高中物理選修3-4機(jī)械振動機(jī)械波光學(xué)知識點(diǎn)

1、機(jī)械振動一、基本概念1.機(jī)械振動：物體（或物體一部分）在某一中心位置附近所做的往復(fù)運(yùn)動2.回復(fù)力F：使物體返回平衡位置的力，回復(fù)力是根據(jù)效果（產(chǎn)生振動加速度，改變速度的大小，使物體回到平衡位置）命名的，回復(fù)力總指向平衡位置，回復(fù)力是某幾個(gè)力沿振動方向的合力或是某一個(gè)力沿振動方向的分力。（如水平彈簧振子的回復(fù)力即為彈簧的彈力；豎直懸掛的彈簧振子的回復(fù)力是彈簧彈力和重力的合力；單擺的回復(fù)力是擺球所受重力在圓周切線方向的分力，不能說成是重力和拉力的合力）3.平衡位置：回復(fù)力為零的位置（物體原來靜止的位置）。物體振動經(jīng)過平衡位置時(shí)不一定處于平衡狀態(tài)即合外力不一定為零（例如單擺中平衡位置需要向心力）。4

2、.位移x：相對平衡位置的位移。它總是以平衡位置為始點(diǎn)，方向由平衡位置指向物體所在的位置，物體經(jīng)平衡位置時(shí)位移方向改變。5.簡諧運(yùn)動：物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比，并且總指向平衡位置的回復(fù)力的作用下的振動，叫簡諧運(yùn)動。（1）動力學(xué)表達(dá)式為：F= -kx F=-kx是判斷一個(gè)振動是不是簡諧運(yùn)動的充分必要條件。凡是簡諧運(yùn)動沿振動方向的合力必須滿足該條件；反之，只要沿振動方向的合力滿足該條件，那么該振動一定是簡諧運(yùn)動。（2）運(yùn)動學(xué)表達(dá)式：xAsin(t)（3）簡諧運(yùn)動是變加速運(yùn)動物體經(jīng)平衡位置時(shí)速度最大，物體在最大位移處時(shí)速度為零，且物體的速度在最大位移處改變方向。（4）簡諧運(yùn)動的加速度：根據(jù)

3、牛頓第二定律，做簡諧運(yùn)動的物體指向平衡位置的(或沿振動方向的)加速度.由此可知，加速度的大小跟位移大小成正比，其方向與位移方向總是相反。故平衡位置F、x、a均為零，最大位移處F、x、a均為最大。（5）簡諧運(yùn)動的振動物體經(jīng)過同一位置時(shí)，其位移大小、方向是一定的，而速度方向卻有指向或背離平衡位置兩種可能。（6）簡諧運(yùn)動的對稱性瞬時(shí)量的對稱性：做簡諧運(yùn)動的物體，在關(guān)于平衡位置對稱的兩點(diǎn)，回復(fù)力、位移、加速度具有等大反向的關(guān)系速度的大小、動能也具有對稱性，速度的方向可能相同或相反。過程量的對稱性：振動質(zhì)點(diǎn)來回通過相同的兩點(diǎn)間的時(shí)間相等，如tBCtCB；質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過關(guān)于平衡位置對稱的等長的兩線段的時(shí)間也相等

4、。6.振幅A：振動物體離開平衡位置的最大距離，是標(biāo)量，表示振動的強(qiáng)弱和能量的物理量，無正負(fù)之分。7.周期T和頻率f：表示振動快慢的物理量。完成一次全振動所用的時(shí)間叫周期，單位時(shí)間內(nèi)完成全振動次數(shù)叫頻率，大小由系統(tǒng)本身的性質(zhì)決定（與振幅無關(guān)），所以叫固有周期和頻率。任何簡諧運(yùn)動都有共同的周期公式：（其中m是振動物體的質(zhì)量，k是回復(fù)力系數(shù)，即簡諧運(yùn)動的判定式F= -kx中的比例系數(shù)，對于彈簧振子k就是彈簧的勁度，對其它簡諧運(yùn)動它就不再是彈簧的勁度系數(shù)）。8.相位(t+)：是用來描述周期性運(yùn)動在各個(gè)時(shí)刻所處的不同狀態(tài)的物理量，其單位為弧度二、典型的簡諧運(yùn)動1.彈簧振子（1）簡諧運(yùn)動條件：彈簧質(zhì)量忽略

5、不計(jì)無摩擦等阻力在彈性限度內(nèi)（2）說明回復(fù)力、加速度、速度、動能和勢能的變化規(guī)律（周期性和對稱性）回復(fù)力指向平衡位置位移從平衡位置開始彈性勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒。（3）周期，與振幅無關(guān)，只由振子質(zhì)量和彈簧的勁度決定。（4）可以證明，豎直放置的彈簧振子的振動也是簡諧運(yùn)動，周期公式也是。這個(gè)結(jié)論可以直接使用。（5）在水平方向上振動的彈簧振子的回復(fù)力是彈簧的彈力；在豎直方向上振動的彈簧振子的回復(fù)力是彈簧彈力和重力的合力。證明：如圖所示，設(shè)振子的平衡位置為O，向下方向?yàn)檎较?，此時(shí)彈簧的形變?yōu)?，根據(jù)胡克定律及平衡條件有當(dāng)振子向下偏離平衡位置為時(shí)，回復(fù)力（即合外力）為 將代人得：，可見，重物

6、振動時(shí)受力符合簡諧運(yùn)動的條件2.單擺：在一不可伸長、忽略質(zhì)量的細(xì)線下端拴一質(zhì)點(diǎn)，上端固定，構(gòu)成的裝置叫單擺。（1）單擺的特點(diǎn)：單擺是實(shí)際擺的理想化，是一個(gè)理想模型； 單擺振動可看作簡諧運(yùn)動的條件：a擺線為不可伸長的輕細(xì)線b無空氣等阻力c最大擺角<10°；單擺的等時(shí)性（伽利略），在振幅很小的情況下，單擺的振動周期與振幅、擺球的質(zhì)量等無關(guān)；單擺的回復(fù)力由重力沿圓弧切線方向的分力提供；重力勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒。（2）周期公式： （惠更斯）半徑方向：向心力改變速度方向 切線方向：F回mgsin改變速度大小若角很小，則有sintanx/L,而且回復(fù)力指向平衡位置，與位移方向相

7、反，所以對于回復(fù)力F，有（k是常數(shù)）（3）單擺周期公式的應(yīng)用測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭，g= （L為等效擺長，是懸點(diǎn)到球心的距離。）（4）擺鐘問題。單擺的一個(gè)重要應(yīng)用就是利用單擺振動的等時(shí)性制成擺鐘。在計(jì)算擺鐘類的問題時(shí)，利用以下方法比較簡單：在一定時(shí)間內(nèi)，擺鐘走過的格子數(shù)n與頻率f成正比（n可以是分鐘數(shù)，也可以是秒數(shù)、小時(shí)數(shù)），再由頻率公式可以得到：三、簡諧運(yùn)動的圖象1.圖象的描繪（1）描點(diǎn)法（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)M法（3）從平衡位置開始計(jì)時(shí)，函數(shù)表達(dá)式為xAsint 從最大位移處開始計(jì)時(shí)，函數(shù)表達(dá)式xAcost 注：簡諧運(yùn)動的圖象并非振動質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡2.振動圖象的信息：直接讀出振幅（注意單位）直接讀出

8、周期確定某一時(shí)刻物體的位移判定任一時(shí)刻運(yùn)動物體的速度方向（最大位移處無方向）和加速度方向判定某一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動物體的速度、加速度、動能及勢能大小的變化情況計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的路程：，一個(gè)周期通過的路程為4A，位移為0。3.振動圖象的應(yīng)用任何復(fù)雜的振動都可以看成是若干個(gè)簡諧振動的合成四、受迫振動與共振1.振動能量 = 動能 + 勢能 = 最大位移的勢能 = 平衡位置的動能（由振幅決定，與周期和頻率無關(guān)）2.阻尼振動和無阻尼振動（1）阻尼振動：存在阻力做負(fù)功，能量減小，振幅減小（減幅振動）（2）無阻尼振動(等幅振動)在振動中,為保持振幅不變(能量不變)， 3.受迫振動（1）受迫振動：物體在周期性外力作用

9、下的振動叫受迫振動。（2）驅(qū)動力：周期性的外力作用于振動系統(tǒng)，對系統(tǒng)做功，克服阻尼作用，補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗，使系統(tǒng)持續(xù)地振動下去，這種周期性的外力叫驅(qū)動力。（3）物體做受迫振動的頻率由驅(qū)動力決定,等于驅(qū)動力頻率,而與固有頻率無關(guān)（如：秋千）4.共振：（1）在受迫振動中,驅(qū)動力的頻率和物體的固有頻率相等時(shí),振幅最大產(chǎn)生共振的條件：驅(qū)動力頻率等于物體固有頻率B 共振曲線：以驅(qū)動力頻率為橫坐標(biāo)，以受迫振動的振幅為縱坐標(biāo)它直觀地反映了驅(qū)動力頻率對受迫振動振幅的影響， f驅(qū)與f固越接近，振幅A越大；當(dāng)f驅(qū)f固時(shí)，振幅A最大。 （2）共振的防止和應(yīng)用利用共振：讓驅(qū)動力頻率靠近固有頻率，如共振篩、轉(zhuǎn)速計(jì)、微

10、波爐、打夯機(jī)、跳板跳水、打秋千等。防止共振：讓驅(qū)動力頻率遠(yuǎn)離固有頻率，如機(jī)床底座、航海、軍隊(duì)過橋、高層建筑、火車車廂等。機(jī)械波一、機(jī)械波的產(chǎn)生和傳播 波的概念1.機(jī)械波：機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播2.形成條件（1）波源：振源波源、波的發(fā)源地，最先振動的質(zhì)點(diǎn)，不是自由振動，而應(yīng)是受迫振動，有機(jī)械振動，不一定有機(jī)械波，有機(jī)械波必有機(jī)械振動。（2）介質(zhì)：介質(zhì)應(yīng)具有彈性的媒質(zhì)，這里的彈性與前述彈性不同，能形成波的媒質(zhì)叫彈性媒質(zhì)。3.波的特點(diǎn)和傳播（1）把介質(zhì)看成是由大量的質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的，規(guī)定離振源近的稱為前一質(zhì)點(diǎn)，離振源遠(yuǎn)的稱為后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。相鄰的質(zhì)點(diǎn)間存在著相互作用力，振動時(shí)，前一質(zhì)點(diǎn)帶動后一質(zhì)點(diǎn)振動（2

11、）機(jī)械波傳播的只是振動的形式和能量，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)只在各自的平衡位置附近往復(fù)振動，不隨波的傳播而遷移（水中的樹葉）（3）質(zhì)點(diǎn)做受迫振動，質(zhì)點(diǎn)的振幅、振動周期和頻率都與波源的相同（4）各質(zhì)點(diǎn)開始振動(即起振)的方向均相同（5）振動速度和波速的區(qū)別。在均勻媒質(zhì)中波是勻速、直線前進(jìn)的，波由一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)，f不變，而v變，而質(zhì)點(diǎn)的振動是變加速運(yùn)動，二者沒有必然聯(lián)系，不能混淆。4.波的意義（1）傳播振動的能量啟動 受迫（機(jī)械波傳播機(jī)械能，電磁波傳播電磁能。）（2）傳播振動的形式振幅 周期 頻率（振源如何振動，質(zhì)點(diǎn)就如何振動）（3）傳播信息 （聲波、光波、電磁波）5.波的分類（1）橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與

12、波的傳播方向垂直，有波峰(凸部)和波谷(凹部)（如水波） （2）縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向共線，有密部和疏部（如聲波）二、機(jī)械波的圖象1.波的圖象（簡諧波圖像為正弦或余弦曲線）用x表示波的傳播方向的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的平衡位置，用y表示某一時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的位移，并規(guī)定在橫波中位移的方向向上為正。取得方法：（1）描點(diǎn)法找到某一時(shí)刻介質(zhì)的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的位移（2）拍照縱軸：某一時(shí)刻介質(zhì)的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的位移 橫軸：介質(zhì)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的平衡位置2.波動圖象的信息：（1）波長、振幅（2）任意一質(zhì)點(diǎn)此刻的位移（3）任意一質(zhì)點(diǎn)在該時(shí)刻加速度方向（4）由傳波方向確定振動方向；由振動方向確定傳播

13、方向。 （5）畫出一定時(shí)間的機(jī)械波的圖象描點(diǎn)法平移法3.振動圖象和波的圖象的聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系：波動是振動在介質(zhì)中的傳播，兩者都是按正弦或余弦規(guī)律變化的曲線；振動圖象和波的圖象中的縱坐標(biāo)均表示質(zhì)點(diǎn)的振動位移，它們中的最大值均表示質(zhì)點(diǎn)的振幅。區(qū)別：振動圖象描述的是某一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的振動情況，圖象上任意兩點(diǎn)表示同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻偏離平衡位置的位移；波的圖象描述的是波在傳播方向上無數(shù)質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻的振動情況，圖象上任意兩點(diǎn)表示不同的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻偏離平衡位置的位移。振動圖象中的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，箭頭方向表示時(shí)間向后推移；波的圖象中的橫坐標(biāo)表示離開振源的質(zhì)點(diǎn)的位置，箭頭的方向可以表示振動在介質(zhì)中的傳播

14、方向，即波的傳播方向，也可以表示波的傳播方向的反方向。振動圖象隨時(shí)間的延續(xù)將向著橫坐標(biāo)箭頭方向延伸，原圖象形狀不變；波的圖象隨著時(shí)間的延續(xù)，原圖象的形狀將沿橫坐標(biāo)方向整個(gè)兒地平移，而不是原圖象的延伸。在不同時(shí)刻波的圖象是不同的；對于不同的質(zhì)點(diǎn)振動圖象是不同的。三、描繪機(jī)械波的物理量1.周期和頻率：在波動中，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動周期是相同的，它們都等于波源的振動周期，這個(gè)周期也叫做波的周期。同樣，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動頻率也是波的頻率。（由振源決定）2.波長（）：在波的傳播方向上，相對于平衡位置的位移總相等的兩個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距離，叫做波長（波長由波源和介質(zhì)共同決定）（1）在橫波中，兩個(gè)相鄰的波峰或波谷間的距離

15、等于波長，在縱波中兩個(gè)相鄰的密部或疏部間的距離等于波長。（2）波動在一個(gè)周期中向前推進(jìn)一個(gè)波長（3）在一個(gè)周期內(nèi)波峰或波谷向前推進(jìn)一個(gè)波長（4）一個(gè)完整的正弦曲線橫軸長度。3.波速：（1）波速：波在介質(zhì)中的傳播速度。（由介質(zhì)決定，固體、液體中波速比空氣中大） (波速、波長和頻率的關(guān)系：)（2）波峰或波谷的推進(jìn)速度（波的傳播方向就是波峰或波谷的推進(jìn)方向）（3）與波源無關(guān)，所以波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)f不變、v變化，波速也是波的能量傳播速度。（4）波由一種介質(zhì)進(jìn)入到另外一種介質(zhì)時(shí)，波速改變，波長改變，但是頻率不變。類比：頻率相同，“步長”不同。4.波的多解問題（1）周期性時(shí)間周期性：時(shí)間間隔t

16、與周期T的關(guān)系不明確空間周期性：波傳播距離x與波長的關(guān)系不明確（2）雙向性傳播方向雙向性：波的傳播方向不確定振動方向雙向性：質(zhì)點(diǎn)振動方向不確定四、波的特性1.波的衍射：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，說明波能偏離直線而傳到直線傳播以外的空間。明顯衍射現(xiàn)象的條件：當(dāng)障礙物或孔的尺寸小于波長或與波長相差不多2.波的干涉（1）波的疊加原理：在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都同時(shí)參與兩列波引起的振動，其振動的位移為兩列波單獨(dú)存在引起的位移的矢量和。波的獨(dú)立傳播原理：兩列波相遇前，相遇過程中和相遇后，各自波形和位移不發(fā)生任何變化。相遇時(shí)，位移和速度都是矢量和相遇后，保持原狀，繼續(xù)傳播峰峰疊加加強(qiáng)，谷谷

17、疊加加強(qiáng)，峰谷疊加減弱（2）波的干涉：頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動減弱，而且加強(qiáng)和減弱的區(qū)域相間分布的現(xiàn)象。波的傳播就是波峰或波谷的推進(jìn)干涉條件：頻率相同的兩列波（相干波源）疊加干涉圖樣的特點(diǎn)a形成加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)b加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)相互間隔c強(qiáng)總強(qiáng)，弱總?cè)鮠加強(qiáng)區(qū)振幅增加，但是位移有時(shí)可以為零步調(diào)一致減弱區(qū)：加強(qiáng)區(qū)：步調(diào)相反減弱區(qū)：加強(qiáng)區(qū)：3.干涉和衍射現(xiàn)象是波的特有的現(xiàn)象，一切波（包括電磁波）都能發(fā)生干涉知衍射，反之，能發(fā)生干涉和衍射的一定是波。4.多普勒效應(yīng)（1）波源發(fā)出的頻率f：波源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出波的個(gè)數(shù) 觀察者接收到的頻率f：觀察者單位時(shí)間內(nèi)接收到的波的個(gè)數(shù)（

18、2） 相對運(yùn)動時(shí)對頻率的影響波源和觀察者都不動f= f波源不動：觀察者接近波源ff，觀察者遠(yuǎn)離波源ff ，波長不變波速不變觀察者不動：波源遠(yuǎn)離觀察者ff，波源靠近觀察者ff，波長改變波速不變BAS（3）結(jié)論當(dāng)波源與觀察者有相對運(yùn)動時(shí)，如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者遠(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。（4）應(yīng)用有經(jīng)驗(yàn)的鐵路工人可以從火車的汽笛聲判斷火車的運(yùn)動方向和快慢.有經(jīng)驗(yàn)的戰(zhàn)士可以從炮彈飛行時(shí)的尖叫聲判斷飛行的炮彈是接近還是遠(yuǎn)去.交通警察向行進(jìn)中的汽車發(fā)射一個(gè)已知頻率的電磁波，波被運(yùn)動的汽車反射回來時(shí)，接收到的頻率發(fā)生變化，由此可指示汽車的速度.由地球上接收到遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光波

19、的頻率可以判斷遙遠(yuǎn)天體相對于地球的運(yùn)動速度.（5）多普勒效應(yīng)是波動過程共有的特征. 五、次聲波和超聲波聲波：空氣中的聲波是縱波人耳能感覺的聲波的頻率范圍是20Hz20000Hz，波長范圍是17mm17m。人耳能區(qū)分回聲和原聲的最小時(shí)間是0.1s聲波有干涉、衍射、反射現(xiàn)象，聲音的共振叫共鳴1、次聲波：頻率低于20HZ的聲波。2、超聲波：頻率高于20000HZ的聲波光的傳播 幾何光學(xué)一、光的直線傳播 1.幾個(gè)概念光源：能夠發(fā)光的物體點(diǎn)光源：忽略發(fā)光體的大小和形狀，保留它的發(fā)光性。（力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)，理想化）光能：光是一種能量，光能可以和其他形式的能量相互轉(zhuǎn)化（使被照物體溫度升高，使底片感光、熱水器電燈

20、、蠟燭、太陽萬物生長靠太陽、光電池）光線：用來表示光束的有向直線叫做光線，直線的方向表示光束的傳播方向，光線實(shí)際上不存在，它是細(xì)光束的抽象說法。（類比：磁感線 電場線）實(shí)像和虛像點(diǎn)光源發(fā)出的同心光束被反射鏡反射或被透射鏡折射后，若能會聚在一點(diǎn)，則該會聚點(diǎn)稱為實(shí)像點(diǎn)；若被反射鏡反射或被透射鏡折射后光束仍是發(fā)散的，但這光束的反向延長線交于一點(diǎn)，則該點(diǎn)稱為虛像點(diǎn)實(shí)像點(diǎn)構(gòu)成的集合稱為實(shí)像，實(shí)像可以用光屏接收，也可以用肉眼直接觀察；虛像不能用光屏接收，只能用肉眼觀察2光在同一種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的注意前提條件：在同一種介質(zhì)中，而且是均勻介質(zhì)。否則，可能發(fā)生偏折。如光從空氣斜射入水中（不是同一種介質(zhì)）

21、；“海市蜃樓”現(xiàn)象（介質(zhì)不均勻）。點(diǎn)評：光的直線傳播是一個(gè)近似的規(guī)律。當(dāng)障礙物或孔的尺寸和波長可以比擬或者比波長小時(shí)，將發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，光線將可能偏離原來的傳播方向。二、反射 平面鏡成像1反射定律光射到兩種介質(zhì)的界面上后返回原介質(zhì)時(shí)，其傳播規(guī)律遵循反射定律反射定律的基本內(nèi)容包含如下三個(gè)要點(diǎn)： 反射光線、法線、入射光線共面； 反射光線與入射光線分居法線兩側(cè)； 反射角等于入射角，即2平面鏡成像的特點(diǎn)平面鏡成的像是正立等大的虛像，像與物關(guān)于鏡面對稱3光路圖作法根據(jù)成像的特點(diǎn)，在作光路圖時(shí)，可以先畫像，后補(bǔ)畫光路圖。4充分利用光路可逆在平面鏡的計(jì)算和作圖中要充分利用光路可逆。（眼睛在某點(diǎn)A通過平面

22、鏡所能看到的范圍和在A點(diǎn)放一個(gè)點(diǎn)光源，該點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)平面鏡反射后照亮的范圍是完全相同的。）5利用邊緣光線作圖確定范圍三、折射與全反射1折射定律 (荷蘭 斯涅爾)：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比（折射光路是可逆的） (不論是光從真空射入介質(zhì)，還是由介質(zhì)射入真空，1總是真空中的光線與法線間夾角，2總是介質(zhì)中的光線與法線間的夾角，v是光在介質(zhì)中的波速，是光在介質(zhì)中的波長，C為全反射時(shí)的臨界角。)折射率：折射率僅反映介質(zhì)的光學(xué)特性，折射率由介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和光的頻率決定，與入射角的大小無關(guān)。折射率大，說明光從真空射入

23、到該介質(zhì)時(shí)，偏折大。任何介質(zhì)的折射率總大于1。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)（1）與密度不同(2)相對性 （3）n大角小，n小角大2全反射現(xiàn)象（1）現(xiàn)象：光從光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì)中時(shí)，隨著入射角的增加，折射光線遠(yuǎn)離法線，強(qiáng)度越來越弱，但是反射光線在遠(yuǎn)離法線的同時(shí)強(qiáng)度越來越強(qiáng)，當(dāng)折射角達(dá)到90度時(shí)，折射光線認(rèn)為全部消失，只剩下反射光線全反射。（2）條件：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)； 入射角達(dá)到臨界角，即（3）臨界角: 折射角為900（發(fā)生全發(fā)射）時(shí)對應(yīng)的入射角,3光導(dǎo)纖維，海市蜃樓和內(nèi)窺鏡全反射的一個(gè)重要應(yīng)用就是用于光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）。光纖有內(nèi)、外兩層材料，其中內(nèi)層是光密介質(zhì)，外層是光疏介質(zhì)。光在光纖中傳

24、播時(shí)，每次射到內(nèi)、外兩層材料的界面，都要求入射角大于臨界角，從而發(fā)生全反射。這樣使從一個(gè)端面入射的光，經(jīng)過多次全反射能夠沒有損失地全部從另一個(gè)端面射出。四、棱鏡和玻璃磚對光路的作用1棱鏡對光的偏折作用一般所說的棱鏡都是用光密介質(zhì)制作的。入射光線經(jīng)三棱鏡兩次折射后，射出方向與入射方向相比，向底邊偏折，虛像向頂角偏移。2全反射棱鏡橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡。選擇適當(dāng)?shù)娜肷潼c(diǎn)，可以使入射光線經(jīng)過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉(zhuǎn)90o或180o。要特別注意兩種用法中光線在哪個(gè)表面發(fā)生全反射。3光的折射和色散 一束白光經(jīng)過三棱鏡折射后形式色散，構(gòu)成紅橙黃綠藍(lán)靛紫的七條彩色光帶，形成光譜。光譜的

25、產(chǎn)生表明白光是由各種單色光組成的復(fù)色光，各種單色光的偏轉(zhuǎn)角度不同。顏色紅紫紅橙黃綠藍(lán)靛紫頻率低高折射率n小大同介質(zhì)速度v大小波長大小臨界角C大小4玻璃磚：所謂玻璃磚一般指橫截面為矩形的棱柱。當(dāng)光線從上表面入射，從下表面射出時(shí)，其特點(diǎn)是：射出光線和入射光線平行；各種色光在第一次入射后就發(fā)生色散；射出光線的側(cè)移和折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關(guān)；可利用玻璃磚測定玻璃的折射率。光的本性 物理光學(xué)一、粒子說和波動說1.微粒說（牛頓）認(rèn)為個(gè)光是粒子流，從光源出發(fā)，在均勻介質(zhì)中遵循力學(xué)規(guī)律做勻速直線運(yùn)動。成功直線傳播（勻速直線運(yùn)動）、反射（經(jīng)典粒子打在界面上）困難干涉，衍射（波的特性），折射（粒子受到界面

26、的吸引和排斥：折射角、不能一視同仁），光線交叉2.波動說（荷蘭）惠更斯、（法）菲涅爾，光在“以太”中以某種振動向外傳播成功反射、折射、 干涉、衍射困難光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、偏振19世紀(jì)以前，微粒說一直占上風(fēng)（1）人們習(xí)慣用經(jīng)典的機(jī)械波的理論去理解光的本性。（2）牛頓的威望（3）波動理論本身不夠完善 （以太、惠更斯無法科學(xué)的給出周期和波長的概念）3.光的電磁說：（英）麥克斯韋，光是一種電磁波4.光電效應(yīng)：證明光具有粒子性二、光的雙縫干涉：證明光是一種波1.實(shí)驗(yàn) 1801年，（英）托馬斯·楊 單色光 單孔屏 雙孔屏 接收屏2.現(xiàn)象（1）接收屏上看到明暗相間的等寬等距條紋。中央亮條紋（2）

27、波長越大，條紋越寬（3）如果用復(fù)色光（白），出現(xiàn)彩色條紋。中央復(fù)色（白）原因：相干光源在屏上疊加（加強(qiáng)或減弱）3.小孔的作用：產(chǎn)生同頻率的光雙孔的作用：產(chǎn)生相干光源（頻率相同，步調(diào)一致，兩小孔出來的光是完全相同的。）4.條紋的亮暗 L2L1=（2K+1）/ 2 暗條紋 L2L1=2K/ 2 =K 亮條紋5.條紋間距波長 X =L/d（波長、雙縫到屏的距離、雙縫距離）6.1 m = 10 9nm 1 m = 10 10 A 三、薄膜干涉：光是一種波1.實(shí)驗(yàn)酒精中撒鈉鹽，火焰發(fā)出單色的黃光2.現(xiàn)象（1）薄膜的反射光中看到了明暗相間的條紋。條紋等寬（2）波長越大，條紋越寬（3）如果用復(fù)色光，出現(xiàn)彩色

28、條紋3.原因：薄膜厚度上薄下厚，入射光照在薄膜的同一位置，來自前后兩個(gè)面的反射光（頻率相同）路程差不同，疊加后出現(xiàn)明條紋或暗條紋（ 陽光下的肥皂泡、水面上的油膜、壓緊的兩塊玻璃 ）。4.科技技上的應(yīng)用（1）查平面的平整程度 單色光入射，a的下表面與b的上表面反射光疊加，出現(xiàn)明暗相間的條紋 ，如果被檢查的平面是平的，那么空氣厚度相同的各點(diǎn)就位于同一條直線上，干涉后得到的是直條紋，否則條紋彎曲。（2）增透膜膜的厚度為入射光在薄膜中波長的1/4倍時(shí)，從薄膜的兩個(gè)面反射的波相遇，峰谷疊加，反射減，抵消黃、綠光，鏡頭呈淡紫色。四光的衍射：光是一種波光繞過直線路徑到障礙物的陰影里去的現(xiàn)象，稱光的衍射，衍射

29、產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)叫衍射圖樣1實(shí)驗(yàn) a 單縫衍射：明暗相間的不等距條紋，中央亮紋最寬最亮，兩側(cè)條紋具有對稱性b 圓孔衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，圓環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過孔的直線照明的面積c圓盤衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，中心有一亮斑稱為泊松亮斑(證實(shí)波動性)泊送亮斑：（法）菲涅爾理論 泊松數(shù)學(xué)推導(dǎo)2條紋的特點(diǎn)：條紋寬度不相同，正中央是亮條紋，最寬最亮，若復(fù)色光（白），彩色條紋，中央復(fù)色（白）3產(chǎn)生明顯衍射條件：障礙物或孔的尺寸比波長小或差不多4光的直線傳播是近似規(guī)律 五光的電磁說：麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中的傳播速度相同，提出光在本質(zhì)上是一種電磁波，這就是光的電磁說，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了光的電磁說的正確

30、性。1電磁波譜：波長從大到小排列順序?yàn)椋簾o線電波、紅外線（一切物體都放出紅外線，1800年，英國 赫謝爾 ）、可見光、紫外線（一切高溫物體，如太陽、弧光燈發(fā)出的光都含有紫外線，1801年， 德國 里特）、X射線（高速電子流照射到任何固體上都會產(chǎn)生x射線，1895年，德國 倫琴，）、射線。各種電磁波中，除可見光以外，相鄰兩個(gè)波段間都有重疊（如紫外線和X射線、X射線和射線都有重疊）。各種電磁波的產(chǎn)生機(jī)理分別是：無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動產(chǎn)生的；紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；倫琴射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。2各種電磁波的

31、產(chǎn)生、特性及應(yīng)用。電磁波產(chǎn)生機(jī)理特 性應(yīng) 用無線電波LC電路中的周期性振蕩波動性強(qiáng)無線技術(shù)紅外線原子的最外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的熱作用顯著，衍射性強(qiáng)加熱、高空攝影、紅外遙感可見光引起視覺產(chǎn)生色彩效應(yīng)照明、攝影、光合作用紫外線化學(xué)、生理作用顯著、能產(chǎn)生熒光效應(yīng)日光燈、醫(yī)療上殺菌消毒、治療皮膚病、軟骨病等倫琴射線原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的穿透本領(lǐng)很大醫(yī)療透視、工業(yè)探傷射線原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的穿透本領(lǐng)最強(qiáng)探傷；電離作用；對生物組織的物理、化學(xué)作用；醫(yī)療上殺菌消毒；3實(shí)驗(yàn)證明：物體輻射出的電磁波中輻射最強(qiáng)的波長m和物體溫度T之間滿足關(guān)系m  T = b（b為常數(shù)）?？梢姼邷匚矬w輻射出的電磁波

32、頻率較高。在宇宙學(xué)中，可以根據(jù)接收到的恒星發(fā)出的光的頻率，分析其表面溫度。六、光電效應(yīng)：在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。（右圖裝置中，用弧光燈照射鋅版，有電子從鋅版表面飛出，使原來不帶電的驗(yàn)電器帶正電。）光效應(yīng)中發(fā)射出來的電子叫光電子。1.光電效應(yīng)的規(guī)律。各種金屬都存在極限頻率0，只有0才能發(fā)生光電效應(yīng)；光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入光的頻率增大而增大；當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入光的強(qiáng)度成正比；瞬時(shí)性（光電子的產(chǎn)生不超過10-9s）。2.光子說、普朗克量子理論：電磁波的發(fā)射和接收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫能量子或量子，每一份的能量是Eh ，h

33、6.63×10 34 J·s，稱為普朗克常量。愛因斯坦光子說：光的發(fā)射、傳播、接收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子。其能量Eh 。愛因斯坦光電效應(yīng)方程 E=h ：Ek= h - W（Ek是光電子的最大初動能；W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）3.光電管 陰極K陽極A玻璃泡（堿金屬）4.康普頓效應(yīng)在研究電子對X射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長比入射波的波長略大?？灯疹D認(rèn)為這是因?yàn)楣庾硬粌H有能量，也具有動量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個(gè)設(shè)想是正確的。因此康普頓效應(yīng)也證明了光具有粒子性。七、光的波粒二象性1光的波粒二象性人們無法用其中一種觀點(diǎn)把光的

34、所有現(xiàn)象解釋清楚，只能認(rèn)為光具有波粒二象性，但不能把它看成宏觀經(jīng)典的波和粒子。減小窄縫的寬度，減弱光的強(qiáng)度，使光子一個(gè)一個(gè)的通過，到達(dá)接收屏的底片上。若暴光時(shí)間短，底片上是不規(guī)則的亮點(diǎn)，若暴光時(shí)間長，底片上是條紋干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實(shí)表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性。2正確理解波粒二象性波粒二象性中所說的波是一種概率波，對大量光子才有意義。波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；低的光子容易表現(xiàn)出波動

35、性。光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性。由光子的能量E=h，光子的動量表示式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量頻率和波長。八、物質(zhì)波（德布羅意波）由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動著的物體都有一種波與它對應(yīng)，該波的波長=。九、光的偏振光的偏振也證明了光是一種波，而且是橫波。各種電磁波中電場E的方向、磁場B的方向和電磁波的傳播方向之間，兩兩互相垂直。光波的感光作用和生理作用主要是由電場強(qiáng)度E引起的，將E的振動稱為光振動。自然光。

36、太陽、電燈等普通光源直接發(fā)出的光，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個(gè)方向振動的光波的強(qiáng)度都相同，這種光叫自然光。偏振光。自然光通過偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，只沿一個(gè)特定的方向振動，叫偏振光。自然光射到兩種介質(zhì)的界面上，如果光的入射方向合適，使反射和折射光之間的夾角恰好是90°，這時(shí)，反射光和折射光就都是偏振光，且它們的偏振方向互相垂直。我們通?？吹降慕^大多數(shù)光都是偏振光。自然光通過起偏器：通過兩個(gè)共軸的偏振片觀察自然光，第一個(gè)偏振片的作用是把自然光變成偏振光，叫起偏器；第二個(gè)偏振片的作用是檢驗(yàn)光是否為偏振光，叫檢偏器十、激光1.方向性好激光束的光線平行度極好

37、，從地面上發(fā)射的一束極細(xì)的激光束，到達(dá)月球表面時(shí)，也只發(fā)散成直徑lm多的光斑，因此激光在地面上傳播時(shí)，可以看成是不發(fā)散的2.單色性強(qiáng)激光器發(fā)射的激光，都集中在一個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，由于光的顏色是由頻率決定的，因此激光器是最理想的單色光源3.平行性好由于激光束的高度平行性極強(qiáng)的單色性，因此激光是最好的相干光，用激光器作光源觀察光的干涉和衍射現(xiàn)象，都能取得較好的效果4.亮度高所謂亮度，是指垂直于光線平面內(nèi)單位面積上的發(fā)光功率，自然光源亮度最高的是太陽，而目前的高功率激光器，亮度可達(dá)太陽的1萬倍第十四章 電磁波和相對論簡介一、電磁振蕩1振蕩電路：大小和方向都隨時(shí)間做周期性變兒的電流叫做振蕩電流，能夠

38、產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路，LC回路是一種簡單的振蕩電路。2LC回路的電磁振蕩過程：可以用圖象來形象分析電容器充、放電過程中各物理量的變化規(guī)律，如圖所示2 13LC回路的振蕩周期和頻率 注意：（1）LC回路的T、f只與電路本身性質(zhì)L、C有關(guān)（2）電磁振蕩的周期很小，頻率很高，這是振蕩電流與普通交變電流的區(qū)別。4、分析電磁振蕩要掌握以下三個(gè)要點(diǎn)（突出能量守恒的觀點(diǎn)）：理想的LC回路中電場能E電和磁場能E磁在轉(zhuǎn)化過程中的總和不變。回路中電流越大時(shí)，L中的磁場能越大（磁通量越大）。極板上電荷量越大時(shí)，C中電場能越大（板間場強(qiáng)越大、兩板間電壓越高、磁通量變化率越大）。iqttoo放電 充電 放電 充電5、LC回路中的電流圖象和電荷圖象總是互為余函數(shù)。6、注意特殊點(diǎn)和過程a.充電完畢和放電完畢時(shí)的特點(diǎn)b.充電過程和放電過程的特點(diǎn)c.電場能和磁場能的轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài)d.電流在什么時(shí)候方向改變二、電磁場和電磁波1麥克斯韋的電磁場理論（1）變化的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生電場（磁場）；（2）均勻變化的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的電場（磁場）；（3）振蕩的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場（磁場）；可以證明：振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場；振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場。點(diǎn)評：變化的磁場在周圍激發(fā)的電場為渦旋電場，渦旋電場