高中物理光学知识点总结

高中物理光学知识点总结光的微粒说是牛顿提出的，它能够解释光的直线传播和反射等现象，但无法解释光在两种介质界面上既有反射又有折射的现象。光的波动性是惠更斯提出的，对于光的本性认识有了深化。薄膜干涉、双缝干涉、光的衍射等现象都能够用波动理论解释。电磁场理论和光的电磁说则更加深入地探讨了光的本质。电磁波谱是由低频到高频构成的广阔范围的电磁波，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、r射线等。光子说是爱因斯坦提出的，它认为光在空间传播不是连续的，而是由一个个光子组成。光子的能量与频率成正比，普朗克常量则是光子能量与频率之间的比例系数。光的直线传播和反射是几何光学中的基本概念。光在同一种均匀透明介质中沿直线传播，而在介质中的传播速度要小于在真空中的速度。光的反射是指光从一种介质射到另一种介质的界面上再返回原介质的现象。反射定律规定反射光线、入射光线和法线在同一平面内，反射角等于入射角。光滑平面上的反射叫做镜面反射，而粗糙平面上的反射则是漫反射。所有几何光学中的光现象，光路都是可逆的。光的折射是光从一种介质斜射入另一种介质，传播方向发生改变的现象。折射定律规定入射光线、折射光线和法线在同一平面内，折射角与入射角的正弦比等于两种介质的折射率之比。全反射是指光从一种介质射入另一种介质时，当入射角超过一定角度时，光将全部反射回原介质中，不发生折射。总的来说，人类对光的本性认识不断发展不断深化，从光的微粒说到波动说再到波粒二象性的认识历程，我们逐渐认识到光的本性是多方面的。光的干涉、衍射、折射、全反射等现象都能够用不同的理论解释，而光子说更是对光的本性提出了全新的认识。中心线作为对称轴)，便于确定光线的偏折角和折射角。2.光的色散现象光的色散是指不同颜色的光在通过介质时，由于折射率的不同而产生的偏折角不同的现象。一般来说，光的折射率与波长有关，不同波长的光在介质中的折射率不同，因此会产生色散现象。在三棱镜中，不同颜色的光线会被分离出来，形成彩虹色的光谱。光的色散现象在光学仪器中有着广泛的应用，如光谱仪、分光计等。3.光的衍射光的衍射是指光通过狭缝或物体边缘时，光波会发生弯曲和干涉现象，产生新的波前，使光线发生偏折和扩散的现象。光的衍射是光学中重要的现象之一，广泛应用于光学仪器的设计和制造中。光的衍射也是研究光的波动性质的重要手段之一。4.光的干涉光的干涉是指两束或多束光波相遇时，由于波的叠加而产生明暗相间的条纹、彩色环等现象。光的干涉是光学中的重要现象，广泛应用于光学仪器的设计和制造中，如干涉仪、Michelson干涉仪等。光的干涉也是研究光的波动性质的重要手段之一。光学中的一个现象是色散现象，即一束白光经过三棱镜折射后会发生色散现象，在光屏上形成七色光带。不同颜色的光偏折程度不同，红光偏折最小，紫光偏折最大。在同一介质中，七种颜色的光与折射率、全反射的临界角、传播速率、侧移、频率、波长、双缝干涉条纹间距和衍射现象等物理量有对应关系。全反射棱镜是横截面为等腰直角三角形的棱镜，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90度或180度。需要注意光线在哪个表面发生全反射。玻璃砖是横截面为矩形的棱柱，当光线从上表面入射，从下表面射出时，会发生色散现象，并产生侧移，侧移的大小与折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关。可以利用玻璃砖测定玻璃的折射率。光导纤维是利用全反射的应用之一，有内、外两层材料，内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。不同的光学元件对光路的控制特征不同。光束经平面镜反射后，其会聚（或发散）的程度将不发生改变。光束射向三棱镜，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是向着底边偏折，若光束由复色光组成，会发生色散现象。光束射向前、后表面平行的透明玻璃砖，经前、后表面两次折射后，其传播方向不变，只产生一个侧移。光学是一门研究光的传播、反射、折射、干涉等现象的学科。在光学中，透镜是一种重要的光学元件。光束射向透镜，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是：凸透镜使光束会聚，凹透镜使光束发散。在光学中，不同的光学镜有不同的成像特征。物点发出的发散光束照射到镜面上并经反射或折射后，如会聚于一点，则该点即为物点经镜面所成的实像点；如发散，则其反向延长后的会聚点即为物点经镜面所成的虚像点。因此，判断某光学镜是否能成实（虚）像，关键看发散光束经该光学镜的反射或折射后是否能变为会聚光束（可能仍为发散光束）。平面镜的反射不能改变物点发出的发散光束的发散程度，所以只能在异侧成等大的、正立的虚像。凹透镜的折射只能使物点发出的发散光束的发散程度提高，所以只能在同侧成缩小的、正立的虚像。凸透镜折射既能使物点发出的发散光束仍然发散，又能使物点发出发散光束变为聚光束，所以它既能成虚像，又能成实像。在几何光学中，光路问题是重要的研究内容。几何光学是借用“几何”知识来研究光的传播问题的，而光的传播路线又是由光的基本传播规律来确定。所以，对于几何光学问题，只要能够画出光路图，剩下的就只是“几何问题”了。而几何光学中的光路通常有如下两类：成像光路和视场光路。光的波动性是光学中的重要内容之一。光的干涉现象是光的波动性的重要表现形式。两列波在相遇的叠加区域，某些区域使得“振动”加强，出现亮条纹；某些区域使得振动减弱，出现暗条纹。振动加强和振动减弱的区域相互间隔，出现明暗相间条纹的现象。这种现象叫光的干涉现象。产生稳定干涉的条件是两列波频率相同，振动步调一致（振动方向相同），相差恒定。两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。产生相干光源的方法有利用激光和分光法。分光法是将一束光分为两束频率和振动情况完全相同的光，这样两束光都来源于同一个光源，频率必然相等。下面的四个图分别是利用双缝、楔形薄膜、空气膜和平面镜形成相干光源的示意图。点(或缝)光源分割法：杨氏双缝(双孔)干涉实验；利用反射得到相干光源：薄膜干涉。通过双缝干涉实验，由同一光源发出的光经过两个狭缝后形成两列光波叠加产生。当这两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时，即δ=kλ，该处的光互相加强，出现亮条纹；当到达某点的路程差为半波长奇数倍时，即δ=(2n-1)λ/2，该点光互相消弱，出现暗条纹。条纹间距与单色光波长成正比，即Δx=λd/(2l)，其中λ表示波长，d表示狭缝间距，l表示狭缝到屏幕的距离。因此，用单色光作双缝干涉实验时，屏的中央是亮纹，两边对称地排列明暗相同且间距相等的条纹。用白光作双缝干涉实验时，屏的中央是白色亮纹，两边对称地排列彩色条纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。这是因为不同色光产生的条纹间距不同，出现各色条纹交错现象。如果遮住其中一条缝，将出现明暗相间的亮度不同且不等距的衍射条纹。薄膜干涉现象是光照到薄膜上，由薄膜前后表面反射的两列光波叠加而成。劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹。两列反射波的路程差Δδ等于薄膜厚度d的两倍，即Δδ=2d。由于膜上各处厚度不同，故各处两列反射波的路程差不等。若Δδ=nλ(n=1,2…)则出现明纹。若Δδ=(2n-1)λ/2(n=1,2…)则出现暗纹。应注意，干涉条纹出现在被照射面(即前表面)，后表面是光的折射所造成的色散现象。单色光明暗相间条纹，彩色光出现彩色条纹。薄膜干涉应用包括肥皂膜干涉、两片玻璃间的空气膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛顿环、蝴蝶翅膀的颜色等。透镜增透膜(氟化镁)是一种薄膜，其厚度应是透射光在薄膜中波长的1/4倍。这使得薄膜前后两面的反射光的光程差为半个波长(ΔT=2d=½λ，得d=¼λ)，因此反射光叠加后减弱。这大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度，因此这种薄膜叫做增透膜。光谱中央部分的绿光对人的视觉最敏感，通过时完全抵消，而边缘的红、紫光没有显著削弱。所有增透膜的光学镜头呈现淡紫色。从能量的角度分析，E入=E反+E透+E吸。在介质膜吸收能量不变的前提下，若E反=0，则E透最大。这增强了透射光的强度。“用干涉法检查平面”：通过干涉法可以检查平面的光滑程度。在两个平板之间形成一层空气膜，通过单色光从上方照射，如果平面光滑，则干涉图样会呈现等间距的条纹。如果某处凸起，则对应的明纹会提前出现，如果某处凹下，则对应的暗纹会延后出现。需要注意的是，只有采用特殊方法从同一光源分离出的两列光叠加才能产生干涉现象。光的波长、波速和频率的关系是v=λf。光在不同介质中传播时，其频率f不变，其波长λ与光在介质中的波速v成正比。色光的颜色由频率决定，频率不变则色光的颜色也不变。光的衍射现象是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象。单缝衍射会呈现中央明亮、两侧对称排列强度减弱的条纹，而圆孔衍射会呈现明暗相间、不等距的圆环。泊松亮斑是指当光照到不透光的极小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑。在形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，使轮廓模糊不清。产生明显衍射的条件是障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，会有明显的衍射现象。当Δd=0.1mm=1300λ时，看到的衍射现象就很明显了。光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区别。单色光的衍射条纹与干涉条纹都是明暗相间分布，但衍射条纹中间亮纹最宽，两侧条纹逐渐变窄变暗，干涉条纹则是等间距、明暗亮度相同。白光的衍射条纹与干涉条纹都是彩色的。光的干涉和衍射现象是波的特征，证明了光具有波动性。当波长较大时，干涉和衍射现象不太明显，越容易观察到这些现象。衍射现象表明光沿直线传播只是近似规律，当光波长比障碍物小得多和情况下，光才可以看作直线传播。在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。光的直进是几何光学的基础，光的衍射现象并没有完全否认光的直进，而是指出光的传播规律受一定条件制约的。光的偏振是指波只沿某个特定方向振动的现象，只有横波才会出现偏振现象。实验表明，光具有偏振现象，因此光波是横波。自然光是太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同。自然光通过偏振片后成形偏振光。偏振光只沿一个特定的方向振动，自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90度，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。偏振片是由特定材料制成，它上面有一个特殊方向，只有振动方向和透振方向平行的光波才能通过偏振片。光的偏振进一步证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。偏振光在立体电影、照相机的镜头、消除车灯的眩光等方面有广泛应用。光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在，并得到电磁波传播速度的理论值3.11×108m/s，这和当时测出的光速3.15×108m/s非常接近。在此基础上，麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，即光的电磁说。赫兹在电磁说提出20多年后，用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播速度确实等于光速，并测出其波长与频率，并且证明了电磁波也能产生反射、折射、衍射、干涉、偏振等现象。用实验证实了光的电磁说的正确性。光的电磁本性被揭示，光是一定频率范围内的电磁波，把光现象和电磁学统一起来，说明光与电和磁存在联系。光能在真空中传播的原因是电磁场本身就是物质，不需要别的介质来传递。电磁波谱按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光(七色)、紫外线、X射线、γ射线。不同种类的电磁波产生的基本原理、性质和用途各不相同。其中包括无线电波、红外线、可见光、紫外线和伦琴射线等。它们的频率和波长在一定程度上有所重叠和交错，但是它们的特性和用途都是有规律可循的。无线电波的频率范围在104～3×1012Hz之间，波长在3×1014～104m之间。它们主要应用于通讯、广播、导航等领域。通过热效应激发荧光或利用贯穿本领可以实现无线电波在LC电路中自原子的外层电子受到激发的目的。可见光是人类能够直接观察到的电磁波，波长在3.9×1014～7.5×1014m之间。它们的波动性较强，可以引起视觉化学作用、荧光效应、杀菌等。可见光的应用领域非常广泛，包括照相、照明、医疗等。红外线的波长在7.7×10-7～3.9×10-4m之间，主要性质是具有热效应，可以用于加热、烘干、遥感、测量等领域。黑光灯和日光灯都是利用红外线的特性来实现照明的。紫外线的波长在4×10-7～7.5×10-7m之间，可以引起化学反应和荧光效应。它们的应用领域包括手术室杀菌消毒、治疗皮肤病等。伦琴射线的频率范围在1016～3×1020Hz之间，波长在10-11～10-15m之间。它们具有贯穿本领最强的特性，可以用于探测、治疗等领域。除了可见光外，其他电磁波的特性和应用也各不相同。例如，激光是人工产生的相干光，具有平行度和方向性非常好的特点，可以应用于光纤通信、激光测距雷达、激光切割等领域。吸收光谱可以反映出物质的化学组成，可用于光谱分析等领域。总之，电磁波是一种非常重要的物理现象，对于人类的生产生活和科学研究都有着重要的意义。红外线可以被任何物体发出，并产生热效应。它在遥感、遥控和加热方面有着广泛的应用。紫外线则可以被高温物体发出，并产生化学效应，如荧光、杀菌和合成V等。X射线和阴极