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自主招生光学部分 新


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一、竞赛自主招生要求
1、几何光学 光的直进、反射、折射、全反射 光的色散、折射率和光速的关系 平面镜成像、球面镜成像公式及作图法 薄透镜成像公式及作图法 眼睛、放大镜、显微镜、望远镜 2、波动光学 光的干涉和衍射(定性) 光谱和光谱分析、电磁波谱 3、光的本性 光的学说的历史发展 光电效应、爱因斯坦方程 光的波粒二象性

二、知识要点
1、光沿直线传播 (1)光在均匀介质中是直线传播,光在真空中的传播速 度为:c=3×108m/s,在其他媒质中的传播速度都小于c。 (2)影:光射到不透明的物体,在背光面的后方形成一 个光线照不到的黑暗区域,就是物体的影。在这黑暗区 域中完全照不到的区域叫做本影,只有一部分光照射不 到的区域叫半影。 本影区 日 月 B

A D
C

二、知识要点
2、光的反射 (1)光的反射定律。 (2)在光的干涉定律中,光路是可逆的。 3、平面镜成像,球面镜成像 (1)平面镜只改变光的传播方向,不改变光的汇聚或发 散程度。 (2)平面镜成像特点:像 和物关于镜面对称,因此, 对应于“实物”,平面镜 使之成一个等大小的正立 的虚像;对应于“虚物”, 平面镜使之成为一个等大 小的正立实像。

二、知识要点
3、球面镜成像 (1)反射面是球面的一部分,这种镜面叫球面镜,反射 面如果是凹面的,叫做凹面镜,简称凹镜;反射面是凸面 的叫做凸面镜,简称凸镜。 (2)球面的球心叫做曲率中 心,镜面的中心叫镜的顶点,顶 点与曲率中心的连线称为主光轴。

(3)凹镜对光线有汇聚作用,凸镜对光线有发散作用, 凹镜的焦点为实焦点,凸镜的焦点为虚焦点。
f ?

(4)由反射定律可以证明,对近轴光线,球面镜焦距: R R , 是球面的半径。其中凹镜焦距为正,凸镜焦距为负。
2

二、知识要点
3、球面镜成像 (5)球面镜成像作图中常用的三条特殊光线为: ① 跟主轴平行的入射光线,其反射光线通过焦点。 ② 通过焦点的入射光线,其反射光线与主轴平行。 ③ 通过曲率中心的入射光线,其反射光线和入射光线重 合但方向相反。

O

f

二、知识要点
3、球面镜成像

1 1 1 (6)球面镜成像公式: ? ? u v f

(符号法则为:实物u为正值,虚物u为负值;实像v为正值,虚像v 为负值;凹镜的焦距为f正值,凸镜的焦距f为负值。)

A B
O B`
f

说明1:像的长度放大率:
A`

A`B` f v m? ? ? AB u? f u
说明2:上面所得到的成 像公式只适用于近轴光线成 像。

v

u

二、知识要点
3、球面镜成像例题分析 (1)一凹面镜所成的像,像高为物高的1/3,且已知物 像间距离为1m。求凹面镜的曲率半径。
解:由于成缩小像,对于凹面镜只有两种可能,一种是实物 成实像,则物像同侧,

1 1 1 在根据成像公式: u ? v ? f
解得:R ? 2 f ? 0.75m

?u ? v ? 1 ? ?u ? 3v

二、知识要点
3、球面镜成像例题分析 (1)一凹面镜所成的像,像高为物高的1/3,且已知物 像间距离为1m。求凹面镜的曲率半径。
另一种情况是虚物成实像,则物象异侧,

1 1 1 在根据成像公式: u ? v ? f
解得:R ? 2 f ? 0.75m

?u ? v ?1 ? ?u ? ?3v

讨论:例题中如果没有指明是凹镜,则对于凸镜成缩小 像也有两种情况。

二、知识要点
3、球面镜成像例题分析 (2)一个点状物放在离凹面镜镜前0.05m处,凹球面镜 的曲率半径为0.20m,试确定像的位置和性质。
解:由球面镜成像公式及符号法则得:

R ? ?f ? 2 ? ?1 1 1 ? ? ? ?u v f ?

? v ? ?0.10m
(成虚像)

二、知识要点
3、球面镜成像例题分析 (3)在离球面镜10cm远处放一个1cm高的物体,若它 所成的像在镜后6cm处,则这个镜是______,镜面曲率半 径r=______cm,像高为_____。
解:由球面镜成像公式及符号法则得:

r ? ?f ? 2 ? 1 1 2 ? ?1 1 1 ? ? 10 ? 6 r ? ? ? ?u v f ?

? r ? ?30cm

u 1 ? ? h ? 0.6cm v h

二、知识要点
3、球面镜成像例题分析 (4)两个焦距都是f的凸面镜共主轴相对放置,如图所 示,a为平行于主光轴的光线,问两镜之间的距离L满足什 么条件时,光线a可形成循环光路?画出光路图。
解:距离为L=f,2f,3f

二、知识要点
3、球面镜成像例题分析 (5)一凸镜和一平面镜相距28cm,相对而立,在它们 的中点放一电光源S,利用遮光板使光线先由凸镜反射,再 经平面镜反射,所成的像在平面镜38cm处,求凸镜的曲率 半径。
解:由成像公式,u=14cm,v=10cm

r ? ?f ? 2 ? ?1 1 1 ? ? ? ? ? f ? ?35cm ? ?u v f ? ?r ? 70cm
S1
S

S2

二、知识要点
4、双平面镜成像个数的讨论 两个平面镜之间的物点经两平面镜成像的个数不但取决 于θ角的大小,还取决于物点所在的位置。

(1)当360o/θ为偶数时,成像的个数:
(2)当360o/θ为奇数时→ 在θ角的平分线上,物点成像的个数:n ? 在其他区域,成像的个数: n ?
2?

n?

2?

?

?1

2?

?

?1

?

(3)当360o/θ不是整数,若物点在其角分线上则成像个 数为其整数部分,如其不在角分线上则为整数部分加1。

二、知识要点
4、双平面镜成像个数的讨论 (1)如图所示,两平面镜间的夹角为70o,在两镜夹角 的平分线上有一光点S,则S在两平面镜中共能成_____个像。

360 o n? ?5 o 70

二、知识要点
5、光的折射 (1)折射定律:折射光线在入射光线和法线所决定的平 面内,折射光线和入射光线分居在法线两侧,入射角和折 射角的正弦之比是一个常量。

sin i n2 ? ? n21 sin r n1
说明:上式中的常数n21称为介质2和介质1的相对折射率,n1和n2 分别为介质1和介质2的绝对折射率,简称折射率,绝对折射率是指介质 对真空的折射率,它反映了介质的传光特性,用公式表示为:

c n? v
说明:不同频率的光在同一介质中的折射率也略有不同,紫光的 折射率要大于红光的折射率。光路依然可逆。

二、知识要点
6、球面折射成像 (1)球面折射公式:球形(一部分)折射面两侧的介质 折射率分别为n1和n2,C是球心,O为顶点,球面曲率半径 为r。设S为主光轴上的物点,它发出的某一条光线SA的入 射角为i1,折射线与主轴S`即为像点,折射角为i2。

i1

A i 2
O C
n2

n1 n2 n2 ? n1 ? ? u v r

S

S`

n1

u

v

二、知识要点
6、球面折射成像 (2)例题:体温计横截面积如图,已知细水银柱A离圆 柱面顶点O的距离为2R,R为该圆柱面半径,C为圆柱面中 心轴的位置。玻璃的折射率n=1.5,E代表眼睛,求图示横 截面上人眼所见水银柱像的位置、虚实、正倒和放大倍数。
解:依题意为球面折射问题,且

n1 ? 1.5, n2 ? 1

A
C

O

按符号规定凹面朝向入射光:r ? ?R

E

u ? 2R

2R

将上述各值代入公式:n1

n2 n2 ? n1 ? ? u v r

? v ? ?4R

二、知识要点
6、球面折射成像 (2)例题:体温计横截面积如图,已知细水银柱A离圆 柱面顶点O的距离为2R,R为该圆柱面半径,C为圆柱面中 心轴的位置。玻璃的折射率n=1.5,E代表眼睛,求图示横 截面上人眼所见水银柱像的位置、虚实、正倒和放大倍数。

A` A
C O

可见像位于距顶点O为4R的与A同 侧的位置,是正立的虚像。如图A` 就是A的正立的虚像。由于过C的光 E 线出射时不改变方向,依几何关系可 得成像的放大倍数:

2R 4R

m?3

二、知识要点
7、薄透镜成像 (1)薄透镜:折射面是两个球面,或者一个是球面,另 一个是平面的透明体,叫做透镜。通常把厚度比球面半径 小得多的透镜,叫做薄透镜。 (2)透镜的中心称为光心;过光心的直线称为光轴,其 中与透镜垂直的光轴称为主光轴,其余的称为副光轴。

主光轴 副光轴

二、知识要点
7、薄透镜成像 (3)平行于主光轴(或副光轴)的近轴光线经透镜后将 会聚(或反向延长后相交)于主光轴(或副光轴)的一点, 该点称为焦点(副焦点)。由于只讨论近轴光线,所以所 有副焦点都位于垂直于主光轴的平面内,称为焦平面。

F F F

主光轴

二、知识要点
7、薄透镜成像 (3)平行于主光轴(或副光轴)的近轴光线经透镜后将 会聚(或反向延长后相交)于主光轴(或副光轴)的一点, 该点称为焦点(副焦点)。由于只讨论近轴光线,所以所 有副焦点都位于垂直于主光轴的平面内,称为焦平面。

F

F

F

主光轴

F

二、知识要点
8、薄透镜成像作图方法 (1)三条特殊光线的作图 ? 通过光心的光线,不改变方向。 ? 平行于主轴的光线,折射后通过焦点(或反向延长线过焦点) ? 通过焦点(或对方焦点)的光线,折射后平行于主轴。 (2)一半光线的作图:通常由物点所发出的光线选画出 两条特殊的光线,即可确定像点,应注意物点上所发出的 任意一条光线,只要它经过此成像系统的作用后,必定会 经过像点。作图中也常用到平行于副光轴的光线经过透镜 作用后交于焦平面这一特点。

二、知识要点
8、薄透镜成像作图方法 (3)基本作图

A F B F A` B`

二、知识要点
8、薄透镜成像作图方法 (3)基本作图

A A` B F B` F

二、知识要点
8、薄透镜成像作图方法 (3)基本作图

S

F

F

S`

二、知识要点
9、薄透镜成像公式

1 1 1 (1)薄透镜成像公式: ? ? u v f 成像公式是几何光学中的基本公式之一,应用是应注意 以下几点:
① 在用于解决透镜成像问题时,透镜两侧的介质的折 射率应该相等。 ② 成像光线都是近轴光线。 ③ u,v,f均应按符号法则确定的正、负符号代入进行 代数运算。符号法则可以简单地概括为“实取正、虚取正” 的法则,例如,凸透镜的焦距取正值,凹透镜的焦距取负 值;实像的像距取正值,虚像的像距取负值等。 ④ 放大率:

v m? u

二、知识要点
10、简单光学仪器 (1)眼睛:

人的眼睛是一个特殊的光学仪器,它由曲率半径可 调的晶状体(即相当于凸透镜的焦距可调)、玻璃体、 视网膜(相当于成像的光屏)组成。眼睛成像的特点是: 像距基本已定,不同远近的物体都可看成像在视网膜上, 是靠自动调节晶状体的曲率来实现的。一般正常眼睛的 远点在无线远处,近点距离约为10cm,明示距离为 25cm。

二、知识要点
10、简单光学仪器 (2)近视与远视:要形成一个清晰的某物的影像(聚焦), 我们的眼睛必须使从物体反射来的光线发生屈折,使光线 直接落在视网膜上。近视者仅能看清近距离的物体,远距 离的物体看起来很模糊,这是因为图像被聚焦到视网膜的 前方了。纠正的方法是让近视者戴凹透镜,这样可使聚焦 后的光线稍向后移,恰好落到视网膜上。远视的原因是眼 球的前后径变短。近距离的物体发出的光线聚焦到视网膜 后面,这样看起来就很模糊,只有远距离物体能看清晰。 远视患可戴凸透镜,使光线稍向内折屈,帮助光线落在视 网膜上。

二、知识要点
11、例题分析 (1)一物体经焦距为24cm的凸透镜成一个放大率为1.5 的实像,求物到透镜的距离。 v 解:像是实像, m ? ? 1.5 u 1 1 1 ? ? u v f

? u ? 40cm

二、知识要点
12、内表面只反射而不吸收光的圆筒内有一半径为R的 黑球,距球心为2R处有一点光源S,球心O和光源S皆在 圆筒轴线上,如图所示.若使点光源向右半边发出的光 最后全被黑球吸收,则筒的内半径r最大为多少?

解:自S作球的切线SM,并画出S经管壁反射形成的虚像点S`,及由 S`画出球面的切线S`N,如图1所示,由图可看出,只要S`M和S`N之 间有一夹角,则筒壁对从S 向右的光线的反射光线就有一部分进入球 的右方,不会完全落在球上被吸收. 由图可看出,如果r的大小恰能使S`M与S`N重合,如图2,则r 就是题 所要求的筒的内半径的最大值.这时SM 与MN的交点到球心的距离 MO就是所要求的筒的半径r.

二、知识要点
12、……

由图2可得:r ?

R R ? cos? 1 ? sin 2 ?

由由几何关系可知: sin ? ? ?R 2R?
综上可得:

r?

2 3 R 3

二、知识要点
1、光的波动性 (1)19世纪60年代,美国物理学家麦克斯韦发展了电 磁理论,指出光是一种电磁波,使波动说发展到了相当完 美的地步。

(2)光的干涉,光的波动性。双缝干涉、薄膜干涉

光的本质是什么?

干涉现 象是波独有

的特征,假
设光真的是

一种波,就
必然会观察 到光的干涉

现象.

思考:1、干涉现象是波动独有的特征,如果光真的是一种

波,就必然会观察到光的干涉现象.你看见过光的干涉现 象吗?如果真的存在光的干涉现象,那么,光的干涉现象 的干涉图样又是怎么样?

思考:2、相邻的加强点间的距离与 什么有关?

思考:3、为什么我们在日常生活中观察

不到光的干涉现象?

水波的干涉图样

光 的 干 涉

???1801年,英国物理学家托马斯· 杨(1773~1829) 在实验室里成功的观察到了光的干涉.

托马斯· 杨
1773~1829

双缝干涉

S1、S2
相当于完全相同的波源

单 色 激 光 束

S1
S2 ΔS

P1

相干波源
P1S2-P1S1= ΔS 光程差

双缝干涉规律:
1、形成明、暗条纹的条件:
光程差:

?s ? L1 ? L2

总结:明条纹

Δs=n λ

n=0、1、2、3……

暗条纹

?s ? (2n ? 1)

?
2

n=0、1、2、3……

两狭缝之间距离d不变

L1 ? L2
屏A
屏B

L1

L2

d

为什么双缝的间距d越小,条纹的间距越大?
亮 亮

d1 ? d2

d1 亮

d2

为什么光的波长λ越大,条纹的间距越大?




2、影响相邻两明纹间的距离大小因素:
①波长λ
②狭缝之间的距离 d ③为挡板与屏间的距离 l
S1 P P1

S2

l

l ?x ? ? d

各色光在真空中的波长
光的 颜色 红 橙 黄 波长 nm 770-620 620-600 600-580 光的 颜色 绿 蓝-靛 紫 波长 nm 580-490 490-450 450-400

红光波长最大,紫光波长最小

L ?x ? ? d

3、单色光的干涉图样是:
明暗相间的条纹,相邻两明 纹的强弱、距离都差不多

4、白光的干涉图样是:
红光

?红 ? 700nm



中央是白色条 纹,两侧是彩 色条纹

兰光

?兰 ? 470nm



白光

亮暗相间彩色条纹.

小结:
1、当屏上某点到双缝的光程差是光波波长 的整数倍时,在这些地方出现亮纹 2、当屏上某点到双缝的光程差是光波半波 长的奇数倍时,在这些地方出暗纹 3、干涉条纹是等间距的,明暗相间; 4、同样条件的双缝实验,用不同的色光得到 的相邻亮(暗)条纹间的宽度不等。

5、证明:光具有波动性

不能 1、两只相同的灯泡发出的光束相遇___________发生 干涉现象?(填“能”或“不能”) 2、在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏上观察 到彩色干涉条纹,若在双缝中的一缝前放一红色滤光片 (只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透 过绿光),这时:( C) A、只有红色和绿色的干涉条纹,其它颜色的双缝干 涉条纹消失. B、红色和绿色的干涉条纹消失,其它颜色的干涉条 纹仍然存在. C、任何颜色的干涉条纹都不存在。 D、屏上无任何亮光.

练习题:

3、用单色光做双缝干涉实验时,屏上出现明暗相间的 干涉条纹,屏上某处到两狭键的距离之差满足 __________时,该处出现亮条纹;屏上某处到两缝的距 离之差满足_________时,该处出现暗条纹.

4、用白光做双缝干涉实验时,得到彩色的干涉条纹, 下列正确的说法是:( AC ) A、干涉图样的中央亮纹是白色的; B、在靠近中央亮纹两侧最先出现的是红色条纹; C、在靠近中央亮纹两侧最先出现的是紫色条纹; D、在靠近中央亮纹两侧最先出现的彩色条纹的颜色与 双缝间距离有关

实验:用双缝干涉测量光的波长

人接收的信息有90%来自眼睛看到的光;光给了我们多姿多彩的世界.

实验原理
如图所示的双缝实验中,屏离开挡板越远,条纹 间的距离越大,另一方面,实验所用光波的波长越大, 条纹间的距离也越大,这是为什么? 思考

运用几何知识
r1 S1 d S2
θ

P1 x r2

r2-r1=dsinθ X=ltanθ≈lsinθ 当两列波的路程差为波长的整 数倍,即dx/l=±kλ,(k=0,1, 2…)时才会出现亮条纹,亮条纹 位置为: X=±klλ/d

P

l

实验原理
相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为

l ?x ? d

?

??其中,波长用?表示,d表示两个狭缝之间的距离,l 为挡板与屏间的距离.

ΔX

ΔX

ΔX

ΔX ΔX

ΔX

第 二 条 亮 纹

第 一 条 亮 纹

中 间 亮 纹

第 一 条 亮 纹

第 二 条 亮 纹

第 三 条 暗 纹

第 二 条 暗 纹

第 一 条 暗 纹

第 一 条 暗 纹

第 二 条 暗 纹

第 三 条 暗 纹

观察双缝干涉图样

测定单色光的波长
? 测出n个亮条纹间的距离a,求出相邻两个 亮条纹间的距离△x=a/(n-1),然后由 △x=lλ/d

13.5.光的衍射 光的衍射
人接收的信息有90%来自眼睛看到 既然光是一种波,为什么我们日常生 的光;光给了我们多姿多彩的世界. 活中观察不到光的衍射现象,而常常看到 的是光沿着直线传播的呢?

复习提问
问题1.什么是波的衍射现象?
波在它传播的方向上遇到障碍物或孔时,波绕 到障碍物阴影里去继续传的现象叫波的衍射

问题2.发生明显衍射的条件是什么?
障碍物或孔的尺寸跟波长差不多或比波长小。

光的衍射 光的干涉现象反映了光的波动性,而波动性 的另一特征是波的衍射现象,光是否具有衍射 现象呢?如果有衍射现象,为什么在日常生活 中我们没有观察到光的衍射现象呢?

水波、声波都会发 生衍射现象,它们 发生衍射的现象特 征是什么?



单缝衍射

一切波都能发生衍射,通过衍射把能量 传到阴影区域,能够发生明显衍射的条件是 障碍物或孔的尺寸跟波长差不多.
波长很短 400-700nm

激 光 束 调节狭 缝宽窄

像 屏

取一个不透光的屏, 在它的中间装上一个 宽度可以调节的狭缝, 用平行的单色光照射, 在缝后适当距离处放 一个像屏 .



单缝衍射

1.单缝衍射条纹的特征 (1)、中央亮纹宽而亮. (2)、两侧条纹具有对称性,明暗相间且不等距.

2.单缝衍射与双缝干涉条纹和区别
双缝干涉条纹

各明纹或暗纹宽度、 亮度基本相等.
单缝衍射条纹

中央条纹最宽最亮, 两侧条纹宽度、亮 度逐渐减小.

观察下列衍射图样,分析衍射规律: 3.单缝衍射规律
1、波长一定时,单缝越窄,中 央 条纹越宽,各条纹间距越 大.(衍射越明显)

改变缝宽

2、单缝不变时,波长大的中央亮 纹越宽,条纹间隔越大(衍射越明 显)

改变波长
3、白光(白炽灯)的单缝衍射 条纹为中央亮,两侧为彩色条纹, 且外侧呈红色,靠近光源的内 侧为紫色.

一、单缝衍射

13.5光的衍射

1 衍射图样:明暗相间且不等距条纹 (中央亮纹) 2 单缝衍射规律?
1)波长一定时,单缝越窄,中央条纹越宽,各条纹间距越大. 2)单缝不变时,波长大的中央亮纹越宽,条纹间隔越大 3)白光的单缝衍射条纹为中央亮,两侧为彩色条纹, 且外侧呈红色,靠近光源的内侧为紫色.

3.衍射条件:缝的尺寸接近波长或比波长还要小 ?

二.圆孔衍射
1、 孔较大时——屏 上出现清晰的光斑

A S

B



圆孔衍射
A

S

B 2、 孔较小时——屏上出现衍射花样(亮暗相间

的不等间距的圆环,这些圆环的范围远远超过了
光沿直线传播所能照明的范围) 原因:来自单缝或圆孔上不同位置 的光,在屏上叠加的结果.

圆孔衍射

S

光的衍射
一、单缝衍射
1 衍射图样:明暗相间且不等距条纹 (中央亮纹)
?

2 单缝衍射规律? 3 衍射条件:缝的尺寸接近波长或比波长还要小 ?

二、圆孔衍射
1 衍射图样:明暗相间且不等距的同
心圆环.(中央亮斑)

2 衍射条件:孔的尺寸接近波长或
比波长还要小 ?



光绕过障碍物的衍射

不只是狭缝和圆孔,各种不同形状的物体都能使光发 生衍射,历史上曾有一个著名的衍射图样——泊松亮斑.

实验:在光束中放一个不透 明圆盘 现象:在不透明圆盘的阴影 后面,出现了一个亮斑。

圆屏衍射

泊松亮斑

圆屏衍射图样

泊松亮斑

在其影子的中心有 一个亮斑

小圆盘和小圆孔做衍射图样特点

圆孔衍射

圆盘衍射

光的衍射现象
不只是狭缝和圆孔,各种不同形状的物体都能 使光发生衍射,以至使影的轮廓模糊不清,其原因 是光通过物体的边缘而发生衍射的结果.

钢针的衍射

圆孔衍射

圆屏衍射

光的衍射
一、单缝衍射
二、圆孔衍射 三、圆屏衍射
1 衍射图样:明暗相间的不等距的同
心圆环,中心有一个亮斑 (泊松亮斑)

2 衍射条件:屏的尺寸接近波长或 比波长还要小 ?

课堂小结:
1 、光在没有障碍物的均匀介质中,直线传播 2 、在孔或障碍物的尺寸比波长差不多或还

小,光就发生衍射。
3 、 光的衍射并没有否定光的直线传播,而是 指出了它的适用范围和它的局限性。 4、缝、孔或障碍物的尺寸可以跟光的波长相 比,甚至比波长还小时,衍射现象明显。

四. 衍射光栅
透射光栅:在玻璃片上刻有许多等宽而又间距相等 的平行刻痕,刻痕产生漫反射而不太透光,未刻的部分 相当于透光的狭缝,一般每毫米有几十到几千个狭缝。 反射光栅:在高反射率的金属上刻痕.
N=1 N=2 N=3 N=4

1、下列属于光的衍射现象的是( DE ) A雨后天空出现的绚丽的彩虹 B阳光下肥皂膜上的彩色条纹 C太阳光通过三棱镜产生的彩色条纹 D眼睛透过纱巾看到的灯光的条纹 E眼睛眯成一条线看到的发光的电灯周围 有彩色花纹

课堂练习

2、下列关于单缝衍射的说法中,正确的是( D) A和光的双缝干涉图样相同 B各亮条纹的宽度不同而亮度相同 C各亮条纹的宽度相同而亮度不同 D中央亮条纹的宽度最宽,亮度最亮
好大的苦瓜!

课堂练习
3 、用单色光通过小圆盘和小圆孔做衍射实 验时,在光屏上得到衍射图形,它们的 特征是 ( B ) A.用小圆盘时中央是暗的,用小圆孔 时中央是亮的 B.中央均为亮点的同心圆形条纹 C.中央均为暗点的同心圆形条纹 D.用小圆盘时中央是亮的,用小圆孔 时中央是暗的 你行吗!

课堂练习
4 、我们经常可以看到,凡路边施工处总挂有红色 的电灯,这除了红色光容易引起人的视觉注意以外, 还有一个重要的原因,这一原因是红色光( A ) A.比其他色光更容易发生衍射 B.比其他可见光更容易发生干涉 C.比其他可见光更容易发生反射 D.比其他可见光更容易发生折射

课堂练习
5 、关于衍射下列说法正确的是( ABD ) A.衍射现象中衍射花样有亮暗条纹的出现是光的 叠加的结果 B.双缝干涉中也存在着光的衍射现象 C.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实 D.一切波都可以产生衍射

警 察 为 你 加 油 !

课堂练习
6 、用点燃的蜡烛照亮一个带有圆孔的遮光板,当 圆孔的直径由数厘米逐渐减小为零的过程中,位于遮光 板后面的屏上将依次出现的现象是: 明暗相间的圆环 圆形亮斑 烛烟的像 __________,____________;___________.

空 姐 为 你 加 油 !

课堂练习
7、关于光的衍射( BC ) A是光在传播中绕过障碍物发生弯曲的现象 B衍射条纹图样是光波相互叠加的结果 C为光的波动说提供了有力的证据 D完全否定了光的直线传播的理论
同志们!你们做对了吗!

课堂练习
8.如图所示是用游标卡尺两测脚间的狭缝观察日光灯光源 时所看到的四个现象.当游标卡尺两测脚间的狭缝宽度从

abcd 0.8mm逐渐变小时,所看到的四个图像的顺序是________

课堂练习

9.用单色光照射双缝,在像屏上观察到明暗相间的干涉
条纹,现用遮光板将其中的一个缝挡住, 则像屏上观察到( B ) A、宽度均匀的明暗相间的条纹。 B、中央亮而宽,两边窄而暗条纹。 C、一条亮纹。 D、一片亮光。

课堂练习
10.在观察光的衍射现象的实验中,通过紧靠眼睛的卡尺测 脚形成的狭缝,观看远处的日光灯管或线状白炽灯丝(灯管 或灯丝都要平行于狭缝),可以看到 ( C ) A.黑白相间的直条纹 B.黑白相间的弧形条纹 C.彩色的直条纹 D.彩色的弧形条纹. 你做对了吗!

第十三章 光
第六节 光的偏振

复习:
? 在纵波中,振动方向总是跟波的传播 方向在同一直线上.在横波中,振动 方向总是垂直于波的传播方向,但不 同的横波,振动方向可以不同. ? 例如一列横波沿水平方向传播,质点 在竖直平面内可能沿着上下方向振动, 也可能沿着左右方向振动,也可能沿 着任何其他方向振动. ? 当然,对于一个确定的横波,它的振 动方向是确定的.

一、偏振现象
? 取一根软绳,一 端固定在墙上, 手持另一端上下 抖动,就在软绳 上形成一列横波 . 现在,让软绳穿过一块带有狭缝的木板, 如果狭缝与振动方向平行,则振动可以通 过狭缝传到木板的另一侧(图甲).如果 狭缝与振动方向垂直,则振动就被狭缝挡 住而不能向前传播(图乙).

形象说明偏 振片的原理 通光方向

腰横别扁担进 不了城门

? 如果将这根绳换成细软的弹簧,前 后推动弹簧形成纵波,则无论狭 缝怎样放置,弹簧上的纵波都可以 通过狭缝传播到木板的另一侧(如 下图).

受上面实验的启发,我们可以利 用类似的实验来判断光波是横波还 是纵波? ? 偏振片由特定的材料制成,它上面有一 个特殊的方向(叫做透振方向),只有 振动方向与透振方向平行的光波才能通 过偏振片.偏振片对光波的作用就像上 图中的狭缝对于机械波的作用一样.
? 现在利用偏振片代替上面的带有狭缝的 木板,来做光学实验.

? 当只有一块偏振片时, 以光的传播方向为轴 旋转偏振片,透射光 的强度不变. 当两块偏振片的透振方 向平行时,透射光的强 度最大,但是,比通过 一块偏振片时要弱.

当两块偏振片的透振方 向垂直时,透射光的强 度最弱,几乎为零.

产生上述现象的原因:
1、太阳、电灯等普通光源发出的光, 包含着在垂直于传播方向上沿一切方向 振动的光,而且沿着各个方向振动的光 波的强度都相同.这种光叫做自然光 .

2、自然光通过第一个偏振片(叫做起偏 器)之后,只有振动方向跟偏振片的透 振方向一致的光波才能通过.也就是说, 通过第一个偏振片的光波,在垂直于传 播方向的平面上,只沿着一个特定的方 向振动.这种光叫做偏振光.

横波只沿着某一 个特定的方向 振动,称为波 的偏振.只有 横波才有偏振 现象.

3、通过第一个偏振片的偏振光再通 过第二个偏振片(称为检偏器)时, 如果两个偏振片的透振方向平行, 那么,通过第一个偏振光的振动方 向跟第二个偏振片的透振方向平行, 透射光的强度最大.

4、如果两个偏振片的透振方向垂直, 那么,偏振光的振动方向跟第二 个偏振片的透振方向垂直,偏振 光不能通过第二个偏振片,透射 光的强度为零.

所以,光是一种横波.

光的偏振现象并不罕见.除了从光源 (如太阳、电灯等)直接发出的光以外, 我们通常看到的绝大部分光 ,都是偏振 光.自然光射到两种介质的界面上,如果 光入射的方向合适,使反射光与折射光之 间的夹角恰好是90°,这时,反射光和折 射光就都是偏振的,并且偏振方向互相垂 直.

二、偏振现象的应用
光的偏振现象有很多应用.如在拍摄 日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃 橱窗里的陈列物的照片时,由于水面或玻 璃表面的反射光的干扰,常使景像不清 楚.如果在照相机镜头前装一片偏振滤光 片,让它的透振方向与反射光的偏振方向 垂直,就可以减弱反射光而使景像清晰.

玻璃门表 面的反光 很强

用偏光镜 减弱了反 射偏振光

用偏光镜消除 了反射偏振光 使玻璃门内的 人物清晰可见

不加偏振片 拍摄,橱窗 中景物模糊 不清

加偏振片 拍摄,景 物变清晰

偏光镜头

立体电影

例 两个偏振片紧靠在一起将它们放在 一盏灯的前面以致没有光通过.如果将 其中的一片旋转180度,在旋转过程中, 将会产生下述的哪一种现象( ) A、透过偏振片的光强先增强,然后 又减少到零 B、透过偏振片的光强光增强,然后 减少到非零的最小值 C、透过偏振片的光强在整个过程中 都增强 D、透过偏振片的光强先增强,再减 弱,然后又增强

分析:起偏器和检偏器的偏振 方向垂直时,没有光通过;偏 振方向平行时,光强度达到最 大当其中一个偏振片转动180 度的过程中,两偏振片的方向 由垂直到平行再到垂直,所以 通过的光先增强,又减小到零, 选项A正确.

光的颜色 色散

水面上的油膜呈彩色

一、光的颜色 色散
各种光的不同颜色,实际反映了它们不同的波长(或 频率).用白光做双缝干涉实验,由于白光内各种单色光的 干涉条纹间距不同,在屏上会出现彩色条纹.

红光

L ?x ? ? d

白光

1.不同颜色的光,波长不同 2.白光双缝干涉条纹特点: (1)彩色条纹;(2)中央明条纹是白色的 3.光的色散:含有多种颜色的光被分解为单色 光的现象

4.人眼视网膜上的两种感光细胞 视杆细胞:对光敏感,不能区分不同波长(频率) 的光 ??我们知道:波速等于波长和频率的乘积,这个关系对 视锥细胞:对光敏感度不如视杆细胞,但能区分 一切波都是适用的.不同的色光在真空中的传播速度相同, 不同波长(频率)的光。
所以波长不同的色光,它们的频率也不同:波长越长,频 率越小;波长越短,频率越大.各色光在真空中的频率的 范围见下表:

二、薄膜干涉中的色散
让一束光经薄膜的两个表面反射后,形 成的两束反射光产生的干涉现象叫薄膜干涉.
点 击 画 面 观 看 动 画

1、在薄膜干涉中,前、后表面反射光的路程差由膜 的厚度决定,所以薄膜干涉中同一明条纹(暗条纹)应出 现在膜的厚度相等的地方.由于光波波长极短,所以微薄 膜干涉时,介质膜应足够薄,才能观察到干涉条纹.

2、用手紧压两块玻璃板看到彩色条纹,阳光下的肥 皂泡和水面飘浮油膜出现彩色等都是薄膜干涉.

白光的薄膜干涉条纹 ——彩色条纹

水面上的油膜呈彩色

薄膜干涉的应用(一) ——检查表面的平整程度
标准样板

空气薄层 待检部件

取一个透明的标准样板,放在待检查的部件表面并在一端垫一 薄片,使样板的平面与被检查的平面间形成一个楔形空气膜, 用单色光从上面照射,入射光从空气层的上下表面反射出两列 光形成相干光,从反射光中就会看到干涉条纹

薄膜干涉的应用(一) ——检查表面的平整程度
如果被检表面是平的,产生的干涉条纹就是平行的,

如图(b)所示;如果观察到的干涉条纹如图(c)所示,
则表示被检测表面微有凸起或凹下,这些凸起或凹下的地 方的干涉条纹就弯曲。从弯曲的程度就可以了解被测表面 的平整情况。这种测量精度可达10-6cm。
单色光

标准样板 薄片 被检测平面

(a)

(b)

(c)

注:薄片厚度一般仅为零点零几毫米左右,只相当于一张纸片的厚度

薄膜干涉的应用(二) ——增透膜
镀层 薄膜

在透镜或棱镜的表面上涂上一层薄膜(一般用氟化镁)。当 薄膜的厚度适当时,在薄膜的两个表面上反射路程度恰好 等于半个波长,因而互相抵,这就大大减小光的反射损失, 增强了透射光的强度,这种薄膜叫增透膜。

1、增透的条件是什么?即镀层薄膜的厚度至少多大? 薄膜的厚度至少是入射光在薄膜中波长的1/4。 2、是否对所有颜色的光都有增透的作用? 因为人眼对绿光最敏感,所以一般增 强绿光的透射,即薄膜的厚度是绿光 在薄膜中波长的1/4。由于其它色光不 能被有效透射,故反射较强,这样的 镜头呈淡紫色。

增反膜?

三、折射时的色散
??常用的棱镜是横截面积为三角形的三棱镜,通常简

称为棱镜.棱镜可以改变光的传播方向,还可以使光发 生色散.

通过实验或作光 路可知(如图),从 玻璃棱镜的一个侧面 射出的光线从另一侧 面射出时向底面偏 折. ??偏折角度不仅与 棱镜材料的折射率有 关,还跟入射角底大 小有关.

点击画面观看动画

一束白光经过棱镜后会发生色散

??白光经过棱 镜后在光屏上形 成一条彩色的光 带,红光在上端, 紫光在最下端, 不同色光通过棱 镜的后的偏折角 度不同是因为棱 镜材料对不同色 光的折射率不 同.
?

由n=c/v知;在同一物质中,不同波长的光波的传播 速度不一样,波长越短(频率越大),波速越慢。

1.如图所示,截面为ABC的玻璃直角三棱镜放置在 空气中,宽度均为d的紫、红两束光垂直照射三棱镜 的一个直角边AB,在三棱镜的另一侧放置一平行于 AB边的光屏,屏的距离远近可调,在屏上出现紫、红 两条光带,可能是: A.紫色光带在上,红色光带在下,紫色光带较宽 B.紫色光带在下,红色光带在上,紫色光带较宽 C.红色光带在上,紫色光带在下,红色光带较宽 D.红色光带在下,紫色光带在上,红色光带较宽

CD

2.如图21甲所示,在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜,在 两者之间形成厚度不均匀的空气膜,让一束单一波长的光垂直 入射到该装置上,结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外 密的圆环状干涉条纹,称为牛顿环,以下说法正确的是: A.干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠 加形成的 B.干涉现象是由于凸透镜与玻璃之间空气膜的上表面反射光和 空气膜的下表面反射光叠加形成的 C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的 D.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的

BC

3.下列说法正确的是: A.用三棱镜观察太阳光谱是利用光的干涉现象 B.在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象 C.用标准平面检查光学平面的平整程度是利用光的 偏振现象 D.雨后的彩虹是由于光的色散现象形成的

BD

选修3—4

8

激光

☆.物体发光的微观机理
光是从物质的原子中发射出来的。 物质中的原子受到激发以后,原子能量增加, 处于不稳定状态,要向低能态跃迁。在向低能态 跃迁的过程中,会发出光。

普通光源(白炽灯、日光灯、高压水银灯) 的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的 光彼此独立,频率、振动方向、相位不一定相 同——为非相干光。

一.激光的产生
某些物质的原子中的粒子受光或电刺激,使低 能级的原子变成高能级原子,在向低能态跃迁时辐 射出相位、频率、方向等完全相同的光,把这种光 叫激光。 1960年,美国物理学家梅曼 正在进行一项重要的实验。实验 装置里有一根人造红宝石棒。突 然,一束深红色的亮光从装置中 射出,它的亮度是太阳表面的4 倍!这是一种完全新型的光,科 世界上第一台 学家渴望多年而自然界中并不存 红宝石激光器 在的光,它被命名为Laser。

二.激光的特点及其应用
1、相干性:激光是一种人工产生的相干光. (相干光的条件:频率相同,相位差恒定,偏振 方向一致。) 相干性应用:光纤通讯、激光全息技术

没有光纤和激光器发明就不会有现在的如此 发达的互联网。

二.激光的特点及其应用
2、平行度非常好:从地面上发射的一束极细 的激光束,到达月球表面时,也只发散成直径lm 多的光斑,因此激光在地面上传播时,可以看成是 不发散的。 应用:测距、测速、信息存储和阅读

手提激光测距仪

手持式雷达 测速仪

二.激光的特点及其应用
3、亮度高:所谓亮度,是指垂直于光线平面 内单位面积上的发光功率,自然光源亮度最高的是 太阳,而目前的高功率激光器,亮度可达太阳的1 万倍. 应用:工业切割、焊接;医学“光刀”;利 用强激光产生的高压引发核聚变。

氧化熔化激光切割

激发核聚变

☆.激光的特点及其应用
特点 作用 应用实例

相干 可进行调制、传递信息 光

光纤通信

传播很远距离能保持一定 激光雷达 平行 强度,可精确测距测速 度非 可会聚于很小的一点,记 DVD、CD、VCD 常好 录信息密度高 机,计算机光驱 可在很小空间短时间内集 激光切割、焊接、 打孔、医疗手术 亮度 中很大能量 高 产生高压引起核聚变 人工控制聚变反应

三.全息照相
“全息”的意思为“全部信息”,即相对于只 记录物体的明暗变化的普通摄影来说,激光全息摄 影还能记录物体的空间变化。
全息摄影:记录被摄物体反射(透射)光波 中全部信息(振幅、相位)的摄影。

被拍摄的物体:小鸡

拍摄得到的全息图

三.全息照相
拍摄全息照片的基本光路 参考光 照相底片

物光 反射光 物 同一激光束被分成两束,参考光直接照到底 片上,物光也到达底片。两者干涉,在底片上形 成复杂的干涉条纹,各点的明暗程度反映了叠加 的加强和减弱的情形。

三.全息照相
全息照片的观看:
照明光 全息照片 人眼

全息照片的观看: 用激光照射全息照片,在照片的另一侧观看 原物体的立体的像。

☆.全息照相
全息照片的拍摄利用了光的干涉原理,它是 利用参考光和物光发生干涉形成的。

激光全息图-根

彩色全息苹果图

课堂练习 习题1—1:激光全息照相技术主要是 利用激光的哪一种优良特性( C ) A、亮度高 B、方向性好 C、相干性好 D、抗电磁干扰能力强 全息照片的拍摄利用了光的干涉原理, 这就要求参考光和物光有很高的相干性。 激光符合这个要求。

课堂练习 习题1—2:激光全息照片的底片上记 录了光的干涉条纹,含有被摄物体反射的 光的所有信息,实现了照片的立体性。若 照相时,被摄物体被挡住一部分,通过调 整视线仍可看见被挡部分;照片被切开成 两半,从一半上仍可看到物体的全像,照 片仅像一个观察物体的窗口。激光全息照 相干性好 相利用了激光____________的性质.

课堂练习
习题2—1:(09· 宁夏)一棱镜的截面为直角 三角形ABC,∠A=300,斜边AB=a。棱镜材料的 折射率为n= 2 。在此截面所在的平面内,一条 光线以450的入射角从AC边的中点M射入棱镜射出 的点的位置(不考虑光线沿原来路返回的情况) 【解析】:设入射角为i,折射角为r,由折射 定律得:r=300

如果入射光线在法线的 右侧,光路图如图所示。 F 由几何关系得AF=3a/8

【解析】:如果入射光线在法线的左侧,光 路图如图所示。设折射光线与AB的交点为D。 由几何关系可知,在D点的入射角? ?600
设全发射的临界角为C ,sinC =1/n 因此,光在D点全反射。 C=450

设此光线的出射点为E,由几何关系得
BD=a-2AF BE=BDsin300

联立可得:BE=a/8 即出射点在BC边上离B点 a/8的位置。

附录:激光的发展史
1958年,贝尔实验室的汤斯和肖 洛发表了关于激光器的经典论文,奠 定了激光发展的基础。 1960年,美国加利福尼亚州休斯 航空公司实验室的研究员梅曼发明了 世界上第一台红宝石激光器。 1965年,第一台可产生大功率激 光的器件--二氧化碳激光器诞生。 1967年,X射线激光器研制成功。 汤斯

梅曼

1997年,麻省理工研制出第一台原子激光器

全息照片是指用全息照相技术拍摄的照片。全息 照相,就是将激光技术用于照相,在底片上记录下物 体的全部光信息,而不像普通照相仅仅是记录物体的 某一面投影。因此当底片上的物体重现时,在观看者 的眼里显得异常逼真,它产生的视觉效应,完全与观 看实物时一模一样。
激光(参考笨笨教学思路) 1、这节教材要求不高,可让学生自学,并要求 学生对本节知识进行梳理。 2、需展开一下:(1)相干光的条件:频率相 同,相位差恒定,偏振方向一致。因机械波讲的干涉 条件只有一个频率相同; (2)全息照片为什么能记录物体位置的信息。


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