光的几何性与物理性

1、.光的几何性与物理性光学包括两大部分内容：几何光学和物理光学。几何光学又称光线光学是以光的直线传播性质为根底，研究光在煤质中的传播规律及其应用的学科；物理光学是研究光的本性、光和物质的互相作用规律的学科。一、重要概念和规律一、几何光学根本概念和规律1、根本规律光源：发光的物体分两大类：点光源和扩展光源 点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合 光线 表示光传播方向的几何线 光束通过一定面积的一束光线它是通过一定截面光线的集合 光速光传播的速度。光在真空中速度最大。恒为C=3108 m/s。丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大间隔 测出了光速。法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出

2、了光这。 实像 光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的 虚像光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。 本影光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区 半影 光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域2根本规律1光的直线传播规律：先在同一种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直线传播的例证。2光的独立传播规律：光在传播时虽屡屡相交，但互不扰乱，保持各自的规律继续传播。3光的反射定律： 反射线、入射线、法线共面；反射线与入射线分布于法线两侧；反射角等于入射角。4光的折射定律： 折射线、入射线、法线共面，折射线和入射线分居法线两侧；对确定的两种

3、介质，入射角i的正弦和折射角r的正弦之比是一个常数介质的折射率 n=sini/sinr=c/v。全反射条件光从光密介质射向光疏介质；入射角大于临界角A，sinA=1/n。5光路可逆原理： 光线逆着反射线或折射线方向入射，将沿着原来的入射线方向反射或折射3常用光学器件及其光学特性1平面镜： 点光源发出的同心发散光束，经平面镜反射后，得到的也是同心发散光束能在镜后形成等大的、正立的虚出，像与物对镜面对称。2球面镜： 凹面镜：有会聚光的作用， 凸面镜： 有发散光的作用3棱镜： 光密介质的棱镜放在光疏介质的环境中，入射到棱镜侧面的光经棱镜后向底面偏折。隔着棱镜看到物体的像向顶角偏移。 棱镜的色散作用：

4、 复色光通过三棱镜被分解成单色光的现象。4透镜： 在光疏介质的环境中放置有光密介质的透镜时， 凸透镜： 对光线有会聚作用， 凹透镜： 对光线有发散作用透镜成像作图： 利用三条特殊光线。成像规律1/u+1/v=1/f。线放大率m=像长/物长=|v|/u。说明成像公式的符号法那么凸透镜焦距f取正，凹透镜焦距f取负；实像像距v取正，虚像像距v取负。线放大率与焦距和物距有关5平行透明板： 光线经平行透明板时发生平行挪动侧移侧移的大小与入射角、透明板厚度、折射率有关。4简单光学仪器的成像原理和眼睛1放大镜： 是凸透镜成像在。uf时的应用。通过放大饼在物方同地看到正立虚像。2照相机： 是凸透镜成像在u2f

5、时的应用得到的是倒立缩小施实像。3幻灯机： 是凸透镜成像在 fu2f时的应用。得到的是倒立放大的实像4显微镜： 由短焦距的凸透镜作物镜，长焦距的透镜作目镜所组成。物体位于物镜焦点外很*近焦点处，经物镜成实像于目镜焦点内很*近焦点处。再经物镜在同侧形成一放大虚像通常位于明视间隔 处。 5望远镜： 由长焦距的凸透镜作物镜，短焦距的透镜作目镜所组成。极远处至物镜的光可看成平行光，经物镜成中间像倒立、缩小、实像于物镜焦点外很*近焦点处，恰位于目镜焦点内，再经目镜成虚像于极远处或明视间隔 处。6眼睛： 等效于一变焦距照相机，正常人明视距约25厘米。明视间隔 小子25厘米的近视眼患者需配戴凹透镜做镜片的眼

6、镜；明视间隔 大于25厘米的远视25者需配戴凸透镜做镜片的眼镜。二物理光学人类对光本性的认识开展过程1微粒说牛顿根本观点： 认为光像一群弹性小球的微粒。 实验根底 光的直线传播、光的反射现象。 困难问题 无法解释两种媒质界面同时发生的反射、折射现象以及光的独立传播规律等。2波动说惠更斯根本观点： 认为光是某种振动激起的波机械波。 实验根底： 光的干预和衍射现象。光的干预现象杨氏双缝干预实验条件： 两束光频率一样、相差恒定。 装置 略。 现象： 出现中央明条，两边等距分布的明暗相间条纹。 解释： 屏上某处到双孔双缝的路程差是波长的整数倍半个波长的偶数倍时，两波同相叠加，振动加强，产生明条；两波反

7、相叠加，振动相消，产生暗条。 应用： 检查平面、测量厚度、增强光学镜头透射光强度增透膜光的衍射现象单缝衍射或圆孔衍射条件： 缝宽或孔径可与波长相比较。 装置 ：略。 现象： 出现中央最亮最宽的明条，两边不等距发表的明暗条纹或明暗乡间的圆环。 困难问题： 难以解释光的直进、寻找不到传播介质。3电磁说麦克斯韦： 根本观点： 认为光是一种电磁波。 实验根底： 赫兹实验证明电磁波具有跟光同样的性质和波速。 各种电磁波的产活力理： 无线电波 自由电子的运动； 红外线、可见光、紫外线 原子外层电子受激发； x射线 原子内层电子受激发； 射线 原子核受激发。 可见光的光谱： 发射光谱连续光谱、明线光谱 ；

8、吸收光谱特征光谱。 困难问题： 无法解释光电效应现象。4光子说爱因斯坦： 根本观点： 认为光由一份一份不连续的光子组成每份光子的能量E=h。 实验根底： 光电效应现象。 装置： 略。 现象： 入射光照到光电子发射几乎是瞬时的；入射光频率必须大于光阴极金属的极限频率。；当v0时，光电流强度与入射光强度成正比；光电子的最大初动能与入射光强无关，只随着人射光灯中的增大而增大。 解释 光子能量可以被电子全部吸收不需能量积累过程；外表电子抑制金属原子核引力逸出至少需做功逸出功h。；入射光强。单位时间内入射光子多，产生光电子多；入射光子能量只与其频率有关，入射至金属表，除用于逸出功外。其余转化为光电子初动

9、能。 困难问题： 无法解释光的波动性。5光的波粒二象性： 根本观点： 认为光是一种具有电磁本性的物质，既有波动性。又有粒子性。大量光子的运动规律显示波动性，个别光子的行为显示粒子性。 实验根底 ：微弱光线的干预，X射线衍射二、重要研究方法1作图：几何光学离不开光路图 。利用作图法可以直观地反映光线的传播，方便地确定像的位置、大小、倒正、虚实以及成像区域或观察范围等把它与公式法结合起来，可以互相补充、互相验证。2光路追踪法： 用作图法研究光的传播和成像问题时，抓住物点上发出的某条光线为研究对象。不断追踪下去的方法尤其合适于研究组合光具成多重保的情况。3光路可逆法： 在几何光学中，一所有的光路都是

10、可逆的，利用光路可逆原理在作图和计算上往在都会带来方便原子物理包括两大部分内容；原子构造和原子核构造。前者研究原子核外电子的分布及跃迁规律，后者研究核的组成及其变化规律。一、重要概念和规律1 原子核式构造学说1909年。卢瑟福实验根底： 粒子散射实验用放射源发出的粒子穿过金箔，发现绝大多数粒子按原方向前进，少数粒子发生较大的偏转。极少数产生大角度偏转，个别被弹回 根本内容： 在原子中心有一个带正电的核半径约10-15 10-14 m，集中了几乎全部原子质量、带负电的电子在核外绕核旋转原子半径约10-10 m。 困难问题： 按经典理论，电子绕核旋转将辐射电磁波，能量会逐渐减小，电子运行的轨道半径

11、不断变小，大量原子发出的光谱应该是连续光谱。2玻尔理论1913年。玻尔 实验根底 氢光谱规律的研究。 根本内容三点假设 1原子只能处于一系列不连续的、稳定的能量状态定态，其总能量En包括动能和电势能与基态总能量量的关系为En=E1 /n1 n1、2、32原子在两个定态之间跃迁时，将辐射或吸收一定频率光阴子；光子的能量为h = E初 -E终 。3电子绕核运行的可能轨道是不连续的。各可能轨道的半径rn =n2 r1 基态轨道半径r1。n=1、2、3。 困难问题 无法解释复杂原子的光谱3. 放射现象1896年贝克勒尔三种射线1射线 氦原子核流。vc/10。贯穿本领很小。电离作用很强。2射线 高速电子

12、流。vc。贯穿本领强，电离作用弱。3射线 波长很短的电磁波。v=c。贯穿本领很强，电离作用很弱。衰变规律 遵循电量、质量和能量守恒。衰变、衰变、衰变衰变是伴随着衰变或衰变同时发生的。半衰期： 放射性元素的原子读有半数发生衰变所需要的时间。由核内部本身因素决定跟原子所处的物理状态或化学状态无关4原子核的组成实验根底1质子发现1919年，卢瑟福2中子发现1932年，查德威克根本内容 原子核由质子和中子统称核子组成原子核的质量数等于质子数与中子数之和原子核的电荷数等于质子数。各核子间依*强大的核力来集在核内。5放射性同位素 质子数一样、中子数不同，具有放射性的原子。实验根底：用粒子盖击铝核首先实现用

13、人工方法得到放出性同位素磷1934年，约里奥居里夫妇。根本应用1利用射线的贯穿本领、电离作用或对生物组织的物理、化学效应。2做为示踪原子。6. 核能质量亏损： 组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差质能方程：E=mc2核反响能：E=mc2二、重要研究方法1理论-理论-理论从理论实验出发，提出理论，再经过理论的检验或进展新的理论一进一步开展理论。例如，通过对气体放电现象、阴极射线的研究汤姆生发现电子1897年，提出原子构造的汤姆生模型。由于卢瑟福的粒子的散射实验，进一步开展成卢瑟福模型。通过对氢原子明线光谱的研究，又提出了玻尔理论等。在原子物理中，非常鲜明地贯穿着辩证唯物主义认识论的这一根本思

14、想方法。复习中也应以此为线索，把握全章的知识构造。2. 守恒规律的应用质量守恒、电荷守恒、能量守恒、动量守恒等自然界中的根本规律在原子物理中都得到全面的表达复习中应紧紧把握这些守恒规律光的传播1.光在什么情况下是沿直线传播的，小孔成像是怎么回事，什么是本影和半影，如何确定本影、半影的区域？如何确定影子的运动状态？在何时、何地可以观察到日全食、日偏食、日环食、月全食、月偏食？你知道几种典型的测量光速的方法吗？你能体会出为什么这一章又被称为几何光学吗？2.什么是光的反射定律，镜面反射和漫反射的主要区别是什么？平面镜的成像特点是什么？如何确定平面镜成像的观察范围？我要想看到完好的脸，至少需要多大的矩

15、形平面镜？那我要想看到完好的三中办公楼呢？如何确定物像的运动速度速度垂直镜面和不垂直镜面两种情况？3.什么是折射定律？与折射率相关的几个表达式分别是什么？如何计算光射入介质后的波长、波速和频率？什么是视深？4.什么是光疏介质、光密介质，全反射的条件是什么？在求解全反射问题时，一般采用什么解题方法？什么是光导纤维？在入射角的情况下如何计算光导纤维的折射率，假如入射角未知呢？5.什么是光的色散，产生的原因是什么？各种色光的频率、折射率、速度有什么规律？你能定性画出不同色光在界面上发生反射、折射时的情景吗？反之根据这些情景你有能判断出各色光的折射率、频率、能量、临界角的大小吗？6.你理解几种典型的玻

16、璃砖对光路的控制特点吗？在三角形玻璃砖中，你知道几个典型角的关系吗？单色光、复色光、单色光点、复色光点通过三棱镜会呈现什么景象呢？假如光疏棱镜放在光密介质中，上述现象还成立吗？在圆形玻璃砖中，你知道如何确定法线，如何确定是否发生全反射，如何计算各次的偏折角吗？在矩形玻璃砖中，你会求侧移间隔 吗？你能利用一个杯子测量液体的折射率吗？光的本性1.十七世纪人们关于光的本性的认识有哪些观点？分别能解释什么，无法解释什么？2.什么是双缝干预、薄膜干预，它们的相干光源是如何得到的，使用单色光和复色光时其干预图样怎样？如何判断某个点是加强点还是减弱点。在双缝干预实验中，相邻两条亮条纹之间的间距与什么有关？遮

17、住其中一个缝，或用不同滤光片分别遮住两个缝还会有干预条纹吗？还会有条纹吗？在薄膜干预中，应在何处观察现象，薄膜的形状对条纹的形状及间距有何影响？你知道什么是增透膜吗？它的厚度如何确定？如何使用薄膜干预检查物体外表的平整程度？在实际生活中如何区分干预、衍射、色散、半影等问题？3.什么是衍射，发生明显衍射的条件是什么？双缝干预条纹与单缝衍射条纹的区别是什么？圆孔衍射与圆屏衍射呢？在衍射现象越来越明显的过程中看到的现象是什么？光的直线传播与光的衍射矛盾吗？为什么我们常说光是沿直线传播的？4.光是一种什么波，这种观点是谁提出的，提出的根据有哪些，又是谁验证的？电磁波谱的排列顺序是什么，它们的产活力理怎

18、样，能否结合电磁波和原子物理的知识加深理解。红外线、紫外线、X射线、射线是怎样产生的，有什么样的特性及应用？伦琴射线管的构造是什么？5.什么是偏振？偏振光和自然光有何区别？如何得到偏振光？偏振光在现实生活中有何应用？什么是激光？它的三个特性及相关应用是什么？6.什么是光电效应，它是使用什么样的装置发现的，又是使用什么样的装置研究的。什么是饱和电流、截止电压，有什么作用？光电效应的四条规律是什么？你会在做题中使用吗？经典波动理论为什么解释不了，爱因斯坦的光子理论又是如何解释的。你会利用光电效应方程解释以及求解极限频率、最大初动能吗？你会连接简单的光电管自动控制电路吗？光强与哪些因素有关？一样强度

19、的紫光、红光照射同一金属发生光电效应时有何区别？你理解最大初动能和频率之间的函数图象吗？7.在光子计算中，你能计算出点光源模型中，相距光源一定间隔 放置的面上得到的光子数吗？在线光源模型中，你会计算单位长度上的光子数吗？8.什么是光的波粒二象性，如何理解？只有电磁波才具有波粒二象性吗？什么是物质波，谁提出的？物质波的波长如何计算？原子物理1.谁发现了电子，有什么样的重要意义？接下来他提出的原子构造模型是什么样的？2.粒子散射实验是谁、为了什么目的、使用什么样的装置做的？期望得到什么结果？实际的现象是什么？由此得出什么样的结论，该实验有何重大意义？3.什么是光谱，光谱如何分类，分别是由谁产生的，哪些光谱可以用作光谱分析，用什么仪器观察光谱，它的大致构造怎样？4.原子的核式构造遇到了哪两个困难？是谁提出了什么理论解决了这两个难题？他否认了经典理论还是否认了核式构造学说？理论的内容是什么？5.你能根据题目条件确定核外电子的动能、势能、总能量、周期、半径等的大小及变化吗？什么是eV，它与焦耳如何转换？在解题中一定要将它转化成焦耳吗？你会计算在原子跃迁中吸收或释放光子的个数及频率吗？能否在此根底上真正理解明线光谱与吸收光谱？你知道什么是电离，如何计算电离能吗？在电离中，原子能吸收超过电