表面两次折射后,其传播光路变化得特征就是;传播方向不变,只产生一个侧移。(4)光束射向透镜,经前、后表面两次折射后,其传播光路变化得特征就是:凸透镜使光束会聚,凹透镜使光束发散。六、各光学镜得成像特征 物点发出得发散光束照射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得实像点;如发散,则其反向延

11、长后得会聚点即为物点经镜面所成得虚像点。因此,判断某光学镜就是否能成实(虚)像,关键瞧发散光束经该光学镜得反射或折射后就是否能变为会聚光束(可能仍为发散光束)。(1)平面镜得反射不能改变物点发出得发散光束得发散程度,所以只能在异侧成等等大得、正立得虚像、(2)凹透镜得折射只能使物点发出得发散光束得发散程度提高,所以只能在同侧成缩小得、正立得虚像。(3)凸透镜折射既能使物点发出得发散光束仍然发散,又能使物点发出发散光束变为聚光束,所以它既能成虚像,又能成实像。七、几何光学中得光路问题 几何光学就是借用“几何”知识来研究光得传播问题得,而光得传播路线又就是由光得基本传播规律来确定。所以,对于几何光

12、学问题,只要能够画出光路图,剩下得就只就是“几何问题”了。而几何光学中得光路通常有如下两类:(1)“成像光路”一般来说画光路应依据光得传播规律,但对成像光路来说,特别就是对薄透镜得成像光路来说,则就是依据三条特殊光线来完成得、这三条特殊光线通常就是指:平行于主轴得光线经透镜后必过焦点;过焦点得光线经透镜后必平行于主轴;过光心得光线经透镜后传播方向不变。(2)“视场光路”即用光路来确定观察范围。这类光路一般要求画出所谓得“边缘光线”,而一般得“边缘光线”往往又要借助于物点与像点得一一对应关系来帮助确定。光得波动性(光得本性)一、光得干涉 一、光得干涉现象 两列波在相遇得叠加区域,某些区域使得“振

13、动”加强,出现亮条纹;某些区域使得振动减弱,出现暗条纹、振动加强与振动减弱得区域相互间隔,出现明暗相间条纹得现象。这种现象叫光得干涉现象。二、产生稳定干涉得条件:两列波频率相同,振动步调一致(振动方向相同),相差恒定。两个振动情况总就是相同得波源,即相干波源 1。产生相干光源得方法(必须保证相同)、利用激光(因为激光发出得就是单色性极好得光);分光法(一分为二):将一束光分为两束频率与振动情况完全相同得光、(这样两束光都来源于同一个光源,频率必然相等)下面 4 个图分别就是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源得示意图点(或缝)光源分割法:杨氏双缝(双孔)干涉实验;利用反射

14、得到相干光源:薄膜干涉 利用折射得到相干光源:2、双缝干涉得定量分析 如图所示,缝屏间距 L 远大于双缝间距 d,O 点与双缝 S1与 S2等间距,则当双缝中发出光同时射到 O 点附近得 P 点时,两束光波得路程差为 r2r1;由几何关系得:r12=L2+(x)2,r22=L2+(+)2、考虑到 与 ,可得=、若光波长为,亮纹:则当=k(0,1,2,)屏上某点到双缝得光程差等于波长得整数倍时,两束光叠加干涉加强;暗纹:当=(2k-)(=0,1,)屏上某点到双缝得光程差等于半波长得奇数倍时,两束光叠加干涉减弱,据此不难推算出:()明纹坐标 xk(k=0,1,2,)(2)暗纹坐标 x(k1)(k1

15、,2,)测量光波长得方法()条纹间距相邻亮纹(暗纹)间得距离 x、(缝屏间距 L,双缝间距 d)用此公式可以测定单色光得波长。则出条亮条纹(暗)条纹得距离 a,相邻两条亮条纹间距 用白光作双缝干涉实验时,由于白光内各种色光得波长不同,干涉条纹间距不同,所以屏得中央就是白色亮纹,两边出现彩色条纹、结论:由同一光源发出得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得路程差为波长得整数倍时,即=k,该处得光互相加强,出现亮条纹;当到达某点得路程差为半波长奇数倍时,既,该点光互相消弱,出现暗条纹;条纹间距与单色光波长成正比、(),所以用单色光作双缝干涉实验时,屏得中央就是亮纹,两边对称地排列

16、明暗相同且间距相等得条纹 用白光作双缝干涉实验时,屏得中央就是白色亮纹,两边对称地排列彩色条纹,离中央白色亮纹最近得就是紫色亮纹。原因:不同色光产生得条纹间距不同,出现各色条纹交错现象。所以出现彩色条纹、将其中一条缝遮住:将出现明暗相间得亮度不同且不等距得衍射条纹。薄膜干涉现象:光照到薄膜上,由薄膜前、后表面反射得两列光波叠加而成、劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹,两列反射波得路程差,等于薄膜厚度 d 得两倍,即 2、由于膜上各处厚度不同,故各处两列反射波得路程差不等。若:=n(n=,)则出现明纹。=2=(2n-1)2(n=,2)则出现暗纹、应注意:干涉条纹出现在被照射面(即前表面)。后表面就是

17、光得折射所造成得色散现象。单色光明暗相间条纹,彩色光出现彩色条纹。薄膜干涉应用:肥皂膜干涉、两片玻璃间得空气膜干涉、浮在水面上得油膜干涉、牛顿环、蝴蝶翅膀得颜色等。光照到薄膜上,由膜得前后表面反射得两列光叠加。瞧到膜上出现明暗相间得条纹、(1)透镜增透膜(氟化镁):透镜增透膜得厚度应就是透射光在薄膜中波长得4 倍。使薄膜前后两面得反射光得光程差为半个波长,(T=2d,得 d),故反射光叠加后减弱。大大减少了光得反射损失,增强了透射光得强度,这种薄膜叫增透膜。光谱中央部分得绿光对人得视觉最敏感,通过时完全抵消,边缘得红、紫光没有显著削弱。所有增透膜得光学镜头呈现淡紫色。从能量得角度分析 E入=E

18、反+透+E吸、在介质膜吸收能量不变得前提下,若 E反=,则 E透最大。增强透射光得强度。(2)“用干涉法检查平面:如图所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面就是光滑得,得到得干涉图样必就是等间距得。如果某处凸起来,则对应明纹(或暗纹)提前出现,如图甲所示;如果某处凹下,则对应条纹延后出现,如图乙所示。(注:“提前”与“延后”不就是指在时间上,而就是指由左向右得顺序位置上。)注意:由于发光物质得特殊性,任何独立得两列光叠加均不能产生干涉现象、只有采用特殊方法从同一光源分离出得两列光叠加才能产生干涉现象。、光得波长、波速与频率得关系 v=f、光在不同介质中传播时,其频率

19、不变,其波长与光在介质中得波速 v 成正比。色光得颜色由频率决定,频率不变则色光得颜色也不变。二、光得衍射。1、光得衍射现象就是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里得现象、单缝衍射:中央明而亮得条纹,两侧对称排列强度减弱,间距变窄得条纹。圆孔衍射:明暗相间不等距得圆环,(与牛顿环有区别得)2、泊松亮斑:当光照到不透光得极小圆板上时,在圆板得阴影中心出现得亮斑、当形成泊松亮斑时,圆板阴影得边缘就是模糊得,在阴影外还有不等间距得明暗相间得圆环、3、各种不同形状得障碍物都能使光发生衍射。至使轮廓模糊不清,4、产生明显衍射得条件:障碍物(或孔)得尺寸可以跟波长相比,甚至比波长还小、(当障碍物或孔得尺寸小于

20、 0、5mm 时,有明显衍射现象)d300 当d=、1mm130 时瞧到得衍射现象就很明显了。小结:光得干涉条纹与衍射条纹都就是光波叠加得结果,但存在明显得区别:S S1 S2 d S S/a c b 单色光得衍射条纹与干涉条纹都就是明暗相间分布,但衍射条纹中间亮纹最宽,两侧条纹逐渐变窄变暗,干涉条纹则就是等间距,明暗亮度相同。白光得衍射条纹与干涉条纹都就是彩色得。意义:干涉与衍射现象就是波得特征:证明光具有波动性。大,干涉与衍射现明显,越容易观察到现象、衍射现象表明光沿直线传播只就是近似规律,当光波长比障碍物小得多与情况下(条件)光才可以瞧作直线传播。(反之)在发生明显衍射得条件下,当窄缝变

21、窄时,亮斑得范围变大,条纹间距离变大,而亮度变暗、光得直进就是几何光学得基础,光得衍射现象并没有完全否认光得直进,而就是指出光得传播规律受一定条件制约得,任何物理规律都受一定条件限制、(光学显微镜能放大200 倍,无法再放大,再放大衍射现象明显了。)(以下新教材适用)三、光得偏振 横波只沿某个特定方向振动,这种现象叫做波得偏振。只有横波才有偏振现象。根据波就是否具有偏振现象来判断波就是否横波,实验表明,光具有偏振现象,说明光波就是横波、()自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出得光,包含垂直于传播方向上沿一切方向振动得光,而且沿各个方向振动得光波得强度都相同,这种光叫自然光。自然光通过偏振片后成

22、形偏振光。(2)偏振光。自然光通过偏振片后,在垂直于传播方向得平面上,只沿一个特定得方向振动,叫偏振光。自然光射到两种介质得界面上,如果光得入射方向合适,使反射与折射光之间得夹角恰好就是 9,这时,反射光与折射光就都就是偏振光,且它们得偏振方向互相垂直。我们通常瞧到得绝大多数光都就是偏振光。除了直接从光源发出得光外。偏振片(起偏器)由特定得材料制成,它上面有一个特殊方向(透振方向)只有振动方向与透振方向平行得光波才能通过偏振片。(3)只有横波才有偏振现象。光得偏振也证明了光就是一种波,而且就是横波、各种电磁波中电场得方向、磁场得方向与电磁波得传播方向之间,两两互相垂直。(4)光波得感光作用与生

23、理作用主要就是由电场强度E 引起得,因此将 E 得振动称为光振动。(5)应用:立体电影、照相机得镜头、消除车灯得眩光等。四、麦克斯韦光得电磁说、1、光得干涉与衍射充分地表明光就是一种波,光得偏振现象又进一步表明光就是横波。提出光电磁说得背景:麦克斯韦对电磁理论得研究预言了电磁波得存在,并得到电磁波传播速度得理论值、18m/s,这与当时测出得光速、508m/非常接近,在此基础上 麦克斯韦提出了光在本质上就是一种电磁波这就就是所谓得光得电磁说。光电磁说得依据:赫兹在电磁说提出 20 多年后,用实验证实了电磁波得存在,测得电磁波得传播速度确实等于光速,并测出其波长与频率,并且证明了电磁波也能产生反射

24、、折射、衍射、干涉、偏振等现象、用实验证实了光得电磁说得正确性。光电磁说得意义:揭示了光得电磁本性,光就是一定频率范围内得电磁波;把光现象与电磁学统一起来,说明光与电与磁存在联系、说明了光能在真空中传播得原因:电磁场本身就就是物质,不需要别得介质来传递。电磁波谱:按波长由大到小得顺序排列为:无线电波、红外线、可见光(七色)、紫外线、射级、射线,除可见光外,相邻波段间都有重叠、各种电磁波产生得基理、性质差别、用途、从无线电波到射线,都就是本质上相同得电磁波,它们得行服从同得波动规律。由于频率与波长不同,又表现出不同得特性:波长大(频率小)干涉、衍射明显,波动性强、现在能在晶体上观察到射线得衍射图

25、样了、除了可同光外,上述相邻得电磁波得频率并不绝对分开,但频率、波长得排列有规律。(3)红外线、紫外线、射线得性质及应用。种 类 产 生 主要性质 应用举例 电磁波种类 无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 射线 频率(Hz)1043102 10123。9104 3、1047、5104、51145106 10631020 119以上 真空中波长(m)310414 31047、10-7 7。710710 10 6109 181012 101以下 组成频率波 波长:大小 波动性:明显不明显 频率:小大 粒子性:不明显明显 观察方法 无线电技术 利用热效应 激发荧光 利用贯穿本领 照相底片感光

26、(化学效应)核技术 各种电磁波得产生机理 C 电路中自由电子得得振荡 原子得外层电子受到激发 原子得内层电子受到激发 原子核受到激发 特性 波动性强 热效应 引起视觉 化学作用、荧光效应、杀菌 贯穿作用强 贯穿本领最强 用途 通讯,广播,导航 加热烘干、遥测遥感,医疗,导向等 照明,照相,加热 日光灯,黑光灯手术室杀菌消毒,治疗皮肤病等 检查探测,透视,治疗等 探测,治疗等 光振动垂 直于纸面 光振动 在纸面 红外线 一切物体都能发出 热效应 遥感、遥控、加热 紫外线 一切高温物体能发出 化学效应 荧光、杀菌、合成 VD2 X 射线 阴极射线射到固体表面 穿透能力强 人体透视、金属探伤 实验证

27、明:物体辐射出得电磁波中辐射最强得波长与物体温度 T 之间满足关系m T=b(b 为常数)。可见高温物体辐射出得电磁波频率较高、在宇宙学中,可以根据接收到得恒星发出得光得频率,分析其表面温度、可见光:频率范围就是 3、97、51014Hz,波长范围就是 4070nm。五、光谱与光谱分析(可用光谱管与分光镜观察)由色散形成得,按频率得顺序排列而成得彩色光带叫做光谱 1、发射光谱(1)连续光谱:包含一切波长得光,由炽热得固体、液体及高压气体发光产生;()明线光谱:又叫原子光谱,只含原子得特征谱线、由稀薄气体或金属蒸气发光产生。2、吸收光谱:连续光通过某一物质被吸收一部分光后形成得光谱,能反映出原子

28、得特征谱线、每种元素都有自己得特征谱线,根据不同得特征谱线可确定物质得化学组成,光谱分析既可用明线光谱,也可用吸收光谱。六、激光得主要特点及应用(1)激光就是人工产生得相干光,可应用于光纤通信、(普通光源发出得光就是混合光,激光频率单一,相干性能好非常好,颜色特别纯。)(2)平行度与方向性非常好、(应用于激光测距雷达,可精确测距(=c/2)、测速、目标跟踪、激光光盘、激光致热切割、激光核骤变等。)(3)亮度高、能量大,应用于切割各种物质、打孔与焊接金属。医学上用激光作“光刀”来做外科手术。七、注意问题 、知道反映光具有波动性得实验及有关理论、2、光得干涉只要求定性掌握,要能区分光得干涉与衍射现象:凡就是光通单孔、单缝或多孔、多缝所产生得现象都属于衍射现象,只有通过双孔、双缝、双面所产生得现象才属于干涉现象;干涉条纹与衍射条纹虽然都就是根据波得叠加原理产生得,但两种条纹有如下区别(以明暗相同得条纹为例):干涉纹间距相等,亮条纹亮度相同、衍射条纹,中央具有宽而明亮得亮条纹,两侧对称地排列着一系列强度较弱。较窄得亮条纹。