中山大學課件-普物-光學

光學概述光學是物理學的一個分支，研究光的性質(zhì)和行為。光學涉及各種現(xiàn)象，包括光的反射、折射、干涉、衍射和偏振。光的性質(zhì)11.波粒二象性光具有波動性和粒子性，體現(xiàn)了光的波粒二象性。22.電磁波光是一種電磁波，它以橫波的形式傳播。33.光速光在真空中傳播的速度約為每秒299,792,458米。44.光譜光譜是指不同顏色的光按波長或頻率排列而成的圖案。光的傳播直線傳播在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。反射光遇到障礙物或介質(zhì)界面時，會改變傳播方向，返回原來介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫反射。折射光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫折射。衍射光在傳播過程中遇到障礙物或孔徑時，會偏離直線傳播的現(xiàn)象，叫做光的衍射。干涉兩束或多束光波疊加時，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)光強加強或減弱的現(xiàn)象，叫做光的干涉。光的直線傳播1直線傳播光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，這是光的最基本性質(zhì)之一。2光線為了方便研究光線傳播的路徑，我們將光傳播的方向用一條直線表示，這條直線稱為光線。3實例例如，當光束穿過小孔時，它會在墻上形成一個清晰的亮斑，表明光線沿直線傳播。光的反射鏡面反射光線照射到光滑表面時，反射光線遵循反射定律，反射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)，反射角等于入射角。漫反射光線照射到粗糙表面時，反射光線向各個方向散射，這是我們看到物體的基礎。反射現(xiàn)象反射現(xiàn)象廣泛存在于生活中，例如鏡子、水面、墻壁等，都是常見的反射面。光的折射光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。折射角小于入射角，當光線從空氣進入水或玻璃時，光線會彎向法線。折射率是指光在真空中的速度與在該介質(zhì)中的速度之比，它反映了介質(zhì)對光的折射能力。全反射光線方向當光線從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，入射角大于臨界角時，光線將無法從界面射出，而是全部反射回光密介質(zhì)中。臨界角臨界角是光線從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，折射角為90度時的入射角。應用全反射現(xiàn)象廣泛應用于光纖通信、顯微鏡、望遠鏡等領域。棱鏡棱鏡是一種透明的、具有折射光線能力的材料。棱鏡通常由玻璃或其他透明材料制成，具有特定形狀，例如三角形或多面體。當光線穿過棱鏡時，它會發(fā)生折射，導致光線偏轉。折射量取決于棱鏡的材料、形狀以及入射光的角度。由于不同顏色光的折射率不同，光線穿過棱鏡時會分離成不同的顏色，形成彩虹。凸鏡凸面鏡的形狀凸鏡是表面向外凸起的鏡面，它具有反射光線的能力。凸鏡的應用凸鏡可以將光線匯聚，因此常用于望遠鏡、顯微鏡等光學儀器。凸鏡的成像凸鏡成像的特點是虛像、正立、縮小，圖像位于鏡后。凹鏡凹鏡也稱凹面鏡，是指表面向內(nèi)凹陷的鏡面。凹鏡可以將平行光線匯聚到一點，這個點稱為焦點。凹鏡的應用十分廣泛，例如汽車的車燈、天文望遠鏡、太陽能熱水器等。凸透鏡的成像1倒立放大實像物體在2倍焦距之外2等大倒立實像物體在2倍焦距處3倒立縮小實像物體在1倍焦距和2倍焦距之間4正立放大虛像物體在1倍焦距之內(nèi)凸透鏡成像規(guī)律取決于物體到透鏡的距離，當物體在2倍焦距之外時，成倒立放大實像；當物體在2倍焦距處時，成等大倒立實像；當物體在1倍焦距和2倍焦距之間時，成倒立縮小實像；當物體在1倍焦距之內(nèi)時，成正立放大虛像。凹透鏡的成像1虛像總是縮小的2正立位于物體和透鏡之間3無法投影因為光線不會交匯凹透鏡總是形成虛像，它們總是縮小的，并且位于物體和透鏡之間。由于光線不會交匯，因此無法投影這些虛像。眼睛的構造人眼是一個精密的光學系統(tǒng)，由眼球和附屬結構組成。眼球分為外層、中層和內(nèi)層，其中外層包括角膜、鞏膜和虹膜，中層包括睫狀體、脈絡膜，內(nèi)層包括視網(wǎng)膜。角膜是透明的薄膜，起著折射光線的作用。鞏膜是眼球外壁的主要部分，保護眼球內(nèi)部結構。虹膜是眼球的色素層，控制瞳孔的大小，調(diào)節(jié)進入眼球的光量。睫狀體可以調(diào)節(jié)晶狀體的曲率，使眼睛可以看清近處或遠處的物體。脈絡膜是眼球的中層，為眼球提供營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。視網(wǎng)膜是眼球的內(nèi)層，包含感光細胞，將光信號轉化為神經(jīng)信號，傳遞給大腦。視覺形成眼睛是人類重要的感官器官，幫助我們感知周圍的世界。通過光線進入眼睛，最終形成視覺。眼睛就像一個精密的光學儀器，擁有多個關鍵結構，共同協(xié)作完成視覺過程。1大腦處理視覺信息2視神經(jīng)將視覺信息傳遞到大腦3視網(wǎng)膜接收光線并將其轉換為電信號4晶狀體聚焦光線5角膜保護眼睛，折射光線視力檢查檢查目的檢查視力情況，評估眼部健康。測試類型視力表測試，色覺測試，眼壓測試，眼位測試。專業(yè)人士由眼科醫(yī)生或視光師進行專業(yè)檢查。光的干涉薄膜干涉薄膜干涉現(xiàn)象，如肥皂泡上的彩色條紋，是由光波在薄膜上下表面反射時發(fā)生干涉形成的。楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉實驗，是最著名的干涉現(xiàn)象之一，它表明光具有波動性，兩束光波在相遇時會發(fā)生干涉。干涉條紋干涉條紋是光波干涉的結果，其顏色和形狀取決于光波的波長和入射角。薄膜干涉薄膜干涉現(xiàn)象薄膜干涉是指當光線照射到薄膜上時，由于光波在薄膜上下表面反射發(fā)生干涉，形成明暗相間的條紋。條件產(chǎn)生薄膜干涉需要滿足兩個條件：薄膜的厚度要遠小于入射光的波長，且薄膜的兩個表面必須是平行的。應用薄膜干涉在生活中有著廣泛的應用，例如：肥皂泡、油膜、薄膜干涉濾光片等。原理薄膜干涉的原理是光波的干涉現(xiàn)象，當光波在薄膜上下表面反射時，由于光程差的不同，會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的條紋。光的衍射光的衍射是光波繞過障礙物或孔隙傳播的現(xiàn)象。它與光的直線傳播不同，光的衍射表明光具有波動性。衍射現(xiàn)象在生活中隨處可見，例如，透過窗簾縫隙的光線會形成條紋圖案，這是因為光線在穿過縫隙時發(fā)生了衍射。此外，在CD或DVD的光盤表面可以看到彩虹色的光，也是衍射現(xiàn)象的一種表現(xiàn)。衍射光柵衍射光柵原理衍射光柵由許多等間距的平行狹縫組成。當光線照射到光柵上時，光線會發(fā)生衍射，并產(chǎn)生一系列的衍射光束。衍射光束的強度和方向取決于光柵的狹縫寬度和間距。偏振偏振光偏振光指電場振動方向保持在某個特定平面內(nèi)的光波。自然光通常是無偏振的，電場振動方向隨機分布。偏振濾光片偏振濾光片是一種可以過濾掉特定方向上振動的光的濾光片。偏振濾光片通常用于攝影、顯微鏡和太陽鏡，以減少眩光和提高圖像質(zhì)量。偏振振動方向偏振光的振動方向是指電場矢量振動方向。自然光中電場矢量的振動方向是隨機的，而偏振光中的電場矢量振動方向則在一個特定的平面內(nèi)。偏振光可以通過多種方式獲得，例如通過偏振片或反射。偏振儀器11.偏振片偏振片是一種可以將自然光轉換為偏振光的器件，它由具有偏振方向的材料構成。22.偏振棱鏡偏振棱鏡利用雙折射現(xiàn)象，將入射光束分成兩束偏振方向不同的光束。33.偏振儀偏振儀器是利用偏振片或偏振棱鏡，測量光束的偏振狀態(tài)或產(chǎn)生偏振光的設備。光的散射光的散射指的是光波在傳播過程中遇到障礙物或介質(zhì)時發(fā)生偏離原來傳播方向的現(xiàn)象。這種偏離是由于光波與障礙物或介質(zhì)中的微粒發(fā)生相互作用而引起的。散射現(xiàn)象在生活中很常見，例如陽光穿過云層形成的光暈，以及藍色的天空都是光的散射現(xiàn)象。布氏散射光散射類型布氏散射是一種光散射現(xiàn)象，當光遇到比光波長大的粒子時，發(fā)生散射。散射特性與入射光波長無關，各個方向的散射強度相同，但散射光保持光的偏振方向?，F(xiàn)實應用在生活中，布氏散射現(xiàn)象是光線在云層、霧氣、乳液等介質(zhì)中的散射現(xiàn)象，導致天空呈現(xiàn)灰白色。瑞利散射小粒子散射當光波遇到比其波長小的粒子時發(fā)生散射。波長影響散射光的強度與入射光波長的四次方成反比。天空顏色藍色光波長較短，更容易被散射，導致我們看到藍色的天空。人眼的色散光線的色散人眼可以感知不同顏色，這是由于不同波長的光線在眼睛中被折射到視網(wǎng)膜上不同位置的結果，形成不同顏色。虹膜的色散虹膜中的色素會吸收某些波長的光線，反射其他波長的光線，從而影響我們看到的顏色。視網(wǎng)膜的色散視網(wǎng)膜上的感光細胞對不同波長的光線敏感度不同，因此我們能感知到不同的顏色。大氣色散大氣色散指的是太陽光在大氣層中傳播時，由于不同波長的光被大氣層中的空氣分子和氣溶膠散射程度不同而導致的光譜分離現(xiàn)象。由于藍光比紅光更容易被散射，所以我們看到的天空是藍色的。而當太陽光從地平線附近穿過大氣層時，光線經(jīng)過更長的距離，藍光被散射得更多，所以我們看到的日出和日落時太陽呈現(xiàn)紅色。顏色和光譜可見光譜彩虹的顏色正是可見光譜的體現(xiàn)，包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色。波長和顏色不同顏色對應不同的波長，紅光波長最長，紫光波長最短。光譜分析通過對光譜的分析，可以了解物質(zhì)的組成和性質(zhì)，例如元素的種類和含量。光的波動性波動特性光具有波的特征，能發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象。波長光波的波長范圍很廣，從無線電波到伽馬射線。光的粒子性1光電效應金屬表面在光照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象，光子能量足夠大可以使電子脫離金屬束縛，從而產(chǎn)生光電流。2康普頓效應光子與電子發(fā)生碰撞，光子損失一部分能量