技术物理 上册（第四版）教案 第11章 光学基础

第11章光学基础

引言：从东方地平线上升起的太阳的光辉，使我们看见周围的世界。光帮助我们认识

物体，了解物体结构，人类的一切活动都和光息息相关，有光万物才能生长发育，生活才丰

富多彩。早在公元前400多年，中国的《墨经》中就记录了世界上最早的光学知识。随着历

史的进展，光学已发展成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。

本章我们主要介绍光的折射规律，通过学习使你对光的折射原理、光的全反射、光学

元件、光导纤维、光学仪器等有一个比较全面的认识；其次介绍曾经争论了几百年的关于光

的本性的认识，初步回答“光是什么”这个问题：最后，学习激光及其应用方面的知识。

11-1光的折射

一、教学目标

1.理解光的折射概念

2.理解光的折射率

3.能应用折射定律进行正确计算

4.能将理论用于生活，学会思考、分析、解决问题。

二、教学重点难点

重点：折射概念，折射定律的应用

难点：折射定律的应用

三、教学器材

玻璃容器，水，筷子，硬币

四、教学建议

牧法建议

讲解，演示实验，讨论

数学设计方案

（一）引入新课

用实验引入新课

1.拿出玻璃容器，并洛容器盛满水，将一支筷子放进，筷子在进入水面处发生了明显的

弯折如图1所示

图1水中的筷子“弯折”

2.将一枚硬币放在容器底，找一同学从某一角度观察时，看不到容器底部的硬币，保持

眼睛和容器的位置不变，另一同学向容器中注入清水，当水面上升到一定高度时，就能看见

容器底部的硬币。（图2水中的硬币“变浅”）

图2水中的硬币“变浅”

（二）引出课程内容

L光的折射

前面试验现象的产生，是因为光从一种介质（如空气）进入另一种介质（如水或玻璃）

时，光传播的方向发生了攻变。

定义光从一种均匀介质进入另一种均匀介质时，传播方向在界面处发生改变的现象

称为光的折射。

2.复习介绍几个物理概念

（1）法线

跟界面垂直的的线

（2）入射角、折射角

入射光线跟法线之间的夹角称为入射角、折射光线跟法线之间的夹角称为折射角。当光

在两种介质界面发生折射时，折射光线、入射光线和界面法线在同一平面内，折射光线、入

射光线分居法线两侧。

图3光的折射

3.请同学们再观察一个实验：

拿出光具盘：当改变入射光的方向时，反射光，折射光的方向也都发生改变。

图4光具盘上的折射实验:

理论可以证明，虽然入射角的大小发生变化时，折射角的大小也在做相应的变化，但是

入射角（a）正弦和对应的折射角（/）正弦之比不变，为一常数，

即任4=C

sin/

这就是光的折射定律。

描述折射定律的方法是由荷兰科学家斯涅尔在1621年确定的。

理论和实践还可以证明，如果光在介质I、II中的传播速度分别为q和％,那么光从

介质I斜射入介质U时，有

sinau}

sinyu2

sin（y

由于光在不同介质中的传播速度不同，因此，——=c中的常数值也各不相同,

sin/

4.光路的可逆性

筷子斜插入盛水的容器中时，我们看到筷子在水面处发生弯折，这是由于折射的缘故；

如果筷子垂直插进水中，它将不发生疗折。让光线逆着原来折射光线的方向射入，它将会逆

着原来入射光线的方向射出，这说明在折射现象中，光路也是可逆的。光路的可逆性常用来

分析和解决光传播中的问题。

5.折射率

⑴折射率

我们把光从真空射入某种介质时，入射角。的正弦与折射角/的正弦之比，称为这种

介质的绝对折射率，简称折射率，用〃表示。

介质不同时•，折射率一般也不同，例如，水的折射率“=1.33,冕牌玻璃的折射率n=\.51。

由实验可以证明，介质的折射率等于光在真空中的速度。与光在该介质中传播速度u之

比，即

n=c/u

由于光在任何介质中的传播速度都小于光速，所以介质的折射率总是大于1,在空气中

所以空气的折射率可以取为1。

（2）折射率可以用来比较各种介质偏折光线的程度

光在某介质中的速度越小，该介质的折射率就越大，光进入该介质时的偏折程度也越

大。因此，可以用折射率来比较各种介质偏折光线的程度。常见的几种介质的折射率在教材

中表11-1列出。

（3）折射定律常用的形式

由〃二c/u可推导出

巳二一七二一

«1〃2

L>)_c/_n2

u2c!n2/?!

sinaU]

根据式-----=，有

sinyu2

sina_n2

siny%

/sina=n2sin/

这是折射定律常用的形式。

6.光疏介质，光密介质

两种介质相比较，折射率较小的，称为光疏介质；折射率较大的，称为光密介质。

光疏介质和光密介质是相对的，例如，水与玻璃比较是光疏介质，而与空气比较就成

了光密介质。

例题1游泳池水深h,垂直水面往下看，其视深川为多少？（设水的折射率为n）

解从池底一点S发出两条光线，一条垂直射出水面，另一条入射角为a,折射角为7

（如图所示）。这两条光线折射线的反向延长线的交点S，即S的像，像的深度变浅了。

A0A0

在AASO中，tana=---；在AAS中，tany=----«

OSosf

ft/,/tanah

因为（）S=//,Os,----=—贝rlIl

tanyh

图5例题1图

一tana,

视源h------h

tan/

垂直水面往下看时，a、/都很小，所以

taila«sinatan/»siny

八2」

sin/n

例题2有一长方形容器，高30cm,宽40cm,在容器的底部平放着一把长40cm的刻

度尺，人眼在容器右侧S点观察，视线沿着SA斜向下刚好能看到刻度尺R的左端零刻度（）

点，现保持眼睛的位置不变，向容器内倒入某种液体，当容器中盛满某种液体时，人眼恰能

看到刻度尺上20cm处（B点），试求容器中液体的折射率

解由题中所给条件，不倒入液体时，SA连线直指零刻度0点。

倒入液体后，刻度尺上20cm的B处发出一条光线入射到液体和空气的交界面上的A点，折

射后沿AS进入眼睛，如图所示

图6例题2图

则

.OD404

sma==,==—

OA7402+3025

BD202

siny=----=,—=—=

BAV2O2+3O2VB

4

sina52r-r...

n=------=—^―=—xV13=1.44

sin/5

至

此例告诉了我们一种测量液体折射率的简便方法。

（三）小结

1.折射定律折射光线、入射光线和界面法线在同一平面上，折射光线和入射光线分居

法线两侧，入射角（。）正弦和对应的折射角（7）正弦之比不变，为一常数

口sinct

即:——=常数。

sin/

在折射现象中，当入射角为0。时，折射角也是0。，这是一种特殊情况。

折射定律还可以表示为

“Isina=n2sin/

在光的折射现象中，光路是可逆的。

2.折射率光从真空（或空气）射入某种介质时，入射角a正弦和折射角/正弦之比称

为这种介质的折射率。

n=-s-in--a-

sin/

折射率反映介质折射光线的能力。

介质的折射率与介质中的速度的关系：〃=c/"

3.光密介质和光疏介质两种介质相比，折射率较小的称为光疏介质，折射率较大的

称为光密介质。

（四）作业布置

1.课堂练习p.1221、2（提问、讨论）

2.课外作业p.1233、4、5

课外阅读物理学家墨翟

（五）教学说明

1.教师需注意的问题：三角函数，几何知识。

2.学生容易在公式换算之间出错，应注意引导。

11-2光纤传光原理

-X教学目的

1.了解光的全反射原理

2.掌握光的全反射条件

3.了解光纤传光原理

二、教学重点难点

重点：光的全反射条件

难点：由折射定律计算临界角

三、教学器材

光具盘

四、教学建议

效法猥议

多媒体演示光的全反射现象，讲解，讨论

数学设计方案

（一）多媒体课件演示引入新课

草叶上露珠在阳光下晶莹透亮：透过杯壁观察盛满水的玻璃杯水面，光灿如银：水或玻

璃中的气泡显得特别明亮,

为什么会出现这一些现象呢？这些都是光的全反射引起的。

（二）引出课程内容

1.光的全反射

（1）通过下面的实验观察光发生了怎样的变化。

让一束光沿着半圆柱玻璃砖从玻璃射向空气。（见图1）,这时可以同时看到反射光线和折射

光线，这两条光线都比入射光线要弱。增大入射角，折射角也随之增大，这时折射光线越来

越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一角度0时，折射角等于90°,这时折射光线

沿两种介质的界面传播。再增大入射角，折射光线消失，只剩下反射光线，光线全部反射回

到玻璃中，如下图所示。此时的反射光线几乎与入射光线一样亮。

图1观察光的全反射现象

（2）光的全反射定义

入射光全部被反射【可原介质的现象称为光的全反射.对应于90°折射角的入射角0称为

临界角。

（3）光发生全反射必须具备的条件是：

①光从光密介质射向光疏介质：

②入射角大于临界角，

复习提问：什么叫光疏介质，什么叫光密介质？

答：两种介质相比较：折射率较小的（或光传播速度较大的）称为光疏介质；折射率较

大的（或光传播速度较小的）称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。

记住：光的全反射现象只发生在光密介质内部，如果光线从光疏介质射入光密介质不会

发生全反射。

（4）临界角的计算

同学们还记得上次课所学习的折射定律吗？（提问2到3名同学回答，并在黑板上写

下折射定律表达式）

由折射定律可以计算临界角：

sin°_n2

sin90°nx

小

sin^>=—

%

若光从某介质〃射向真空（或空气），则

1

〃2=1sin°=一

n

根据上式，只要知道某种介质的折射率〃，就可以求出它对真空（或空气）的临界角9。

书上用表11-2为我们列出了几种介质对真空（或空气）的临界角。

（5）全反射技术的应用

全反射在生产技术中有着广泛的应用。用全反射棱镜可以制造潜望镜；利用光在光导纤

维中的全反射传光、传像等更是当今世界上最先进的通信方式。

提问请同学们思考讨论：

全反射在生产技术中还有哪些广泛应用？

例题1某种玻璃的折射率々=1.52,水的折射率叫=1.33,光线如何射入，可在界面

发生全反射？临界角（p多大？

解因为玻璃相对水是光密介质，所以只有当光从玻璃射向水里时才可能发生全反射，

sine_n小1.33__

2sin(p=—=-----=0n.8o75

sin90°n]n,1.52

临界角0=61°3,

例题2在水中的鱼看来，水面上的所有景物，都出现在顶角大约为97。的倒立圆锥内

（如图2所示）,这是什么原因？它与鱼在水中的深度有关吗？

解水对•空气来说是光密介质，光线由水射向空气时可能发生全反射，其临界角可由式

sin(p=—求得：0=48.6°

图2鱼眼里的世界

光线由空气进入水中，当入射角在0°〜90°时，折射处在0°〜48.6°之间，即水面上所

有入射光线进入水中的折射光线均在顶角为97.2°（48.6°义2）的倒立圆锥内。由于动物的眼

睛总是习惯以光直线传播来确定被观察物体的位置，所以在水中的鱼看来，水面上所有景物

都出现在顶角为97°的倒立圆锥内，显然，这与鱼在水㈡的深度无关。

2.光导纤维

光导纤维简称光纤，它是利用全反射原理使光沿着弯曲路径传播的光学元件。

（1）光纤的构造及传光原理

光纤由内芯和外芯两层组成，其中纤芯直径约3〜75pm,可由玻璃、石英、塑料等材

料在高温下拉制而成。如图3所示，当光在芯线中传播时，由于包层的折射率比内芯折射率

小，所以光从芯线射向包层的过程中会发生全反射，光线就可以从光纤的一端传至另一端。

图3光纤导光

（2）光纤的应用

光纤穹曲了也能传光，所以，光导纤维为光学窥视（传光、传像）和光通信的实现创造了

良好的条件。

光纤主要应用于通信，把要传递的信号调制成光信号沿光纤传递出去，在接收端再把光

信号解调就得到了原信号。

光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一，它具有容量大，能耗低，灵敏度高，抗干扰,

保密性能好等优点。光纤柔软，体积小，重量轻，使用寿命长。一条细如发丝的光纤，可替

代25万条标准的铜质电缆线，一条光缆可以同时传送一万余路电话、上千套电视节目。光

纤通信是建立综合业务数字网（IS—DN）不可缺少的技术手段。它不仅可以在陆地上使用，而

且被广泛用于海洋。目前，跨越大西洋、北太平洋的海底光缆已投入使用，这些越洋光缆几

乎可以把整个地球环绕起来。

我国的光纤通信事业发展十分迅速，国内各大城市及西南、西北等边远地区都已敷设了

光纤通信线路，国内巨大的光纤通信网络已初步形成。总长4万km、由全球92个国际公司

投资的全世界最长、最大的国际通信光纤海缆“法新欧亚三号”，已于2000年投入使用。我

国参与了这条海缆的投资并在上海和汕头设有登陆点。

目前，光纤通信已实现全世界计算机联网，今天的电子邮件（E-moil）通过国际互联网

（【nlemel）已经把世界各地联结起来。随着网络的普及和发展，光纤通信已进入人们的工作、

生活，并将为未来的社会生活带来巨大的变化。

光纤不仅在通信技术方面取得显著成就，在传送电能方面也具有独特的优点，如果能实

现利用光纤传输电能，将能大大降低电网的造价，不仅安全可靠，而且能节约有色金属，延

长电网使用周期。

（三）小结

光的全反射

1.全反射现象光从光密介质射入光疏介质时.，随着入射角逐渐增大，折射光线离法

线越来越远，强度越来越弱，反射光越来越强。当折射角达到90''时，再增大入射角，折射

光线消失，光全部反射回入射介质。

2.发生全反射的条伤

（1）光从光密介质射入光疏介质；

（2）入射角大于临界角。

用（p表示临界角：%sine=n2sin900

3.光导纤维传光原理及光纤通信

（四）作业布置

1.p.1281、2、3、4题

2.课外阅读书上《蜃景》阅读材料

11-3常用光学元件透镜公式

一、教学目标：

1.几种常用光学元件的光路原理

2.掌握透镜成像作图法

3.掌握透镜公式及像的放大率公式

二、教学重点，难点

重点：透镜成像作图法、透镜公式及像的放大率

难点：光通过不同光学元件后，光路的改变

三、教学器材

玻璃砖，三棱镜，全反射棱镜，透镜

四、教学建议

教法建议：互动交流，讲解

教学设计方案

（一）从认识几种常用光学元件引入新课

让同学们逐一认识玻璃砖、棱镜、透镜，并让大家交流讨论：当光通过以上儿种光学元

件后，光路会发生改变吗？光路依据什么原理发生改变呢？

举出一些生活中见到的光学元件，如玻璃板、放大镜等，讨论：我们常常需要应用哪些

光学元件来改变光路？

（二）新课内容

1.常用光学元件

（1）平行透明板

两个折射面是平行平面的透明体称为平行透明板，如平面玻璃和玻璃砖等。

如图1所示，当光线从空气中沿50斜射到平行透明板的_L平面AA'时，沿OOi折射入

玻璃，再沿（）⑸折射到空气里，由折射定律可得

%sina-n2sin/n,sina]=n}sin%

图i玻璃砖光路图

因为平行透明板上下两平面AA'和BB'平行，所以过。和U的两条法线NN'和'N'

平行，故/=囚，于是有

/J,sina=勺sin%；a=%

SO与。⑸平行。由此可知，光通过平行透明板后，光传播的方向并不改变，只是发生侧向

偏移。

可以证明：平行透明板越薄，侧向移动就越小；入射角越小，偏移也越小，光垂直入射

时不发生偏移。隔着玻璃窗向外看物体，并不觉得它偏离实际位置，就是因为玻璃很薄的缘

故。

（2）棱镜

透明的三棱柱称为三棱镜，简称棱镜（如图2）。

与棱镜三条棱垂直的截面称为主截面（图3）。AB和AC是折射面，这两个面的夹角。称

为顶角，和顶角相对的BC是底面。通常用的棱镜，其主截面为等腰三角形。

棱镜的折射率大于空气的折射率，因此，进入棱镜的光线通过AB和AC折射后向棱镜底

面方向偏折。隔着棱镜观察物体，看到的是正立的、向棱镜顶角方向偏移的虚像，如图4所

7J\a

图2二棱镜图3二棱镜主截面图4棱镜成像

（3）全反射棱镜

主截面是等腰直角三角形的棱镜称为全反射棱镜。

通常用全反射棱镜来改变光路。光从棱镜的一个侧面入射时，经过一次全反射将使光路

改变90°；光从棱镜的底面垂直入射时，经过棱镜两次会反射将使光路改变180。，见图5。

图5全反射棱镜图6潜望镜图7角反射器

因为无论多么光亮的平面镜都不能做到无吸收地完全反射入射光，而棱镜在全反射时是

将光全部反射。此外，平面镜所涂的金属层随着时间的推移容易失去光泽从而减弱反射强度,

而棱镜则耐用得多。所以用全反射棱镜控制光路比平面镜好。

生活中应用的潜望镜、角反射器等都是利用全反射棱镜光路的改变光路来进行工作。

（4）透镜

折射面是两个球面（或其中一个是平面）的透明体称为透镜。

透镜分为两类：中央比边缘厚的透镜称为凸透镜，中央比边缘薄的透镜叫凹透镜。

透镜的表示法见图8。

衰不发

图8透镜及其表示法

我们只学习空气中的薄透镜，它的中央厚度比起两个球面的半径小得多。

主光轴、光心和焦点：

通过透镜两个球面球心CG的连线称为透镜的主光轴，简称光轴。

两个球面的顶点6、靠得很近，可以看作是重合在透镜中心的一点。上，这一点称为

透镜的光心。凡是通过光心的光线，传播方向不发生改变。

图9透镜的光轴和光心

凸透镜能把平行于光轴的光线会聚在透镜另侧光轴上的一点，这一点称为凸透镜的焦

点。凸透镜的焦点是光线实际会聚的点，称为实焦点。

凹透镜能把平行于光轴的入射光在透镜的另一侧发散开来，这些发散光线的反向延长线

也交于光轴上一点，这一点是凹透镜的焦点。凹透镜的焦点是光线反向延长线的交点，称为

虚焦点。

由光路的可逆性知，每个透镜有两个焦点，它们相对于光心是对称的。焦点用尸表示。

透镜焦点到光心的距离称为焦距，用F表示。焦距的大小由构成透镜的材料、透镜的形

状、周围介质的折射率及光的频率决定。

物体到光心的距离称为物距，用）表示。像到光心的距离称为像距，用//表示。

图10焦点及焦距

2.透镜成像

透镜所成的像是由物体发射或反射的光线经透镜折射后会聚成的，透镜成像的规律，可

以用儿何作图的方法以及利用成像公式计算等方法来进行研究。

（1）透镜成像作图法

物点S射出的无数条光线中，有三条特殊光线，它们经凸透镜折射后方向是确定的，所

以常被用来作图。这三条光线是：

通过光心的光线，经凸透镜后方向不变；

平行r光轴的光线，经凸透镜后通过焦点；

通过焦点的光线，经凸透镜后平行于光轴。

图U三条特殊光线

利用这三条光线中的任意两条光线的交点，就可以确定像点s，。物体是由许许多多的

物点组成的，因此用几何作图方法作出各物点对应的像点就构成了整个物体的像。

凸透镜成像的规律：

当物体到光心的距离大于2倍焦距）时，物体在凸透镜另一侧成倒立、缩小的

实像，像距在焦距与2倍焦距之间（/•</<2/），照相机成像通常属于这种情况。

当物体位于2倍焦距处时（p=2f）时，在凸透镜另一侧成倒立、等大的实像，像距

p'=2£

当物体位于焦距以外、2倍焦距以内（f<p<2f）时，在凸透镜另一侧成倒立、放大的实

像，且像距大于2倍焦距（加>2f）,幻灯机、电影放映机的光路与此相仿。

当物体位于焦点以内时（夕</），物体发出的光经凸透镜后发散，得不到实像。但这些

光线的反向延长线在透镜同侧成正立、放大的虚像。用放大镜观察物体就属于这种情况。

研究凹透镜成像时，也可以利用类似的三条特殊光线，但无论物距如何，光线经凹透镜

后总是发散的，所以只能得到虚像。并且，所成虚像总是正立、缩小的，且与物处于透镜同

一侧。

图12凸透镜成像作图法

(2)透镜公式

利用透镜成像光路图中的几何关系可以导出焦距£物距夕、像距夕,之间的关系

111

----7=一

PPf

此式称为透镜公式。

应用透镜公式时，Ap."的单位要统一，并注意各量正、负号的要求：

焦距6凸透镜焦距为正，凹透镜焦距为负；

物距夕：物距均为正：

像距夕'：实像像距为正，虚像像距为负。

(3)像的放大率

像长与物长的比值称为像的放大率，用机表示，它说明了透镜成像时像的放大情况。

由图12可得

A!B

m=-----=—

ABp

计算时，P1应取绝对值。

例题1距墙4nl处有一根点燃的蜡烛，在蜡烛与墙壁之间距蜡烛3m处放一透镜，刚

好成像在墙上，把透镜移到另一位置也能成像在墙上，求该透镜的焦距，并比较两个像的大

小。

解成像在墙上，所成像必然是实像，因此是凸透镜。其成像光路如图13。

第一次成像时，Pi=3m,px'=(4-3)m=lm,由透镜公式求得

透镜的焦距f=o.75m

根据光路可逆原理，第二次成像时必然有=1m,=0=3ni,因此，两次成像

的放大率分别为

p：1p：4Q

m}=—=—r=3

Pi3~p2p,

恤_3

ti\1/3

可见，第二次成像的像长是第一次像长的9倍。

图13例题1图

例题2一个长2cm的物体，放在焦距为18cm的凸透镜前什么位置上，才能得到长4

cm的倒立的像?要想得到长6cm的正立的像，物体应放在哪里？

解第一次所成实像的放大率为町=4/2=2,则由放大率公式有〃=2p「代入透

镜公式得

111

----F—=—p.=27cm

2PlP、18"

第二次要成正立的像，必然是虚像，由w2=〃27〃2=6/2=3,一3P2。代入透镜

公式得

—

Pi=12cm

-3p2〃218

可见，把物体放在镜前27cm,可得长4cm的倒立的实像；把物体放在镜前12cm处,

就可得到长6cm的正立的虚像。

4、课堂练习：p.1221、2题

（四）小结

1.光线通过平行透明板不改变方向，只发生平行侧移。

2.通过棱镜的光线向底面偏折，虚像向顶角偏移。

3.光垂直于全反射棱镜的任一侧面射入，都会在另一侧面产生全反射，其反射效率和

清晰度都优于平面反射镜,

4.凸透镜使光线会聚，凹透镜使光线发散。

光轴、光心、焦点、焦距

5.凸透镜成像作图法三条特殊光线

111

6.透镜公式

7.像的放大率m=—=^-

ABp

（五）作业布置

P.1331、2、5、6题《技术物理练习册》（第3版）相关习题

（六）教学说明；

如果课堂教学时间紧，例2可略去。

11-5光的波动性电磁波谱

一、教学目的：

1.了解波动的特有现象，并知道产生干涉和衍射现象的条件。

2.了解干涉和衍射现象的应用，知道光波是横波。

3.知道光的色散，了解电磁波谱、几种射线及其特点

二、教学重点、难点：

重点：干涉及衍射现象，几种射线的特征。

难点：相干光、干涉及衍射图样。

三、教学建议：

教法建议：多媒体教学、讲授

教学设计方案：

（一）引入新课

设疑提问：用什么方法可以证明光具有波动性呢？

因为干涉和衍射现象是波动的特征，如果我们能看到光的干涉和衍射现象，就证明了光

具有波动性，

（二）引出新课内容

1.光的波动性

（1）光的干涉现象〔用多媒体课件直观演示）

两列光波在空中相遇时，在不同的地点产生了稳定的加强或减弱，在相遇空间形成明暗

相间条纹的现象，称为光的干涉现象。

1801年，英国物理学家托马斯•杨川双缝实验装置成功地观察到了光的干涉现象，这

就是历史上著名的杨氏双缝实验。

图1杨氏双健干涉

让单色光通过狭缝S,从S出来的线状光束射到与S平行且等距的双缝S1、出上,穿

过双缝，、&后，就得到了两个完全相同的线状光源。在这两束线状光叠加的区域里放置屏

幕，屏幕上会出现一幅稳定的图样，它由明暗相间且等距分布的条纹构成。这就是光的干涉

现象。光的干涉现象，证实J'光具有波动性。

产生干涉现象的条件：频率相同、振动方向相同的两列光相遇时，才会出现干涉现象。

频率相同、振动方向相同的两列光称为相干光。用双缝实验等方法可以得到相干光。激

光光源可以产生相干光。

在日常生活中，我们能看到下列干涉现象：

肥皂泡或水面的薄油膜在日光照射下会呈现出美丽的彩色条纹，这是因为一列光在经过

透明薄层上、下两个面反射时，形成了两列相干光，它们互相叠加产生了干涉现象。

图2肥皂液薄膜上光的干涉现象

用酒精灯火焰的光照射附近金属丝圈上的肥皂液薄膜时，在薄膜上也能看到火焰光的

像由明暗相间的干涉条纹组成，这是由于薄膜在重力作月下形成了上薄下厚的契形，火焰光

从膜的前表面和后表面分别反射回来形成两列相干光。

光的干涉现象在精密则量和检验时有重要应用，如检验工件的平整程度就常用干涉法。

如劈尖干涉图所示，在被福查平面B上放一透明的标准样板A,在一端垫一薄片，使二者之

间形成一个楔状的空气薄层，用单色光照射时，从空气层上下两个表面反射的光波产生干涉

条纹。如果被测表面是平的，产生的干涉条纹将是一组平行直线；如果被测表面不平，产生

的干涉条纹将是弯曲的。从干涉条纹的弯曲方向和弯曲程度，可以判断出被测物体表面凸凹

的情况，测量精度可以达到IO8m。

(•>

图3干涉的应用

(2)光的衍射现象

观察多媒体演示：让一个点光源S照射带有圆孔的光屏。当孔较大时，在屏幕上看到的

是一个圆的亮点；如果缩小孔径，亮点也变小；当孔径缩小到一定程度时，我们看见屏幕上

得到的是一些以亮点为中心的明暗相间的圆环，其范围远远大于孔径。显然，光偏离了直线

传播方向。如果光照射的障碍物是一-狭缝时，在屏幕上看到的是一组以中央亮条纹为中心的

明暗相间的条纹，其宽度也远大于窄缝宽度。

这些现象说明光在传播途中偏离了直线路径，绕到障碍物后面去了。

光偏离直线传播方向而绕到障碍物后面区域的现象，称为光的衍射。

光产生衍射现象的条件：障碍物（包括小孔、细丝、狭缝等）的大小跟光的波长相当,

甚至比波长还小时，才会出现明显的衍射现象。

图4光的小孔衍射

小练习：眯起眼睛透过睫毛的缝隙或通过手指间的缝隙看发光的灯泡；隔着箪子、羽毛

或布缝去看光源；把两支铅笔紧并在一起，与日光灯平行，从铅笔中间的缝隙去看发光的日

光灯，都能看到类似的衍射图样。

衍射现象也是波动的重要特征之一，光的衍射现象又一次证明光具有波动性。

（3）光的偏振

光的干涉和衍射现象都说明光是一种波，但它是横波还是纵波呢?我们来看看横波和纵

波的主要区别：

沿绳子传播横波，当绳上的波不能通过狭缝时，这种现象称为横波的偏振。

沿绳子传播纵波，不论狭缝方向如何它都能通过狭缝，纵波的传播中没有偏振现象。

图5横波的偏振

图6纵波不发生偏振

可以用偏振片（其作用与上述带缝的木板作用相似）来鉴别光是横波还是纵波。

用偏振片A对着太阳或灯光，如图7所示，以入射光的方向为轴旋转A片，这时我们会

看到透过A的光强并不随A片的旋转而改变。把A固定，以入射光方向为轴旋转偏振片B

时，从B透射过来的光强发生周期性变化：当B片转到其一位置时，透射光最强；再由此位

9+公

图7偏振光

置转过90°,透射光最弱，几乎看不见。这一现象说明光发生了偏振。偏振是横波所特有

的现象，所以光波是横波，

偏振现象在实际生活、生产中有许多应用，比如用人造偏振片制成的太阳镜能阻挡某一

方向振动的光，使景物显得柔和浓重：看立体电影时必须戴上用两个不同方向的偏振片制的

眼镜；在化学、制药工'也中，利用偏振光通过某些物质的溶液，光振动方向会转过•定角度

的旋光现象，来精确测定该物质的浓度等等。

2.电磁波谱

人们对光的干涉、衍射和偏振现象的研究，使光的波动说获得了很大的成功，那么光究

竟是什么性质的一种波呢？

(1)光波是电磁波

在19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦根据自己对电磁现象的研究，指出光是一种

电磁波，并且是横波，它在真空中的传播速度和真空中的光速。相同。德国物理学家赫兹在

19世纪80年代，用实验证实了电磁波跟光一样，也具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等

特性，证明光是一种电磁波。

(2)光的色散

能够分解为几种颜色的光称为复色光；不能再分解的光称为单色光。

由复色光分解成单色光的现象称为光的色散。

发生色散时，各色光偏折程度不同，偏折角度最小的是红光，最大的是紫光。这说明：

在同一种介质中，各色光折射率不同，紫光折射率最大，红光折射率最小。各单色光在真空

中的传播速度都是光速c：在介质中的传播速度与其折射率有关，紫光速度最小，红光速度

最大。

0/

图8白光的色散

(3)电磁波谱

将无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和y射线按照波长(或频率)大小顺序排

列起来，就组成了范围非常广阔的电磁波谱。(电磁波谱图见教材)

无线电波包拈长波、中波、短波、微波，主要用于广播、电视、通信。

红外线最大的特点是热效应显著，常被用来加热、烘干以及进行医疗。无论白天或夜

晚都可用对红外线敏感的底片进行远距离摄影或高空摄影。利用红外线遥感技术，可以在飞

机或卫星上寻找水源、勘测地热、预报天气、监测森林火情、估计农作物的长势和收成等。

利用红外线夜视镜、红外线的准器、红外线追踪导弹等可提高部队的战斗力。我们H常使用

的电视机等家用电器的遥控器，就是对不同的按键发出不同的红外线脉冲，以达到自动选择、

调节等控制目的。

紫外线最显著的性质是荧光作用强，在它的照射下能使许多物质发出荧光，利用这一作

用人们制成了荧光灯，口光灯就是其中的一种，它的发光效率比白炽灯强2〜3倍。农业上

诱杀害虫的黑光灯也是用紫外线激发荧光物质发光的。纸币或商标常含有防伪荧光油墨，经

紫外线照射就可显现出来而。

紫外线的另一显著性质是化学效应强，很容易使感光纸感光。用紫外线照相能分辨出一

些极细微的差别，刑侦部门常用它来分析指纹。

紫外线还具有较强的生理作用，它能使细胞脱水，达到杀菌消毒的目的。阳光中含有大

量的紫外线，人体适当照射阳光对健康有益，但太强的紫外线对人的眼睛和皮肤有害。

X射线具有很强的穿透能力，在医疗和工业上有广泛的应用。在工业上可用于检查金属

内部的砂眼、裂缝等；在医学上，常用于作人体透视或拍摄人体内部组织的照片。接受过量

的X射线对♦人体有害，所以常用吸收X射线的铅板或铅玻璃来进行防护。

/射线能量极大、贯穿能力极强，它能穿透儿十厘米厚的钢板。工业上常用/射线探伤,

检杳金属部件内部情况。医疗上用/射线杀死各种病原体，放射性钻的丁射线还可用来治疗

某些癌症。y射线又被称为刀”，医院里可用它进行肿瘤切割手术。农业上利用了射线

照射种子，可使种子变异，培育出新的优良品种。y射线的辐射还能消灭或抑制农作物害虫

的生长。

射线的特征归纳如下:

名称特征主要应用

红外线显著的热效应加热、烘干、红外线遥感

紫外线荧光作用、化学效应、生理作用强辨别真伪、使细胞脱水、杀菌消毒、分析

指纹。

X射线具有很强的穿透能力检查金属内部的砂眼、裂缝等：人体透视

或拍摄人体内部组织的照片

/射线能量极大、贯穿能力极强工业探伤、杀死各种病原体、使种子变异

（三）小结

1.光的波动性

光的干涉、衍射现象说明光的波动性，光的偏振说明光是横波。

光是一种电磁波。

2.电磁波谱几种射线及其特点

（四）作业布置

P.1431、3、5、6题《技术物理练习册》（第3版）相关习题

11-6光的粒子性光的波粒二象性

一、教学目标

1.认识光的粒子性，知道截止频率

2.了解光电效应的基本规律

3.知道光既具有波均性，又具有粒子性

二、教学重点、难点

重点：光的粒子性，光的波粒二象性

难点：解释光电效应的光的量子说，光的波粒二象性所表现出的物质性质的多样性

三、教学器材

多媒体教学用光盘

四、教学建议

教法建议

互动启发、演示实验、讲授

教学设计方案

（一）引入新课

提问：光的干涉、衍射等现象使我们认识到光具有什么性质？答：波动性

设疑：在光的波动理论建立以后，人们从实验中乂发现了用光的波动性解释不了的新现

象。

用多媒体演示：

图1光电效应

让带电的锌板与验电器连接，验电器指针偏转一定角度，然后用紫外线照射锌板，验电

器原来偏转的指针闭合。这个实验现象表明锌板受到紫外线照射时，光使电子从锌板表面逸

出了。

（二）引出课程内容

1.光的粒子性

（1）光电效应：

定义：物体在光（从可见光到/射线）的照射下发射电子的现象，称为光电效应，发射

出来的电子称为光电子。

俄国物理学家斯托列夫在1888年用图2所示的实验装置研究了光电效应的规律。

%.

r-EZS—I

---O----f

1---——I

£

图2光电效应实验

图中S是一个抽成真空的玻璃容器，容器中装有阴极K（金属板）和阳极A,C为石英小

窗。当光线透过石英小窗照射在阴极K上时，从电流计上可以看到有电流通过，这些被光照

射产生的光电子在电场作用下不断由阴极K流向阳极A形成的电流称为光电流。

（2）光电效应的基本规律

提问：任何金属都会发生光电效应吗？它遵守什么规律呢？从实验中可归纳得出，光电

效应的基本规律是：

①对于每一种金属，只有在高于某一频率的光照射时，才能产生光电效应，这个频率.

称为该金属的截止频率，任何•种金属都具有各自的截止频率，比如锌的截止频率是8.065

xl（THz,用低于这个频率的光照射锌板，无论照射光多强，也无论照射时间多长，都不能

使它产生光电效应。书上用表格列出了几种金属的截止频率和对应的波长。

几种金属的截止频率和对应的波长

金属艳钙但粽ill

//Hz4.59X10"6.52X10"11.1X101412.IX10',15.1X10"

4/4m0.6540.4600.2710.2480.197

②入射光的频率大于截止频率匕）时，光电流的大小与入射光的强度成正比。

③光电子的初动能只与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关。

④光电效应具有瞬时性，只要有大于截止频率r的光照射到金属上，光电子立即发射

出来，所需时间不到ICT-。

（3）光的晟子理论

光电效应的这些基本规律用经典的电磁波理论无法得到解释。按照电磁波理论，光的能

量应该由光的强度决定而与频率无关，然而这和实验结臭又不相符。波动理论还无法解释光

电效应的瞬时性，按照波动理论，当一束很弱的光照射到金属表面上以后，应该经过一段时

间的能量积累才能有光电子从金属中逸出，怎么可能瞬间就从金属中逸出呢？

爱因斯坦正确解释了光电效应的规律，提出了光的量子学说。他认为光是由大量以光速

运动的粒子组成的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，每个光子的能量石与它的频率y成

正比，即

E=hv

式中〃是普朗克常量。

按照这个观点，频率为以的光的能量只能是/的整数倍，光子能量加，是这种光的能量

的最小单位，称为光的能量的量子化。

例题1分别计算4=0.64m的红光和4=0.1〃m的X光的光子能量。

解已知4=0.6〃m=6x10°m,=0.1nm=1()10m,则

8

£=3xl0Hz=()5*1()i5Hz

,46x10-7

叭=-^=2^121HZ=3X1O,8HZ

24IO'10

红光的光子能量为

E,=牝=(6.63xlO_34xO.5xlO,5)J=3.31xl0-'9J

X光的光子能量为

34I815

E2=hv2=(6.63X10-X3X10)J=I.99X10J

计算结果表明：X光光子比红光光子的能量大得多,

光的量子理论能很好地解释了光电效应，并说明了能量在辐射、传播和吸收的过程中是

一份一份的、不连续的，每份的能量等于万^,显示了光的粒子性。光子就是这种一份一份

的分立的能量量子。

为了解释光电效应，爱因斯坦还提出了一个公式：

1,

Av=W+—tnv^

式中Mz是入射光子能量，W是金属的逸出功，，〃町2是光电子的初动能。

2

这就是著名的爱因斯坦方程，它定最地说明了发生光电效应时的能最关系。

例题2己知钠的截止频率为4.545xl()MHz,若波长为0.4〃m的光照射在艳上，

能否发生光电效应？为什么？如能发生，试求金属钠的逸出功和光电子的初速度。

解已知%=4.545X10UHZ,4=0.4〃m=4xl0-7m,则

C3x108-t1n14u

v=—=-----7Huz=7.5x10Hz

Z4xl(r7

所以可以发生光电效应。

金属的逸出功与其截止频率相对应。利用爱因斯坦方程，令初动能为零，则

-54,419

逸出功W=/?v0=(6.63xiox4.545X1O)J=3.01xl0J

光电子的初动能为

-niu2.=hv-W=

2°c

=6.63x1OMX7.5XIO14J-3.01X1019J

=1.96xl(r19J

已知电子质量洲=9.1x1O-31kg,则

%=Jm/s=6.56x105m/s

光电子的初速度

2.光的波粒二象性

光的干涉、衍射现象充分说明了光是一种波，而光电效应又揭示了光的粒子性，那么光

究竟是波还是粒子?近代物理的理论和实验研究表明，光既具有波动性，又具有粒子性。

①光子与实物粒子有着本质的区别，比如光子始终以光速运动，而任何实物粒子的运动

都不可能达到光速。相对论证明，光子的静止质量为零，运动质量为

Ehv

fn=­=—

cc

光子的能量E=与光波的频率有关，说明光的波动性和粒子性有着紧密的联系，无

论在什么情况下，光的波动性和粒子性都是始终存在的，它既具有波动性，又具有粒子性，

我们把这种现象称为光的波粒二象性。

②光在传播过程中，一般主要表现出波动性，但是当光与其他物质相互作用时，粒子性

比较显著。光的波粒二象性说明光既不是宏观概念中的波(如机械波等)，也不是宏观概念中

的微粒。光是由一系列具有波动性的、不连续的光子流所构成的。

③一切实物粒子(电子、质子、中子等)都具有波粒二象性。1924年，法国科学家德布

罗意不仅大胆地设想了一切微粒都具有二象性，而且给出了表征其粒子性与波动性相联系的

能量片和动量p的关系式：

E=hv

h

P=—

2

式中方是普朗克常量。

后来建立起来的量子力学正是以波粒二象性的观点作为其重要基础。当然，人们对光的

本性的认识尚未完结，还有待于进一步的探索发现。

(=)小结

1.光电效应的实验规律

(1)光电效应存在截止频率，任何一种金属都具有各自的截止频率。入射光频率低于截

止频率时，无论光强多大，光照时间多长，都不能产生光电效应。

(2)光电流的大小与入射光强成正比。

(3)光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。

(4)光电效应具有瞬时性。

2.光电效应说明光具有粒子性。

3.光的波粒二象性

(1)光子与实物粒子有着本质的区别，光既有波动性，又有粒子性，是由--系列具有波

动性的、不连续的光子流所构成。

(2)光在传播过程中，波动性比较显著；在与物质用互作用时，粒子性比较显著。

(3)光具有波粒二象性。

(四)作业布置

P.1481、3、4、6题《技术物理练习册》(第3版)相关习题

(五)教学中应注意的问题

L讲述发生光电效应时，对截止频率可多举例，加深理解。

2.对于物质性质的多样性可点到为止。

11-7激光及其应用光的能量

一、教学目标

1.了解激光产生的原理

2.了解激光的特性

3.知道激光的应用

4.了解光能的利用

二、教学重点、难点

重点：激光的特性及应用

难点：激光产生的原理

三、教学器材

多媒体教学课件

四、教学建议

教法建议：启发交流、讲授、多媒体演示

教学设计方案：

（一）引入新课

激光是一种新型的光源，“激光”这个词对我们大家来说一点也不陌生。在口常生活中，

我们常常接触到激光。

激光技术已在科研、工程、医疗等许多领域广泛应月，我们通过本课学习，将会了解到

激光产生的原理、激光的特性、知道激光的应用及发展。

（二）课程内容

1.激光及其应用

（1）激光产生的原理

激光也是一种光。它与普通光，如太阳光、灯光一样，也是一种电磁波。但是激光产生

的方法与普通光不同，它是物质“受激”而产生的光。：917年，爱因斯坦在统计平衡观点

研究“黑体”辐射时，得到一条结论：“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射，

另一种叫受激辐射。”

各种各样的人造光源，例如电灯、日光灯等都属于自发辐射。各种自然现象所发射出来

的光，也都属于自发辐射，自发辐射的光，其中包含各种颜色（频率）的光，而且光的方向、

相位或者偏振态都各不相同。

激光则是原子受激辐射而发出的光，是一种新型的光源。它和普通光源的区别在于发光

的微观机制不同，普通光源的发光是以自发辐射为主，激光的发光则是以受激辐射为主。各

个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏