第二章 光伏原理

1、第二章 太阳能光伏发电光学原理 2.1 光的反射和折射 2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射 2.3 光的散射 2.4 光的辐射 2.5 到达地面的太阳辐射 2.6 光电学说 2.1 光的反射和折射 n光的传播： nA 、光在同一种均匀介质中沿直线传播。 nB、光到达两种介质的界面，发生反射和折射。 nC、光在不均匀介质中传播时光线发生弯曲。 一、光源能够自行发光的物体 月亮 不是 光源 光的直线传播 一、光线用来表示光的传播方向的直线。 注意理解几点： 1)画光线时必须有表示光的传播方向的箭头。 2)光线只代表光的传播方向 ，并不是实际存 在的东西，而光是实际存在的。 3)光线可代表很窄、平行

2、光束的传播路径。 4)两条光线可代表一条光束的边缘。 5)用光线可代表光的会聚、发散或平行的性质。 P B S a)影是由发自光源并与投影物体的表面相切的 光线所形成的。 b)影子的大小决定于点光源物体和光屏的相对 位置。 三、实际的光现象 1、影点光源发出的光，照到不透明的 物体时，在物体背后形成一个光照不到的 黑暗区域，这就是物体的影。 c)伪半影光源中心部分照不到的区域。 A B C D 2、若光源的发光面较大，发光面上的每个 发光点，都可以看作一个点光源，它们都在 物体背后造成影区，分别为： a)本影完全不受到光照射的区域。(影共有的范围) b)半影本影的周围还有一个能受到光源发出的一

3、部 分光照射的区域。 月球 太阳 地球 太阳 月球 地球 A B B A A：本影区 看到日全食 B：半影区 看到日偏食 C：伪半影区 看到日环食 B B c 2.1.1 光的反射定律 n 反射定律 “三线同面，法线居中，两角相等三线同面，法线居中，两角相等” B O A N ） （ 光的反射 反射光线、 入射光线 和法线在 同一平面 上 反射角 等于 入射角 反射光线和入射光线反射光线和入射光线 分居法线的分居法线的两侧两侧 练习练习1： （1） （2） （3） 漫反射 漫反射：若反射面凹凸不 平，而平行光虽为平行光 束，反射光却四向分散。 无论单向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。 问题：

4、n一束太阳光斜射到平面镜的表面，平面镜的另一束太阳光斜射到平面镜的表面，平面镜的另 一侧可以看到耀眼的白光；如果太阳光斜射到一侧可以看到耀眼的白光；如果太阳光斜射到 粗糙的木板表面，则无论从哪个方向观察，都粗糙的木板表面，则无论从哪个方向观察，都 看不到耀眼的亮光，为什么？看不到耀眼的亮光，为什么？ 平面镜平面镜会发生全反射全反射现象， 而粗糙的木板木板的只能 发生漫反射漫反射现象。 练习：练习： 光的反射现象。迎着月光走，光水人，光线这样入 眼。 背着月光走，光线没有射入人眼，路面存在漫反射。 所以，发暗处是水。漫反射：是指一束平行光线射向凹凸不 平的面时，每条光线都遵循光的反射定律。镜面反

5、射：平行 光射到光滑的平面，反射光依然平行。水洼，镜面反射。路 面，漫反射 。 60 120 0 相反相反 1300 65000 练习：练习： 2.1.2 光的折射定律 光的折射 光由一种介质传入另一种介质时（非垂直射入），前 进方向会改变的现象。 原因：光在不同介质中，由于速率的不同，使得前进 方向改变。 光的折射定律 （1）入射线、折射线与法线在同一平面上。 （2）光自光速快的介质，传入光速慢的介质时， 其折射线偏向法线。即折射角小于入射角。 （3）光自光速慢的介质，传入光速快的介质时， 其折射线偏离法线，及折射角大於入射角。 入射光与反射光及折射光的比较： 入射光与反射光的比较： 相同：

6、 不同： 光速、频率、波长 振幅、方向 入射光与折射光的比较： 相同： 不同： 频率 光速、波长、振幅、方向 面镜与透镜 面镜 应用光的反射原理 透镜 应用光的折射原理 平面镜 凸面镜 凹面镜 凸透鏡 凹透鏡 平面鏡的成像 成像性质：（1）为一正立虚像 （2）物距 = 像距 （3）物长 = 像长 （4）左右向反，上下不颠倒 凸透镜的成像 凸透鏡各部分的名稱及繪圖： （1）主轴 （2）镜心 （3）焦点 （4）焦距 （1）平行主轴的光线通过 异侧焦点 （2）通过镜心的光线不偏折 （3）通过焦点的光线平行主轴 凸透鏡成像 .tw/demolab/index

7、.html 物位置无穷远2F外2F上2FFF上F內 像位置 异侧 F上 异侧 F2F 异侧 2F上 异侧 2F外 无穷远同侧 像性质 一點 实像 倒立 縮小 实像 倒立 相等 实像 倒立 放大 实像 不成像 正立 放大 实像 凹透镜成像 凹透鏡各部分名稱及繪圖： （1）主軸 （2）鏡心 （3）焦點 （4）焦距 （1）平行主軸的光線向外發散，其 延長線通過同側焦點 （2）通過鏡心的光線不偏折 （3）通過異側焦點的光線平行主軸 凹透鏡成像 .tw/demolab/index.html 物位置无穷远2F外2F上2FFF上F內 像位置 同侧 焦点 与物 同侧

8、 与物 同侧 与物 同侧 与物 同侧 与物 同侧 像性质 一点 虚像 正立 缩小 虚像 正立 缩小 虚像 正立 缩小 虚像 正立 缩小 虚像 正立 缩小 虚像 面镜与透镜成像性质的归纳 平面镜 正立虚像、与物等大，左右相反。 物靠近面镜，像靠近面镜且大小不变。 凹面镜正立放大虚像 凸面镜正立缩小虚像 凸透镜 焦点外为倒立实像；物靠近透镜，像原理透镜且像逐 渐变大。 焦点内为正立虚像；物靠近透镜，像靠近透镜起逐渐 变小（仍为放大虚像） 凹透镜 任何位置皆为正立缩小虚像；物靠近透镜，像靠近透 镜且逐渐变大（仍为缩小虚像） 面镜与透镜的应用 凸面镜照后镜、旋转道路旁所架設的凸面镜 凹面镜手电筒的灯头

9、、车前灯 平面镜 万花筒、镜子等 凸透镜 凹透镜 投影机、放大镜、相机、望远镜、远视眼镜、 电影放映机、显微镜 近视眼镜 2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射 n光的漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光虽 为平行光束，反射光却四向分散。 无论单向反射或漫射，皆遵 循光的反射定律。 练习：练习： 黑板本来是会发生漫反射现象的，这样坐在任意的角落 的学生都能看得清黑板。但时间用久了。黑板就会很光 滑，就产生全反射。坐在两边的学生就只能看见亮光， 看不清黑板啦。 2.2.2 光的干涉 光的干涉 1 1光的干涉现象光的干涉现象 1 1）定义：两列光波相遇时叠加，在某些地方光被加强而）定义：两列光波相遇时叠

10、加，在某些地方光被加强而 某些地方减弱的现象。某些地方减弱的现象。 2 2）干涉条件：相干光束）干涉条件：相干光束（光源上同一点分出来的两个光源）光源上同一点分出来的两个光源） 注：不同光源或同一光源上不同部分发出的光不会产生干涉现象。注：不同光源或同一光源上不同部分发出的光不会产生干涉现象。 相干条件：相干条件：频率相同；振动方向相同；位相差恒定。频率相同；振动方向相同；位相差恒定。 单色光单色光 屏屏 杨氏双缝干涉（杨氏双缝干涉（托马斯托马斯杨杨） 相当于两个相当于两个 完全相同的光源完全相同的光源 S1S2 S1 S2 S* * * 单色激光束单色激光束 挡板挡板 屏屏 亮暗相间等距的条

11、纹亮暗相间等距的条纹 双缝干涉示意图双缝干涉示意图 你观察到了什么？你观察到了什么？ S1 S2 亮条纹的中心线亮条纹的中心线 亮条纹的中心线亮条纹的中心线 暗条纹的中心线暗条纹的中心线 暗条纹的中心线暗条纹的中心线 S1 S2 P1 S P1S2P1S1= S 光程差 相当于完全相同的波源相当于完全相同的波源 S1、S2 双缝干涉双缝干涉 亮条纹亮条纹 暗条纹暗条纹 单色激光束单色激光束 相干光束相干光束 .)2 , 1 , 0( kkS .)2 , 1 , 0( 2 ) 12(kkS d D xxx kk 1 (1)明暗相间的条纹对称分布于中心明暗相间的条纹对称分布于中心O O点两侧。点两

12、侧。 dxDxx1 干涉条纹特点干涉条纹特点： (2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k k无关。无关。 两两相邻明（或暗）条纹间的距离称为相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距条纹间距。 若用复色光源，则干涉条纹是彩色若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。的。 1k 2k 1k 3k 3k 2k 双缝间距双缝间距d，屏到挡板间距离，屏到挡板间距离D，光的波长，光的波长。 各色光在真空中的波长各色光在真空中的波长 光的光的 颜色颜色 波长波长 nm 光的光的 颜色颜色 波长波长 nm 红红770620绿绿580490 橙橙620600蓝靛蓝靛490450

13、 黄黄600580紫紫450400 红光波长最大，紫光波长最小红光波长最大，紫光波长最小 d L x 白光 用白光做双缝干涉实验，在屏上会出现什么现象？用白光做双缝干涉实验，在屏上会出现什么现象？ 红光700nm 红 蓝光470nm 兰 亮暗相间彩色条纹亮暗相间彩色条纹 杨 氏 干 涉 牛顿环牛顿环 (Newton rings) 牛顿环牛顿环(Newton rings) e o R r 2 , 1 , 02) 12( 3 , 2 , 1 2 2 kk kk e 空气薄层中，任一厚度空气薄层中，任一厚度e处上下表面反射光的干涉条件：处上下表面反射光的干涉条件： 明条纹明条纹 暗条纹暗条纹 e o

14、 R r 2222 2eeRRr Re)( eR 略去略去e2 R r e 2 2 各级明、暗干涉条纹的半径各级明、暗干涉条纹的半径： 3 , 2 , 1 2 ) 12( k Rk r 2 , 1 , 0kkRr 随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。 e=0, ,两反射光的光程差两反射光的光程差 = /2，为为暗斑暗斑。 明条纹明条纹 暗条纹暗条纹 牛顿环牛顿环 (Newton rings) e r R o c 波长为波长为 的单色光垂直入射到的单色光垂直入射到平凸透镜与平晶间的平凸透镜与平晶间的 空气层空气层( (n n=1)=1)上，入射光从透镜

15、的球面上和平上，入射光从透镜的球面上和平晶晶的上的上 表面反射出来的光发生干涉表面反射出来的光发生干涉 两束光的光程差两束光的光程差: 2 2 e 暗环暗环 o 分束镜分束镜M 显微镜显微镜 .S 平凸透镜平凸透镜 平晶平晶 牛顿环装置简图牛顿环装置简图 2 ) 12( 2 2 ke暗暗环环条件条件： 明明环环条件条件： ke 2 2 第第k个个明明环半径：环半径： 2 ) 12( Rk r k ),2, 1( k kRrk 第第k个个暗暗环半径：环半径： ), 2 , 1 , 0( k 条纹特点：条纹特点： 1.中心是暗斑；中心是暗斑； eReRRr2)( 222 eRr2 由几何关系可知：

16、由几何关系可知： )(eR ), 2 , 1( k ), 2 , 1 , 0( k 2.随着条纹级次随着条纹级次k的增大的增大,条纹间距条纹间距 r 减小减小 e =0, r =0 kRRkrrr kk )1( 1 牛顿环的应用牛顿环的应用 mRrr kmk 22 测透镜球面的半径测透镜球面的半径R： 已知已知 , 测测 m、rk+m、rk，可可得得R ; 测波长测波长： 已知已知R，测出测出m 、 rk+m、rk， 可可得得。 检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规 待测透镜待测透镜 暗纹暗纹 2.2.3 光的逆向反射 n光的逆向反射，又称再归反射，和镜面反射、 漫反射不同，能

17、使光线沿原来路径反射回去。 n例如：自行车红色尾灯。 n 公路两旁的交通标志。 2.3光的散射光的散射 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面 是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明 介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介 质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果， 这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时， 我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太 阳光被空气中的灰尘散射的缘故。 光的散射现象光的散射现象 衍射衍射：波在传播过程中经过：波在传播过程中经过障碍物边缘障碍物边缘或或孔隙孔隙时所发生的时所发生的传传 播方向弯曲现象播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越

18、显著。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。 小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生反射，边缘小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生反射，边缘 部分发生衍射。部分发生衍射。 按不均匀团块的性质、散射可分为两大类：按不均匀团块的性质、散射可分为两大类： （1 1）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、雾、灰尘）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、雾、灰尘 的大气中的散射必于此类。的大气中的散射必于此类。 （2 2）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也能产生比较）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也能产生比较 微弱的散射，这是由于微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落分子热运动

19、造成密度的局部涨落引起引起 的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落密度张落很很 大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，这种现象大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，这种现象 叫做叫做临界乳光临界乳光。 区别、区分 散射、反射和衍射散射、反射和衍射 n大气对不同色光的散射作用不会“机会均等” 的，波长短的光受到的散射最厉害。 n波长：红红大于紫紫色。 把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射 （Rayleigh scattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率。 问：天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什 么是红的？云为

20、什么是白的？ 答：首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的答：首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的 结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到 光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空 见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者， 我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分 （蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射

21、（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射 光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的 相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。大气的散射一大气的散射一 部分来自悬浮的尘埃部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射大部分是密度涨落引起的分子散射， 后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。 所以每当大雨澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可所以每当大雨澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可 爱，其道理就在这里爱，其道理就在这里. . 一天天空变化 由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在 直射的日光中剩余较多的自然是长波成分直射的日光中剩余较多的自然是长波成分 了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层， 经历大气层的厚度要比中午时大得多，从经历大气层的厚度要比中午时大得多，从 而大气的散射效应也要强烈得多，这便是而大气的散射效应也要强烈得多，这便是 旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。 白白 云是大气中的水滴组成的，