光的幾何性與物理性

1、.光的幾何性與物理性光學包括兩大部分內(nèi)容：幾何光學和物理光學。幾何光學又稱光線光學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)用的學科；物理光學是研究光的本性、光和物質(zhì)的互相作用規(guī)律的學科。一、重要概念和規(guī)律一、幾何光學根本概念和規(guī)律1、根本規(guī)律光源：發(fā)光的物體分兩大類：點光源和擴展光源 點光源是一種理想模型，擴展光源可看成無數(shù)點光源的集合 光線 表示光傳播方向的幾何線 光束通過一定面積的一束光線它是通過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。丹麥天文學家羅默第一次利用天體間的大間隔 測出了光速。法國人裴索第一次在地面上用旋轉(zhuǎn)齒輪法測出

2、了光這。 實像 光源發(fā)出的光線經(jīng)光學器件后，由實際光線形成的 虛像光源發(fā)出的光線經(jīng)光學器件后，由發(fā)實際光線的延長線形成的。 本影光直線傳播時，物體后完全照射不到光的暗區(qū) 半影 光直線傳播時，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光的獨立傳播規(guī)律：光在傳播時雖屢屢相交，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，將沿著原來的入射線方向反射或折射3常用光學器件及其光學特性1平面鏡： 點光源發(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，像與物對鏡面對稱。2球面鏡： 凹面鏡：有會聚光的作用， 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、 復色光通過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， 凸透鏡： 對光線有會聚作用， 凹透鏡： 對光線有發(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/物長=|v|/u。說明成像公式的符號法那么凸透鏡焦距f取正，凹透鏡焦距f取負；實像像距v取正，虛像像距v取負。線放大率與焦距和物距有關(guān)5平行透明板： 光線經(jīng)平行透明板時發(fā)生平行挪動側(cè)移側(cè)移的大小與入射角、透明板厚度、折射率有關(guān)。4簡單光學儀器的成像原理和眼睛1放大鏡： 是凸透鏡成像在。uf時的應(yīng)用。通過放大餅在物方同地看到正立虛像。2照相機： 是凸透鏡成像在u2f

5、時的應(yīng)用得到的是倒立縮小施實像。3幻燈機： 是凸透鏡成像在 fu2f時的應(yīng)用。得到的是倒立放大的實像4顯微鏡： 由短焦距的凸透鏡作物鏡，長焦距的透鏡作目鏡所組成。物體位于物鏡焦點外很*近焦點處，經(jīng)物鏡成實像于目鏡焦點內(nèi)很*近焦點處。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望遠鏡： 由長焦距的凸透鏡作物鏡，短焦距的透鏡作目鏡所組成。極遠處至物鏡的光可看成平行光，經(jīng)物鏡成中間像倒立、縮小、實像于物鏡焦點外很*近焦點處，恰位于目鏡焦點內(nèi)，再經(jīng)目鏡成虛像于極遠處或明視間隔 處。6眼睛： 等效于一變焦距照相機，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厘米的遠視25者需配戴凸透鏡做鏡片的眼鏡。二物理光學人類對光本性的認識開展過程1微粒說牛頓根本觀點： 認為光像一群彈性小球的微粒。 實驗根底 光的直線傳播、光的反射現(xiàn)象。 困難問題 無法解釋兩種媒質(zhì)界面同時發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象以及光的獨立傳播規(guī)律等。2波動說惠更斯根本觀點： 認為光是某種振動激起的波機械波。 實驗根底： 光的干預和衍射現(xiàn)象。光的干預現(xiàn)象楊氏雙縫干預實驗條件： 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的整數(shù)倍半個波長的偶數(shù)倍時，兩波同相疊加，振動加強，產(chǎn)生明條；兩波反

7、相疊加，振動相消，產(chǎn)生暗條。 應(yīng)用： 檢查平面、測量厚度、增強光學鏡頭透射光強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)。 困難問題： 難以解釋光的直進、尋找不到傳播介質(zhì)。3電磁說麥克斯韋： 根本觀點： 認為光是一種電磁波。 實驗根底： 赫茲實驗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： 無線電波 自由電子的運動； 紅外線、可見光、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。 困難問題： 無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。4光子說愛因斯坦： 根本觀點： 認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。 實驗根底： 光電效應(yīng)現(xiàn)象。 裝置： 略。 現(xiàn)象： 入射光照到光電子發(fā)射幾乎是瞬時的；入射光頻率必須大于光陰極金屬的極限頻率。；當v0時，光電流強度與入射光強度成正比；光電子的最大初動能與入射光強無關(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。單位時間內(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

9、能。 困難問題： 無法解釋光的波動性。5光的波粒二象性： 根本觀點： 認為光是一種具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性。又有粒子性。大量光子的運動規(guī)律顯示波動性，個別光子的行為顯示粒子性。 實驗根底 ：微弱光線的干預，X射線衍射二、重要研究方法1作圖：幾何光學離不開光路圖 。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、虛實以及成像區(qū)域或觀察范圍等把它與公式法結(jié)合起來，可以互相補充、互相驗證。2光路追蹤法： 用作圖法研究光的傳播和成像問題時，抓住物點上發(fā)出的某條光線為研究對象。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算上往在都會帶來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)造學說1909年。盧瑟福實驗根底： 粒子散射實驗用放射源發(fā)出的粒子穿過金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子按原方向前進，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)，個別被彈回 根本內(nèi)容： 在原子中心有一個帶正電的核半徑約10-15 10-14 m，集中了幾乎全部原子質(zhì)量、帶負電的電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)原子半徑約10-10 m。 困難問題： 按經(jīng)典理論，電子繞核旋轉(zhuǎn)將輻射電磁波，能量會逐漸減小，電子運行的軌道半徑

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 實驗根底 氫光譜規(guī)律的研究。 根本內(nèi)容三點假設(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包括動能和電勢能與基態(tài)總能量量的關(guān)系為En=E1 /n1 n1、2、32原子在兩個定態(tài)之間躍遷時，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。 困難問題 無法解釋復雜原子的光譜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。2射線 高速電子

12、流。vc。貫穿本領(lǐng)強，電離作用弱。3射線 波長很短的電磁波。v=c。貫穿本領(lǐng)很強，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)或化學狀態(tài)無關(guān)4原子核的組成實驗根底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*強大的核力來集在核內(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。實驗根底：用粒子蓋擊鋁核首先實現(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-理論從理論實驗出發(fā)，提出理論，再經(jīng)過理論的檢驗或進展新的理論一進一步開展理論。例如，通過對氣體放電現(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驗，進一步開展成盧瑟福模型。通過對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識論的這一根本思

14、想方法。復習中也應(yīng)以此為線索，把握全章的知識構(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復習中應(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？如何確定影子的運動狀態(tài)？在何時、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量光速的方法嗎？你能體會出為什么這一章又被稱為幾何光學嗎？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？如何確定物像的運動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)的幾個表達式分別是什么？如何計算光射入介質(zhì)后的波長、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？在求解全反射問題時，一般采用什么解題方法？什么是光導纖維？在入射角的情況下如何計算光導纖維的折射率，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、璃磚對光路的控制特點嗎？在三角形玻璃磚中，你知道幾個典型角的關(guān)系嗎？單色光、復色光、單色光點、復色光點通過三棱鏡會呈現(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，如何計算各次的偏折角嗎？在矩形玻璃磚中，你會求側(cè)移間隔 嗎？你能利用一個杯子測量液體的折射率嗎？光的本性1.十七世紀人們關(guān)于光的本性的認識有哪些觀點？分別能解釋什么，無法解釋什么？2.什么是雙縫干預、薄膜干預，它們的相干光源是如何得到的，使用單色光和復色光時其干預圖樣怎樣？如何判斷某個點是加強點還是減弱點。在雙縫干預實驗中，相鄰兩條亮條紋之間的間距與什么有關(guān)？遮

17、住其中一個縫，或用不同濾光片分別遮住兩個縫還會有干預條紋嗎？還會有條紋嗎？在薄膜干預中，應(yīng)在何處觀察現(xiàn)象，薄膜的形狀對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？如何使用薄膜干預檢查物體外表的平整程度？在實際生活中如何區(qū)分干預、衍射、色散、半影等問題？3.什么是衍射，發(fā)生明顯衍射的條件是什么？雙縫干預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)象越來越明顯的過程中看到的現(xiàn)象是什么？光的直線傳播與光的衍射矛盾嗎？為什么我們常說光是沿直線傳播的？4.光是一種什么波，這種觀點是誰提出的，提出的根據(jù)有哪些，又是誰驗證的？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)實生活中有何應(yīng)用？什么是激光？它的三個特性及相關(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？你會在做題中使用嗎？經(jīng)典波動理論為什么解釋不了，愛因斯坦的光子理論又是如何解釋的。你會利用光電效應(yīng)方程解釋以及求解極限頻率、最大初動能嗎？你會連接簡單的光電管自動控制電路嗎？光強與哪些因素有關(guān)？一樣強度

19、的紫光、紅光照射同一金屬發(fā)生光電效應(yīng)時有何區(qū)別？你理解最大初動能和頻率之間的函數(shù)圖象嗎？7.在光子計算中，你能計算出點光源模型中，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，你會計算單位長度上的光子數(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，誰提出的？物質(zhì)波的波長如何計算？原子物理1.誰發(fā)現(xiàn)了電子，有什么樣的重要意義？接下來他提出的原子構(gòu)造模型是什么樣的？2.粒子散射實驗是誰、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？實際的現(xiàn)象是什么？由此得出什么樣的結(jié)論，該實驗有何重大意義？3.什么是光譜，光譜如何分類，分別是由誰產(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)造遇到了哪兩個困難？是誰提出了什么理論解決了這兩個難題？他否認了經(jīng)典理論還是否認了核式構(gòu)造學說？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能、勢能、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？你會計算在原子躍遷中吸收或釋放光子的個數(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，如何計算電離能嗎？在電離中，原子能吸收超過電