高中物理奥赛培训-光学.ppt

第一部分几何光学光是什么光在介质表面的发射与折射近轴成像规律第二部分波动光学四 光的干涉五 光的衍射六 光的偏振第三部分光学新知识 简介 第一部分几何光学 一 光是什么 光学是一门古老而又年轻 极具活力的物理学科 具有强大的生命力和发展前景 人类对光的研究 最初主要是试图回答 人怎么能看见周围的物体 古希腊Euclid公元前300年 触须说 1 光学简史 墨经 记载了光线传播 平面镜 凹面镜 凸面镜成像 公元前400年 世界上第一个小孔成像的实验 1 光学简史 战国时期墨翟 古代光学公元前 16世纪 萌芽时期 现代光学20世纪初 至今 光子学时代 1 光学简史 经典光学17世纪 19世纪 古埃及金字塔出土的平面镜 公元前1000年 1905年 Einstein光电效应光量子理论1960年 Meiman第一台激光器非线性光学 1 光学简史 什么是光 1666年Newton微粒说 光直线传播 反射 1679年Huygens波动说 光的折射 双折射 1801年Young双缝干涉 1809年Fresnel衍射实验 1860sMaxwell方程组 Hertz实验 光是电磁波 19世纪末光电效应 1905年Einstein提出了 光子 光的波粒二象性 题西林壁北宋 苏轼 横看成岭侧成峰 远近高低各不同 不识庐山真面目 只缘身在此山中 庐山也具有岭和峰的二象性 1 光学简史 什么是光 1 光学简史 什么是光 h 0 量子物理 光学 经典物理 光学 1 光学简史 什么是激光 Laser LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation缩写 1960年 美国物理学家梅曼 Maiman 在实验室中做成了第一台红宝石 Al2O3 Cr 激光器 我国于1961年研制出第一台激光器 从此激光技术引起了科学技术领域的巨大变化 激光 LASER 一词是受激辐射光放大 上图是原子跃迁示意图 说明 在无外界影响的情况下 处于高能级的原子会自发的向低能级跃迁而发光 这种发光过程叫做自发辐射 例如白炽灯 日光灯的光源 1 光学简史 什么是激光 当原子处在某一激发态 如果有频率 E2 E1 h的光子从附近通过 原子就会放出一个同样的光子而跃迁到低能级E1 这种现象叫做受激辐射 E1 E2 E2 E1 h h h 甲 乙 1 光学简史 什么是激光 气体激光器 固体激光器 半导体激光器 相干性好 平行度高 能量集中 单色性好 1 光学简史 什么是激光 光学分支 光的本性 研究内容 波动光学 电磁光学 几何光学 量子光学 非线性光学 光与物质的相互作用 光学分支 光的产生 传播和接收规律 光的应用 2 光的波动说 惠更斯 杨 菲涅尔 夫朗和费等 光是一种波动 横波 光是一种电磁波 麦克斯韦 1nm 10 9m 真空中 介质中 3 光量子说 爱因斯坦 一束光是由有限个能量量子组成 称为光量子 简称光子 光子的能量与光的频率的关系为 4 光的波粒二象性 TheNobelPrizeinPhysics1921 二 光在介质表面的发射与折射 一 基本知识 1 反射定律与折射定律 2 全反射 临界角 二 拓展知识 1 费马原理 1 1光程 光程 光通过某一媒质的光程等于光在相同时间里在真空中所传播的几何路程 光程与几何路程 1 2费马原理 光总是沿着光程为极值 极大 极小 恒定 的路径从一点传播到另一点 媒质界面 反射 满足反射定律 折射 满足折射定律 例2 1利用费马原理推导折射定律 解 问题 如何费马原理推导反射定律 2 角反射器 时 3 三棱镜折射的最小偏向角 19届预赛题 4 光导纤维 例2 2证明 入射到光纤一端的光线锥的最大夹角为 证明 三 典型题解 解 解 等光程 几何关系 椭圆方程 抛物线方程 解 双曲线方程 三 近轴成像规律 一 基本知识 1 几个基本概念 1 1光轴 光学系统的对称轴 1 2近轴光线 与光轴夹角较小 并靠近光轴的光线 1 3符号规则 实正虚负规则 笛卡尔坐标规则 1 物距 像距 半径 焦距 从对称轴与折射面的交点算起 向右为正 向左为负 2 物 像的大小 向上为正 向下为负 2 球面折射成像 2 1成像公式 19届复赛 2 2放大率 例3 1推导球面折射成像公式 解1 利用折射定律 解2 利用费马原理 推论 平面反射成像 平面折射成像 球面反射成像 3 薄透镜成像 3 1薄透镜成像公式 薄透镜成像公式的推导 I面 II面 1 2 联立 1 2 得 3 2薄透镜成像作图 特征光线作图法 任意光线作图法 4 组合成像系统 逐次成像法 二 典型题解 例3 2一汇聚透镜在空气中的焦距为5cm 平置于离水箱底面40cm的高处 水箱冲水至60cm高 设玻璃的折射率为1 52 水的折射率为1 33 试问 1 水箱底面经过这一系统成像于何处 2 假定水以2cm s的速率下降至透镜处 这段时间像的变化情况 是上升还是下降 求出上升或下降的速度 解 1 2 相对于透镜的位置 像以0 54m s的速度下降 解 第一次成像 第二次成像 第三次成像 解1 平面镜为椭圆面时 其面积为最小 椭圆的半长短轴分别为 解2 平面镜为椭圆面时 其面积为最小 椭圆的半长短轴分别为 第二部分波动光学 四 光的干涉 1 光的干涉现象 理论分析 2 1非相干光的叠加 均匀亮度 2 2相干光的叠加 产生干涉现象 形成明暗相间的条纹 非相干光 2 光程差与明暗条件 为光在真空中的波长 等光程性 3 杨氏双缝干涉 3 1条纹的形成 由双缝s1和s2发出的两相干光在屏幕上各点叠加 3 2明暗条件与条纹特点 白光入射的杨氏双缝干涉照片 杨 T Young 在1801年首先发现光的干涉现象 并首次测量了光波的波长 菲涅尔双镜实验 等效于虚光源和发出的相干光的干涉 解 1 零级明条纹 暗条纹 3 e 4 1薄膜干涉的形成 4 薄膜干涉 等厚干涉 薄膜上 下两表面反射的两相干光叠加 形成干涉条纹 4 2光程差及明暗条件 问题 如图 若薄膜的上面与下面不是空气 而是折射率分别为n1和n2的媒质 试讨论n n1和n2不同取值下反射光的光程差 折射光的光程差为多少 4 3劈尖的干涉 条纹间距 4 4牛顿环 条纹特点 以O为圆心的明暗相间同心圆 相邻条纹不等间距 内疏外密 白光入射的牛顿环照片 解 1 2 解 1 以透镜中心为圆心的明暗相间同心圆 2 3 解 1 凹下 2 五 光的衍射 1 光的衍射 1 1光的衍射现象 条件 衍射物的尺寸不比光的波长大得多 光在传播过程中遇到小孔 狭缝或障碍物时能改变其直线传播的特性而绕过小孔 狭缝或障碍物的现象 1 2惠更斯 菲涅耳原理 1 3光的衍射的本质 波传播到各点 都可以视为发射子波的波源 从各点发出子波 在空间相遇时 也可相互迭加而产生干涉现象 多光束干涉 由狭缝上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平面上各点叠加 2 1条纹的形成 2 单缝 夫琅和费 衍射 P点的光强决定于沿CP方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在该点迭加的结果 2 2明暗条件 2 3衍射图样 以O为对称 相互平行 明暗相间的条纹 各级明纹亮度不一 级数越大 亮度越小 2 4条纹角宽度 3 1条纹的形成 3 圆孔衍射 由圆孔上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平面上各点叠加 P点的光强决定于沿CP方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在该点迭加的结果 3 2衍射图样 中心明斑 爱利斑 两边明暗相间的同心圆 b 爱利斑半张角 4 1几何光学与波动光学 圆孔衍射 几何光学 形成像S 波动光学 形成圆孔衍射图样 4 光学仪器的分辨本领 几何光学是波动光学在衍射物尺寸远大于光的波长条件下的近似 结论 波动光学 几何光学 4 2光学仪器的分辨本领 瑞利判据 刚能分辨 一个点光源的衍射图样的中心最亮处恰好与另一点光源的第一个最暗处重合时 则这两个点光源刚好能被这个光学仪器分辨 光学仪器的分辨本领 最小分辨角 分辨率 哈勃 号太空望远镜是目前被送入轨道的口径最大的望远镜 它全长12 8米 镜筒直径4 27米 重11吨 由三大部分组成 第一部分是光学部分 第二部分是科学仪器 第三部分是辅助系统 包括两个长11 8米 宽2 3米 能提供2 4千瓦功率的太阳电池帆板 两个与地面通讯用的抛物面天 哈勃 号太空望远镜 阿雷西博射电望远镜 世界上最大的单台射电望远镜 直径350米 设在中美洲波多黎各 阿雷西博射电望远镜 电子显微镜 流行感冒病毒 乙肝病毒 人类X染色体和Y染色体 花粉 灯泡钨丝 光盘表面 电子显微镜下的影像 5 1光栅 由许多等宽等间距的狭缝组成 5 光栅衍射 光栅参数 缝宽 a 缝数 N 光栅常数 d 5 2条纹的形成 P点的光强决定于沿CP方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在P点迭加的结果 由各狭缝上上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平面上各点叠加 5 3光栅方程 六 光的偏振 自然光 线偏振光 部分偏振光 1 光的偏振状态 1 1偏振片 只让某一方向的光振动分量通过而吸收与这一方向垂直的光振动分量 1 2起偏与检偏 起偏 A 自然光 B C 线偏振光 2 马吕斯定律 检偏 A B A 自然光 B 亮度不变 A 线偏振光 B 最亮到全暗 A 部分偏振光 B 亮度变化 但不全暗 2 3马吕斯定律 立体电影 3 反射光和折射光的偏振 3 1反射光和折射光的偏振状态 3 2布儒斯特定律 当入射角满足 i0 r 2 利用多次折射产生偏振光 问题 摄影用的偏光镜如选择适当角度可消除或减弱水和玻璃等非金属表面的反光这是为什么 有反射光干扰的橱窗 在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰 第三部分光学新知识 简介 七 3D成像 1 眼睛辨别距离 空间感 原理 3D技术关键 拍摄 双镜头拍摄 分别纪录左右眼看到的图像 显示 左右镜头拍摄的图像一起显示在屏幕上 观看 左眼只看到左镜头拍摄的图像 右眼只看到右镜头拍摄的图像 关键技术 2 眼镜3D 2 1红蓝格式3D 2 2偏光式3D 2 3快门式3D 偏光式与快门式3D 3 裸眼3D 3 1遮光式裸眼3D 3 2柱状透镜式裸眼3D 八 负折射率材料 2001年加州大学的DavidSmith等人根据Pendry等人的建议 利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数 负磁导率的物质 并观察到了其中的反常折射定律 1967年 前