声学与光学知识

1、声学、光学知识 Msatdmu声学与光学知识1声波是一种机械波，其传播的速度等于波长与振动频率的乘积（v =入）。在大多数情况下，声波的传播方向与振动方向相同，是一种纵波。声音的传播是声源 振动能量 的传播，振动的物体带动周围介质产生相应的运动。介 质带动较远的其他介质振动，使振动向外传播。（在空气中，不断的挤压周围空气，使空气出现疏密变化，且向四周传播，形成空气中的声波）因此声音的传播需要介质。真空 是不能传声的。声音在传播的过程当中，其波长会受到介质的种类、介质的温度等因素的影响。所 以其传播的速度也不相同。（注意：发声的频率是不变的）声音在热空气中的速度较快，当空气温度随高度的增加而降低

2、时（如白天的沙漠地 区），原来沿水平方向传播的声波的下部比上部快，声音向上屈折而散失。在寒冷的日子 里，空气温度往往随高度增加而升高，（如广阔的水面或冰面）声音向下屈折，传播的远。顺风而呼也是因为高处风速快，声波传播快使其向下屈折的缘故。所以有“夜半钟声到 客船”的诗句。2、次声波为什么会传播的更远？声音的传播有一个特点：频率越低，传播的距离越大。这是因为频率与波长成反比。 频率低则波长长，波动就越容易绕过障碍物；另外声音在传播时，引起介质分子的振动， 分子之间互相碰撞，一部分声能会转化成热，被介质吸收。振动的频率越高，分子的摩 擦越厉害，能量的损失越多，传播的距离就越近。例如，我们听近处的雷

3、声，音调较高，震耳欲聋；而远处的雷声则隆隆作响，音调 较低；就是因为远处的雷声，在漫长的道路上，失去频率较高的声音的缘故。3、听诊器的作用：在通常情况下，声音依靠空气向四面八方传播。传的越远越分散，声音也越来越弱， 距离远了就听不到了，要是让声音沿木棍、水管或空管传播，声音就会沿着这些物体传 播，不能向四面八方扩散，可以传得更远。听诊器就是利用这个道理使声音沿着胸具、 皮管、耳具传播，减少声音的能量损失医生就可以听到清晰的心音。从而正确诊断疾病。4、声音的反射声音可以被障碍物反射，而且反射的规律类似于光的反射。若回声到达人耳比原声 晚0.1秒以上，人耳就可以将其分开。若不到 0.1秒，回声与原

4、声混合到一起，使原声加 强。在旷野中讲话没有在屋子里讲话响亮就是这个道理。光滑、坚硬的物体反射的效果 好。如电话亭使用的玻璃罩。注意：有声源、传声的介质和障碍物就会有回声，只不过有时我们不能将其与原声区分开罢了。且反射的强度与波长的四次方成反比。因此，波 长短（高频）的声波比波长长（低频）的声波反射更强。所以回声中音调较高的声音相 对较强。5、双耳效应：我们的两只耳朵可以帮助我们定位声源的位置。声音传播到我们的两只耳 朵时，其声音的强度、位相和时间会稍有些不同，我们的大脑可以根据这个微小的差别 辨别声源的位置，这就是双耳效应。6、 多普勒效应：运动的声源靠近时，音调变高。远离时，音调变低。（声

5、源发声频率不 变，单我们听到的频率变化了）声源以一定的速度靠近意味着单位时间听到的振动次数 增多，因此我们感到声音的音调变高。7、关于月相：月球自转一周的时间正好与其绕地球公转一周的时间相同所以它总是一面 对着地球。当月球位于太阳与地球的中间时月球以黑暗的半面对着地球，这一天就是农 历的初一，古称“朔”随着月球自西向东的公转被太阳照亮的一半开始有一部分朝向地 球，为向右凸出的“蛾眉月”然后我们可以看到月球右边的一半，此为“上弦月”接着为（盈）凸月，当月球被照亮的部分正朝着我们是，我们看到的是满月，古称“望”过了望，我们看到的是亮部分逐渐变小，但明亮的是月球左边的部分，我们称之为“亏凸月” “下

6、弦月” “亏月”亏月又叫“残月”（象字母“ C”。因为月球的公转也是自西向东的，所以“朔”以后月球位于太阳之东，日落后，一 个月牙出现在西方地平线的上空。“上弦”前后（初八左右），日落时月亮出现在天顶。到“望”时（农历十五或十六），其与太阳相对，日落月升，日出月落。望之后，月亮晚 些升起，每天推迟 50分钟，下弦（农历二十三左右）后，月亮到下半夜才升起，到了农 历的月底，残月仅在黎明前出现短暂时间，然后就淹没在太阳的光辉之中了。8球面镜：反射面是球面的镜子。凹面镜：用球的内表面为反射面的镜子。古称“阳燧”，用其取火。 焦点的位置：是球的半径的一半。物在无穷远处时所成的像点叫焦点。 三种特殊光线

7、： 过球心的入射光线经反射后沿原路返回；平行于主轴的入射光线，反射后经过焦点；过焦点的入射光线经反射后平行于主轴。 注意：抛物面镜能把平行光真正会聚于一点，一般的凹面镜是做不到的。对于近轴光-12 -线它可将其会聚于一个很小的区域。平行光越靠近主光轴，会聚区域越接近于一点。 用特殊光线作图像:筒、车灯、探照灯的反射面。物距像的性质像距u> 2f倒立、缩小、实像；像、物同侧f < v < 2f2f >u >f倒立、放大、实像；像、物同侧v > 2fu< f正立、放大、虚象；像、物异侧应用：一、会聚平行光：太阳灶、卫星天线、反射式望远镜；二、得到平行光：手

8、电凸面镜：用球的外表面为反射面的镜子。 三种特殊光线： 过球心的入射光线经反 射后沿原路返回；平行于主轴的入射光线， 反射后反射光线的反向延长线经过焦点；延 长线过焦点的入射光线经反射后平行于主轴。 成像特点：只能成正立，缩小的虚像。_ _ 且曲率越大（球半径越小），成像越小。 应用：汽车的观后镜、十字路口的交通镜等。9、光的折射光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。垂直入射时，光的传播方向不变。当光从空气中斜射入其它介质中时，人们发现入 射角的正弦与折射角的正弦的比值是一个定值。而且恰好等于两种介质中光传播的速度 之比。即sin i cnsin r v这

9、个比值反映了介质对光的折射能力，我们称之为这种介质的折射率。这是因为人们发现：光在指定的两点间传播，实际的光程（折射率与两点间的距离的乘积一一n s）最短这就是著名的费马定理。我们可以将其理解成：光在指定的两点间传播，光走的路径用时最短。10、虹、霓、晕的形成“虹，日中水影，日照雨，则有之”（沈括），背日喷乎水，成虹霓之状。悬浮在空中的小水滴对阳光的色散形成的。虹霓相依相伴，霓在虹上。 虹的形成：外红内紫为虹。经过一次全反射，两次折射形成。完整的是个圆环形，只 不过我们在地面上不易看全，坐在飞机上，有可能看到整个的彩虹。 霓的形成：外紫内红为霓。经过两次全反射，两次折射形成。因其经过两次全反射

10、， 能量损失较大，故人们经常能看到虹，却很难看到霓。“晕”的形成：就是民间俗称的“风圈”。构成这种云的小冰晶象三棱镜一样，当证明：因为 OABOA B'又因为 FOC FB A'AB OB _uA'B' O'B' vOC _ AB _ OF _ fA' B' A' B' B'F v - f冰晶组成的乳白色丝缕状的薄云一一“卷层云 日光或月光照到它们时，就会产生反射和折射现象，如果角度合适，就会形彩色或白色 的光圈、光弧、光点或假日，统称“晕”经推导可得：111u v f此公式适用于凸透镜、凹透镜及球面镜成像

11、。其中物距U为正值；凸透镜和凹面镜的f为正值，凹透镜和凸面镜的f为负值；成实像像距v为正值，成虚像像距v为负值。对于凸透镜:设u +v = D,此公式可转化成1 1 1+=u D -u f化简得：u 2 Du + Df = 0成实像时，方程必有实数解，所以b2 4ac>0 即D>4f即物体经凸透镜成 实像时，物体与像的最小距离为4倍焦距。12、望远镜：望远镜所成的像并不比原物大，只是相当于把远处物体移近，增大视角，以利观察。 一、开普勒望远镜：物镜焦距fl很长，目镜焦距f2很短，镜筒的长度L= f ! + f2。其放大本领 M = J/ f2, 远物Q的平行光经物镜会聚于 Q

12、9;点；经目镜成为平行光，倒立的像Q'位于无限远处，但物镜的焦点与目镜的焦点重合。镜筒长度I = f 1 -f2，放大本领如上。远物一点 Q的平行光，经物镜会聚应成像于 Q点，（对目镜为虚物），经目镜后为平行光，成正立的像于 无限远处，但视角变大。1. 在两块透镜之间加一凸透镜，物镜的焦点 与其二倍焦距点重合，目镜的焦点与其另一个 二倍焦距点重合。2在两块透镜之间加两只等腰直角全反射的 三棱镜，它们的斜面互相垂直，物镜成像经 第一块棱镜将左右颠倒一次，再将上下颠倒一次。三、反射式望远镜:远物上射来的平行光射到抛物面反射镜AB上，反射光又为平面镜 CD反射会聚于F”点，（F'点为

13、抛物面的焦点）该点所成的像最后经目镜放大。13、全反射当光从光密介质斜射到光疏介质中时，在界面位置随着入射角的逐渐增大，折射角也随着逐渐增大，折射光线能量逐渐减小，而反射光线的能量逐渐增大。当光以临界角（折射角等于90°时的入射角）入射到界面上时，折射光线能量为零，即不存在沿界面传播的折射光线。或认为其只能传播入（光的波长）的一半的距离，称之为：倏逝波 光线全部被界面反射回来。这种现象叫全反射。由于全反射对光的能量损失极小，所以一些精密的仪器通常用其代替平面镜。如：潜望镜、望远镜中校正镜等等。光经过金刚石进入空气时的临界角特别小，当光进入金刚石并经第二个界面反射时， 不很大的入射角就

14、能发生全反射，使大部分光从金刚石的顶面射出，所以金刚石就成为 一种光彩夺目的宝石。另外如：一些标志牌上的玻璃微珠、水中或玻璃中的气泡特别明 亮、荷叶上积聚的亮晶晶的水珠，都是发生了全反射的结果。因为水的临界角约为 49°，潜水员在水中向水面看时岸上的景物被压缩在约为 98°的圆锥体中。光导纤维：用一种很细的玻璃丝或塑料丝制成的光学元件，直径只有510微米左右。纤维分为内外两层，内层的折射率匕较大，外层的折射率 n3较小，空气的为n 1。当光以入射角“射入光导纤维的内层，将以的折射角前进，并射到内、外层的交界处，此时入射角为（n /2,若此角大于由n2和n3决定的临界角时，就

15、会发生全反射。这样在内壁上连续多次发生全反射，就会经过弯曲的路径从另一端射出。所以入射角只要 小于“（此角由空气，内芯与外套的折射率决定）角，光导纤维的内壁光滑，透明度高， 弯曲的部分的曲率半径远大于纤维的半径，就可以良好的传播光能。14、光的波动学说： 光的本质是 电磁波。也就是说光与无线电波、微波炉中的微波在本 质上是相同的。电磁波是具有某些电的特性和磁的特性的横波，电磁波由变化的电场和磁场组成。它的传播不需要介质。象所有的波一样，其传播的速度也等于波长与振动频率的乘积。即c =入v波长在400nm760nm之间（频率为7.7亿兆赫4.1亿兆赫）之间的电磁波能被人 类的眼睛看到，我们就把这

16、部分电磁波叫做光。但更多的电磁波我们是无法看到的。电磁波中其频率由小到大 （波长由大到小）的顺序是：无线电波一一微波一一红外线一一可见光（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）紫外线一一x射线一一丫射线对于可见光，不同的频率对应着不同的颜色。但我们人类的眼睛没有那么高的分辨 率，我们只能将可见光大约分成7种颜色。在真空中，所有颜色的光传播的速度相同，但在同一种 介质中，不同频率的光传播速度不同。频率高、波长短的速度小；频率低、 波长长的速度大。正因如此，光在发生折射时有可能发生色散现象。15、光的散射：光在均匀的介质或两种不均匀的介质中发生直射、反射或折射时，都仅限于一定的 方向上，其它方向上光强为零。

17、例如，我们沿光束的侧向观察就应当看不到光。当光束 通过光学性质不均匀 的物质时，从侧向却可以看到光，这个现象叫做光的散射。光学性质不均匀是指均匀介质中，散布着一般比光的波长小的杂质微粒，而且排列 得毫无规则。发生散射时光的光波越长，光波越容易绕过小障碍物；光波越短，越容易 被散射。蓝光、紫光的波长较短，所以空气中的小微粒将蓝光、紫光散射，但其中蓝光 比紫光要更加明亮，所以我们看起来天就是蓝色的了。海水是蓝的，除了反射了天的颜 色以外，也是这个原因。红光不易被散射，传播的距离更长，所以交通中用红灯表示危险。黎明或傍晚，因 为阳光在大气中的传播路径长，只有红光被影响的不大，所以我们看起来，太阳就是

18、火 红的了。有时在发生月食前，会看到古铜色的月亮，也是因为月亮进入到地球的半影区， 太阳光经过地球的大气层再射到月球上，波长较短的光被散射很多，波长较长的红、黄 光射到月球上被反射的缘故。至于浪花和打碎的玻璃是白色的缘于其不规则的形状，各种色光从各个角度射来， 混在一起就成了白色。16、太阳或月亮为什么在初升和将落时，看起来变大变扁了？一天之内日地之间的距离变化极小，用精密的仪器也无法分辨太阳直径的差异。我 们之所以会产生这样的感觉是因为人们的错觉。如图，A、B两圆是等大的，但由于周围物体的对比，好象A比B小。同样看起来百圆也好象比黑色的圆大。太阳或月亮为什么在初升和将落时位置靠近地面背景只有

19、天空的一角，对比地面的山岳、房屋、树木，太阳显得大些；中午时，太阳在开阔无边的天空里，对比之下，太 阳显得小些。又在早晚时，天色较暗，相比之下，太阳较明亮，于是显得大些。而中午 时，天空的背景也非常明亮，相比之下，则看起来显得比早晚小些。至于太阳或月亮为什么在初升和将落时看起来变扁了，则是由于光的折射。空气的密 度上小下大，光线向下弯曲，通过的空气层越厚，阳光弯曲得越多。我们沿直线回看， 下边缘被抬高得更显著，使太阳的垂直直径比水平直径缩短五分之一。因此我们看来太 阳变扁了。17、立体电影与立体画大多数的立体幻觉是模仿双眼视觉而产生的。两架相机相距几厘米相当于人的双眼,角度略有不同，产生深度的

20、感觉。另外利用的是眼睛的视差，因为蓝光经眼睛折射偏折 比红光的更厉害。（同一种介质中，不同频率的光传播的速度不同，频率大而波长小的速 度小）使一种颜色形成清晰的像，而其他颜色形成不清晰的背景。在正常的双眼视觉中， 大脑感觉红色的物体好象比其他颜色更靠前。另外当红光在视网膜上成清晰的像时，其 它颜色的光成像在视网膜前，类似于近视眼，看起来其它颜色的物体更大。1、 霓虹灯：霓虹灯的内部没有灯丝， 在灯内充入惰性气体受激发光后，呈现不同的颜色。 如：氦灯黄、氖灯红、氩灯淡青、氩与氖共同发绿蓝色光。2、日光灯：日光灯灯丝放出大量的电子，电子撞上水银蒸气产生紫外线，紫外线照射荧 光物质发光。日光灯有灯丝

21、，但不是靠灯丝发光，日光灯为冷光源。3、 白炽灯：白炽灯的灯丝温度很高，发光，将90%以上的电能转化为热。日光灯下的物体太阳光中的色光最全，而且各种色光的强度也较均匀，照在物体上，物体反射的色 光就是物体的颜色。日光灯色光不全，偏重靛，紫光。所以在日光灯下，有些颜色不能 反射色光且无论什么颜色在日光灯下都带有一些灰暗的色调。另外日光灯发光是一亮一 暗的，每秒钟一百次。在这种光下看旋转的物体会发生错觉。19、汽车前灯的玻璃灯罩，为什么要用有横竖条纹的玻璃制成？汽车前灯相当于一个透镜和棱镜的组合体。在漆黑的夜里，对于一辆急速行驶的汽 车来说，不能象手电筒那样用狭窄而笔直的光束来照明。因为司机不仅要

22、看清前方的路 面，还要看清路边的行人、路标、岔口等。透镜和棱镜对光有折射作用，所以可以根据 需要将光分配到需要的方向。使光均匀、柔和地照亮前进的道路和路边的景物。同时这 种散光灯罩还使一部分光略向上折射，以便照明道路标志和里程碑，确保行车安全。在 车灯中还有远距灯丝（焦点处）和近距灯丝（焦点与凹透镜之间）两个灯丝也是这个道 理。远距灯丝发光形成平行光束，夜晚可以照得很远。但在夜晚开车时，打开远距灯丝 开车却是不安全的。被光束照着的地方很亮，其它的地方很暗，对比强烈，容易使人 产生眩晕的感觉；（台灯的灯罩都是透明的，就是使明暗对比不至于太强烈）不容易看 清路边的行人和路标；强烈的光会使对面开来汽

23、车的司机看不清路况。20、视觉暂留与明视距离人的眼睛有一种视觉暂留作用，（即眼睛看到的景物消失后，视神经对景物的印象还能保留大约 0.1s）如在黑暗中迅速移动点燃的香、在空中绽放的礼花我们会看到香火头 的亮点变成了亮线。这就是 视觉暂留现象。正常人的眼睛当晶状体弯曲程度最小时，能看到的最远点叫做眼睛的远点；晶状体弯 曲程度最大时，能看清的最近点叫做眼睛的近点。正常人的眼睛的远点在无穷远处，近点在离烟10cm处。正常人看25cm处的物体时眼睛不易疲劳，因此 25cm叫做人眼的 明视距离21、某位教师把物理竞赛成绩压在毛玻璃板（毛面在上面）的下面，他要求：在不拿出 成绩表的情况下看到成绩，请同学们设计方案并说明为什么？在毛玻璃上涂上一层水。光进入玻璃和穿出玻璃都要发生折射，如果玻璃的两个表面都是光滑的，两次折射 都很规则，隔着玻璃板能看清它下面的东西。毛玻璃有一个表面很粗糙，使光线不规则 射出，所以隔着毛玻璃看不清它下面的东西。如果在毛玻璃的粗糙表面上涂上一层水， 水将毛玻璃的粗糙表面的凹处填平，表面就变成光滑的水面，光的折射就规则了，隔着 毛玻璃板就可以看清它下面的东西了。22、小汽车的挡风玻璃有一定的倾斜角度，而卡车、公交车等大