第三章熱和光3.光

第三章熱和光第三節(jié)光一、幾何光學(xué)的研究（一）幾何光學(xué)的發(fā)展對幾何光學(xué)最早進(jìn)行研究并推動幾何光學(xué)初期發(fā)展的是古希臘物理學(xué)家歐幾里得。在15世紀(jì)和16世紀(jì)初，各種面鏡與透鏡及暗箱等光學(xué)元件和儀器的出現(xiàn)，為幾何光學(xué)的深入研究提供了實驗工具，有力推動了幾何光學(xué)的發(fā)展。（二）折射定律的建立公元二世紀(jì)，希臘人托勒密通過實驗研究了光的折射現(xiàn)象，他測定了光從空氣向水中折射時入射角與折射角的對應(yīng)關(guān)系，托勒密通過數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：折射角和入射角成正比關(guān)系。今天我們知道這個結(jié)論是不正確的，它只有在入射角很小的情況下才近似成立，但他是第一個通過實驗定量研究折射規(guī)律的人。德國人開普勒在匯集前人光學(xué)知識的基礎(chǔ)上，斷定托勒密關(guān)于折射規(guī)律的結(jié)論是不正確的。于是他開始便想通過實驗發(fā)現(xiàn)折射定律，但實驗最后沒有成功，他便轉(zhuǎn)向從理論上加以探索。開普勒關(guān)于折射定律的研究和修正比托勒密前進(jìn)了一步，但還沒能給出正確的折射定律1621年，荷蘭物理學(xué)家斯涅耳通過實驗精確確定了入射角與折射角的余割之比為一常數(shù)的規(guī)律，即cscθi/cscθt=常數(shù)，故折射定律又稱斯涅耳定律。由于余割和正弦成反比，所以這個敘述等價于現(xiàn)代折射定律的表達(dá)式。法國物理學(xué)家笛卡兒以媒質(zhì)中球的運(yùn)動作類比說明折射定律。1637年,笛卡兒在《折光學(xué)》一書中首次公布了具有現(xiàn)代形式正弦之比的規(guī)律。法國數(shù)學(xué)家費馬于1657年從理論上得到費馬原理（光在任意介質(zhì)中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播，又稱最小時間原理或極短光程原理。），并于1661年運(yùn)用費馬原理成功推導(dǎo)出了折射定律。6.折射定律（斯涅爾定律）現(xiàn)代表述光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)的平滑界面時，一部分光被界面反射，另一部分光透過界面在另一種介質(zhì)中折射，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，即比例為常數(shù)，稱為第二介質(zhì)對第一介質(zhì)的相對折射率。魚在哪兒？生活中常見的折射現(xiàn)象岸上看水里物體變淺水里看岸上物體變高海市蜃樓：是一種幻景，是地球上物體反射的光經(jīng)大氣折射而形成的虛像。隔著玻璃看物體等海市蜃樓光從光速大的介質(zhì)（光疏介質(zhì)）進(jìn)入光速小的介質(zhì)（光密介質(zhì)）中時，折射角小于入射角；從光速小的介質(zhì)進(jìn)入光速大的介質(zhì)中時，折射角大于入射角。全反射光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)發(fā)生折射，當(dāng)入射角θ增加到某情形時，折射角為90°，該入射角θ稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無折射，光線全部反射回光密介質(zhì)，此現(xiàn)象稱為全反射。當(dāng)光線由光疏介質(zhì)射到光密介質(zhì)時，不會發(fā)生全反射。全反射的應(yīng)用——光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維（光纖）利用的就是全反射的原理習(xí)題1.光從空氣斜射入水中或其他介質(zhì)中時，（1）

與

、

在同一平面上；（2）折射光線和入射光線分居

兩側(cè)；（3）折射角

入射角；（4）入射角增大時，折射角

；（5）光路；當(dāng)光線垂直射向介質(zhì)表面時，傳播方向?？赡娌桓淖?、在下列現(xiàn)象中，屬于光的折射現(xiàn)象的是()A、人看到平面鏡中自己的像B、斜插入水中的直尺看起來變彎折C、日食和月食D、小孔成像3．在下列四個現(xiàn)象中，能用光的折射規(guī)律解釋的是()A．放大的字B．水中倒影C．手影D．森林中的太陽光BA4.物理老師在實驗室用某種方法在長方形玻璃缸內(nèi)配制了一些白糖水。兩天后，同學(xué)們來到實驗室上課，一位同學(xué)用激光筆從玻璃缸的外側(cè)將光線斜向上射入白糖水，發(fā)現(xiàn)了一個奇特的現(xiàn)象：白糖水中的光路不是直線，而是一條向下彎曲的曲線，如圖所示。關(guān)于對這個現(xiàn)象的解釋，同學(xué)們提出了以下猜想，其中能合理解釋該現(xiàn)象的猜想是要()A．玻璃缸的折射作用B．激光筆發(fā)出的光線木絕對平行C．白糖水的密度不是均勻的，越深密度越大D．激光筆發(fā)出的各種顏色的光發(fā)生了色散C5.下列四幅圖中，能真實反映光通過玻璃膜墻進(jìn)入室內(nèi)傳播途徑的是（）A.B.C.D.B二、光本性的探索（一）光的波動說1.光的波動現(xiàn)象：干涉、衍射和冰洲石晶體的雙折射現(xiàn)象2.波動說的建立（二）光的微粒說1.早期的微粒說2.牛頓的微粒說三、光的本質(zhì)17世紀(jì)以前，人們對光的本性討論很少，隨著對一些光學(xué)現(xiàn)象研究的日趨深入，關(guān)于光的本性問題被提了出來，并逐漸形成兩種不同的觀點：一是以惠更斯為代表的波動說；另一是以牛頓為代表的微粒說。（一）楊氏雙縫（干涉）實驗1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊提出了光的干涉原理并首先做了雙縫干涉實驗，通過實驗成功觀察到了光的干涉現(xiàn)象：兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。在1807年，托馬斯·楊總結(jié)出版了他的《自然哲學(xué)講義》，里面綜合整理了他在光學(xué)方面的工作，并在里面第一次描述了雙縫實驗。從實驗觀測到的干涉圖案給予光的粒子觀致命的打擊。因為經(jīng)典的粒子理論無法滿意地解釋實驗的干涉圖案。大多數(shù)的科學(xué)家從此接受了光的波動觀。（二）馬呂斯對雙折射現(xiàn)象的研究雙折射是指光束入射到各向異性的晶體，分解為兩束光而沿不同方向折射的現(xiàn)象。將一塊冰洲石(方解石)放在書上看，它下面的線條都變成雙影。光的干涉證明了光具有波動性。（三）菲涅爾和光衍射光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，叫光的衍射。光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。小孔衍射障礙物衍射（四）光的電磁說光的干涉和衍射現(xiàn)象證明了光是一種波，到19世紀(jì)中葉，光的波動說已經(jīng)得到公認(rèn)，但光的本質(zhì)問題一直沒有解決。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并且從理論上得出，電磁波在真空中的傳播速度應(yīng)為3.11×108m/s，而當(dāng)時實驗測得的光速為3.15×108m/s，兩個數(shù)值非常接近。麥克斯韋認(rèn)為這不是一種巧合，它表明光與電磁現(xiàn)象之間有本質(zhì)的聯(lián)系，由此他提出光在本質(zhì)上是一種電磁波，這就是光的電磁說。1886年，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，并且測出了實驗中的電磁波的頻率和波長，從而計算出了電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度確實與光速相同，這樣就證明了光的電磁說的正確性。（五）愛因斯坦的光量子假說普朗克提出量子假說后，愛因斯坦從中得到了重要啟示：在現(xiàn)有的物理理論中，物體是由一個一個原子組成的，是不連續(xù)的，而光（電磁波）卻是連續(xù)的。在原子的不連續(xù)性和光波的連續(xù)性之間有深刻的矛盾。光量子假說1905年愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上提出了光量子假說：光和原子電子一樣也具有粒子性，光就是以光速運(yùn)動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。光的波動說無法解釋光電效應(yīng)由赫茲和勒納德發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長較短的紫外線照射金屬表面時，金屬中有電子逸出，被稱為光電效應(yīng)。實驗表明：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能打出電子，說明光電效應(yīng)的產(chǎn)生只取決于光的頻率而與光的強(qiáng)度無關(guān)。這個現(xiàn)象用光的波動說是解釋不了的，因為光的波動說認(rèn)為光是一種波，它的能量是連續(xù)的，如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來，則很強(qiáng)的紅光應(yīng)更能打出電子來，而事實卻與此相反。光量子假說可以圓滿解釋光電效應(yīng)按照光量子假說，光是由光量子組成的，光的能量是不連續(xù)的，每個光量子的能量要達(dá)到一定數(shù)值才能從金屬表面打出電子來。微弱的紫光光量子數(shù)目比較少，但每個光量子的能量卻足夠大，所以能從金屬表面打出電子來；很強(qiáng)的紅光，光量子的數(shù)目雖然很多，但每個光量子的能量不足以使電子的逸出，所以不能打出電子來。