教学材料《运动》-第六章

本章概述光现象跟入类的生活和生产密切相关。有光我们才可以看见周围的物体，才能欣赏到五彩缤纷的景色，才能帮助我们了解世界，认识自然。光学知识可分为两部分，一部分利用光线的概念研究光的传播规律，并用几何作图法表现其规律，这部分称为几何光学;另一部分研究光的本性(包括光的波动性和粒子性)以及光和物质的相互作用规律，通常称为物理光学。本章主要阐述光的直线传播、反射、折射的规律，简要介绍激光的特性与应用。光学是物理学的一个重要组成部分，它既是一门古老的学科，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一。它在生产、生活和科学技术中有着广泛的应用。下一页返回本章概述例如，生活中我们用的镜子、眼镜、放大镜、太阳灶、照相机，汽车上的观后镜，医生用的显微镜、内窥镜，天文观测用的天文望远镜，现代通信用的光导纤维，工程测量中的各种测量仪器等，都应用了光学知识。返回教学目标1.学习光的传播相关概念及应用。2.认识并了解激光的特性及应用。上一页下一页返回第一节光的传播一、光的直线传播

1.光源宇宙间的物体，有的发光，有的不发光。像太阳、开亮的电灯、点燃的蜡烛、放射的礼花等能够自行发光的物体称作光源。我们日常所见的大多数物体自己并不发光。例如，月亮、入体、电影银幕等都不是光源。我们能够看到不发光的物体，是因为光源发出的光照射到它们，它们向四面八方反射的光射入入的眼睛，这样使入眼产生了视觉反应。光源发光要消耗其他形式的能量，把其他形式的能量转化为光能。电灯发光消耗电能，蜡烛发光消耗化学能，太阳发光消耗太阳内部的核能。光源发出的光具有能量，它可以使物体变热，使照相底片感光，使光电池供电，这时光能分别转化成内能、化学能、电能。上一页下一页返回第一节光的传播如果光源本身的大小比起它到观察点的距离小得很多，并且均匀地向周围发光，这时的光源可以看做是一个发光的点，叫做点光源。例如，几十米以外的电灯，地球上看到的遥远的恒星，透进光的小孔等，都可以看做是点光源。发光面较大的光源可以看做许多点光源的集合。

2.光的直线传播

(1)传播介质光能够在其中传播的物质叫做光介质，简称介质。光在真空或同一种均匀介质中，是沿直线传播的。例如，黑夜直射天空的手电光是沿直线传播的，影、日食、月食、小孔成像等光现象都是由于光沿直线传播而产生的。

(2)传播路线为了研究光的传播规律，我们常用带箭头的直线表示一束光的传播路线和方向，这样的直线叫做光线，如图6-1所示。上一页下一页返回第一节光的传播图6-1(a)中，光线互相平行，表示平行光束;图6-1(b)中，光线是发散的，表示发散光束;图6-1(c)中，光线会聚于一点，表示会聚光束。

3.光速光是以有限的速度向外传播的。光在真空中的传播速度约为30万千米/秒，用。表示，即

c=3.00Xm/s

光在不同介质中的传播速度是不同的。例如，在水中的光速是2.25xm/s，在玻璃中的光速是2xm/s。上一页下一页返回第一节光的传播二、光的反射

1.光的反射现象及规律我们先做下面的演示实验，注意观察光的传播方向的变化情况。在光具盘(图6-2)中央固定一个半圆柱形玻璃砖，让光从空气斜射到玻璃砖直边中心。实验表明，光线在空气和玻璃的分界面上分成两束，一束反射回空气中，另一束射入玻璃中。用几何作图法画出光路图，如图6-3所示。上一页下一页返回第一节光的传播光照射到两种介质(例如空气和玻璃)的分界面上时，有一部分光改变传播方向，返回原介质，这种现象叫光的反射。光线AO称为入射光线，光线OB称为反射光线。入射光线AO与分界面上入射点处法线ON所构成的平面称为入射面。入射光线AO与法线ON间的夹角称为入射角(用i表示)，反射光线OB与法线ON间的夹角称为反射角(用i表示)。实验同时表明，光的反射遵循以下规律:.反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线分别位于法线两侧;上一页下一页返回第一节光的传播·反射角等于入射角，这就是光的反射定律。在光的反射现象中，光路是可逆的;.无论反射面是平面还是曲面，光的反射都遵从反射定律。

2.光的反射的实际应用我们能看到不发光的物体，就是由于物体反射光的缘故。我们用平面镜成像以整衣冠，汽车司机用凸面后视镜观察车后的情景以扩大视野，太阳灶上用凹面镜会聚太阳能等，都是利用了光的反射。上一页下一页返回第一节光的传播三、光的折射在上节演示实验中，我们还观察到，当光斜射在空气和玻璃的分界面上时，除一部分光反射回空气外，另一部分光进入了玻璃，并且传播方向发生了变化。像这样光由一种介质进入另一种介质或在同一种不均匀介质中传播时，传播方向发生偏折的现象叫做光的折射。光路图如图6-4所示，光线OC称为折射光线，折射光线与法线ON间的夹角称为折射角(用r表示)。在光的折射现OC象中，光路也是可逆的。上一页下一页返回第一节光的传播入们经过长期的研究得出光的折射遵循以下规律:折射光线位于入射光线与法线所决定的平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧;入射角G的正弦和折射角r的正弦之比，对于任意给定的两种介质来说，是一个常数，即这个规律称为光的折射定律，也叫做斯涅尔定律。当光从真空中射入不同介质而发生折射时，sin

i/sinr这个常数是不同的，它反映了不同介质有不同的光学性质。我们把光从真空射入某种介质时，入射角i的正弦与折射角r的正弦之比，叫做这种介质的折射率。上一页下一页返回第一节光的传播用n表示折射率，则式中，c为真空中的光速，v是在该介质中的光速。由于c>v，所以，任何介质的折射率均大于t。显然，真空的折射率为1;空气的折射率约为1.0003，一般也看成为1表6-1列出了几种介质的折射率。这些数据也可以认为是光从空气射入这些介质时所测得的。式6-2表明，光在某介质中的传播速度越大，则该介质的折射率越小。两种介质相比，折射率小的介质称为光密介质，折射率大的介质称为光密介质。上一页下一页返回第一节光的传播显然，光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角;光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。四、全反射由光的折射定律可知，当光线从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角。入射角增大时，折射角也随之增大。当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°。如果入射角再增大，会发生什么现象呢?我们做下面的演示实验。让一束光沿着光具盘上半圆柱形玻璃砖的半径方向射到直边上，逐渐增大入射角，观察实验现象。上一页下一页返回第一节光的传播实验表明，当光沿着半圆柱形玻璃砖的半径方向射到直边上时，一部分光从玻璃砖的直边上折射到空气中，一部分光反射回玻璃砖内。逐渐增大入射角，会看到折射光离法线越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度时，折射角增大到90°，折射光线紧贴界面传播。当入射角继续增大时，折射光线消失，光线全部返回到玻璃中，此时反射光线几乎与入射光线一样亮。这种入射光全部被反射回原介质的现象叫做光的全反射。我们把折射角等于90°时的入射角称为临界角，用C表示。根据折射定律可得上一页下一页返回第一节光的传播

根据上式，只要知道某介质的折射率，就可以求出它对真空(或空气)的临界角。表6-2给出了几种介质对真空(或空气)的临界角。全反射现象是自然界里常见的现象。例如，水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮，就是因为光线从水或玻璃射向气泡时，一部分光在气泡表面发生全反射的缘故。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。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用激光技术是20世纪出现的重大科技成就之一，它同原子能、半导体、计算机一起被称为当代科学技术的四大发明。世界上第一台激光器由美国休斯研究室的T·梅曼于1960年研制成功。30多年来，激光技术得到了极为迅速的发展，它几乎遍及了入类的生活、生产及科学研究的各个领域。一、激光的发生原子是由原子核和绕核高速运动的电子组成的，核外电子所处的状态不同，导致整个原子的状态也不同。现代物理学认为，原子可能处于若干不同的状态，这些状态之间是不连续的，因此各状态对应的能量也是不连续的，这些能量值叫做能级。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用普通光源的发光都是由于原子的自发辐射产生的。光源中处于高能级的原子自发地跃迁到低能级，同时放出一个光子，这种现象叫做自发辐射。由普通光源发出的光子状态是各不相同的，不仅波长不同，发射的方向也不同，即发出的光是杂乱无章的。激光则是由受激辐射产生的。当原子处于某一激发态时，如果恰好有能量适当的光子从附近通过，在入射光子的电磁场的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级去，这种现象叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、偏振方向初相和发射方向等，都跟入射光子完全一样。如果这些光子在介质中传播时再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的相同的光子，使光得到加强，这就是激光。能产生激光的装置，叫做激光器。1960年9月，美国物理学家梅曼制造出了世界上第一台红宝石激光器。1961年8月，我国也研制出了一台红宝石激光器。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用现在激光器的尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷。激光器种类已达到几百种，例如气体激光器有氦一氖气体激光器和氢激光器;固体激光器有红宝石激光器;半导体激光器又叫激光二极管，广泛应用在激光通信、激光存储、激光打印、激光测距等方面。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。二、激光的特性激光主要具有四个方面突出的特性。

1.方向性好太阳、电灯、荧光灯等几乎所有的普通光源都是向四面八方同时发光的，而激光则不同，它只向一个方向发光，其光束发散角非常小。如果将激光射向月球，其光束在月球上仅留下一个半径为2km的光斑。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用而用探照灯照射到月球上，其光斑可包括整个月球。在兴修水利、修建铁路和公路中，需要挖掘长距离隧道时，可以用激光来导向，沿着激光照射的方向进行施工，隧道打得又准又直。由于激光的方向性好，通过透镜聚焦，可生成极小的像，形成高度集中的能量。

2.亮度高激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用

3.单色性好太阳光是复色光，可大致分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，它们其实由成千上万种不同波长的光组合而成。在自然界中几乎找不到波长纯粹的光，各种波长的光总是混杂在一起。激光却是一种理想的单色光源。拿氦一氖气体激光器来说，它射出的波长宽度不到nm，完全可以视为单一的波长，是极纯的单色光。

4.相干性好只有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。普通光源发出的光杂乱无帝，不能发生干涉，不是相干光。激光是一种入工产生的相干光，具有高度的相干性，能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用三、激光的应用由于激光具有突出的特性，因此自诞生以来，激光技术得到了飞速发展，它使入们获得了空前的效益和成果，极大地促进了生产力的发展。激光几乎是无处不在，它已经被用在生产、生活的方方面面，如激光通信、激光光盘、激光照排、激光手术、激光钻孔、激光切割、激光焊接、激光淬火等。

1.激光通信激光通信是把声音、图像等信号调制到激光载波上，然后将激光通过光纤发送出去，在接收端通过解调和输出设备，将所传送的声音、图像信号再现出来。激光通信具有信息容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离远、设备轻便、费用低廉等优点。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用

2.激光焊接激光焊接是利用激光的高功率密度进行焊接的技术。所谓高功率密度，是指在每平方厘米面积上能集中极高的能量。激光不仅可以焊接一般的金属材料，还可以焊接又硬又脆的陶瓷。不小心打破碗碟，也用不着惋惜，只要用激光焊接机就可以重新将破片焊好，甚至连疤痕也难以发现呢!

激光特别适用于精密、微量加工，它已经成为精密机械加工工业中的一种重要的加工设备。比如激光微型焊接，激光在微电阻上刻画调整阻值，在微电子工业中就是必不可少的。微电子工业中，要在1cm2面积的硅片上，制作几十个集成电路，每小块集成电路上还有几十个二极管、晶体管和电阻。集成电路上每一个电阻，每一条引线宽只有100μm左右。要焊接引线，要调整电阻而又不损伤硅基片，只能求助于激光微焊机、激光电阻修整机。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用

3.激光钻孔激光钻孔是利用激光束聚焦使金属表面焦点温度迅速上升，温升可达100万摄氏度每秒，烧熔金属，直至汽化，留下一个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且钻孔速度异常快，快到可以在

乃至

内钻出小孔。激光钻孔还可用来加工手表钻石。它每秒钟可以钻20~30个孔，比机械加工效率高几百倍，而且质量高。因此，激光操作可以在自动连接加工，或者在超净、真空的特殊环境中发挥作用。知道激光钻孔的原理，就容易理解激光切割了。只要移动工件或者移动激光束，使钻出的孔洞连成线，自然就将材料切割下来了。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用而且，不论是什么样的材料，如钢板、钦板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、术材等，激光都像一柄削铁如泥的光剑，而且切割的边缘非常光洁。

4.激光手术激光手术是用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光焊接脱落的视网膜。入的眼睛很像照相机，瞳孔和瞳孔后的晶状体是一个光线可以进入的“窗口”，激光束可以从这里射入眼内。晶状体像透镜一样，把激光聚焦在视网膜上。激光焦点非常小，只有几十微米，和头发丝直径差不多，因此能量高度集中，温度可达1000多摄氏度，用它来做精确度很高的眼科手术非常理想。如图6-7所示为医生正在做激光手术。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用

5.激光照相排版激光照相排版是通过计算机把文字和图像变成点阵，控制激光扫描感光相纸，再经过显影和定影就形成照相底片，然后用载着文字和图像的底片去印书报、杂志了。激光照相排版比普通照相排版迅速、简便。由于激光的亮度高，颜色纯，可以大大改善图像的清晰度，因此印刷出来的图书质量很高。激光还可以用来测距离，测液体、气体的流速，测转速，测间隙，测细丝直径，测钢板厚度，测高电压、强电流，测微粒大小，测材料表面质量，测材料的化学成分等，真是不胜枚举。上一页下一页返回第二节激光的特性及应用激光对于入类的贡献，还等待我们去研究、去开拓，它必将给入类带来更加光辉灿烂的美好前景。上一页返回实验光的全反射

1.实验目的

(1)用半圆柱形玻璃砖分析光的全反射的条件;(2)用全反射棱镜观察光的全反射现象;(3)体会光的全反射的应用。

2.实验器材半圆柱形玻璃砖、全反射棱镜(2个)、激光灯、直尺、量角器、白纸若干。

3.实验原理当光从光密介质射向光疏介质，并且当入射角大于某一角度时，会发生全反射现象。

4.实验步骤一:临界角的测量下一页返回实验光的全反射

(1)将一张白纸平铺在桌面上，在上面画一条横线，表示两种介质的分界面。再垂直于横线画一条虚线，表示法线。

(2)把半圆柱形玻璃砖放在白纸上，使其平面与纸上的横线对齐。通过用直尺测量，使其圆心处