高中物理光學知識點總結

高中物理光學知識點總結光的微粒說是牛頓提出的，它能夠解釋光的直線傳播和反射等現(xiàn)象，但無法解釋光在兩種介質界面上既有反射又有折射的現(xiàn)象。光的波動性是惠更斯提出的，對于光的本性認識有了深化。薄膜干涉、雙縫干涉、光的衍射等現(xiàn)象都能夠用波動理論解釋。電磁場理論和光的電磁說則更加深入地探討了光的本質。電磁波譜是由低頻到高頻構成的廣闊范圍的電磁波，包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、r射線等。光子說是愛因斯坦提出的，它認為光在空間傳播不是連續(xù)的，而是由一個個光子組成。光子的能量與頻率成正比，普朗克常量則是光子能量與頻率之間的比例系數(shù)。光的直線傳播和反射是幾何光學中的基本概念。光在同一種均勻透明介質中沿直線傳播，而在介質中的傳播速度要小于在真空中的速度。光的反射是指光從一種介質射到另一種介質的界面上再返回原介質的現(xiàn)象。反射定律規(guī)定反射光線、入射光線和法線在同一平面內，反射角等于入射角。光滑平面上的反射叫做鏡面反射，而粗糙平面上的反射則是漫反射。所有幾何光學中的光現(xiàn)象，光路都是可逆的。光的折射是光從一種介質斜射入另一種介質，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。折射定律規(guī)定入射光線、折射光線和法線在同一平面內，折射角與入射角的正弦比等于兩種介質的折射率之比。全反射是指光從一種介質射入另一種介質時，當入射角超過一定角度時，光將全部反射回原介質中，不發(fā)生折射?？偟膩碚f，人類對光的本性認識不斷發(fā)展不斷深化，從光的微粒說到波動說再到波粒二象性的認識歷程，我們逐漸認識到光的本性是多方面的。光的干涉、衍射、折射、全反射等現(xiàn)象都能夠用不同的理論解釋，而光子說更是對光的本性提出了全新的認識。中心線作為對稱軸)，便于確定光線的偏折角和折射角。2.光的色散現(xiàn)象光的色散是指不同顏色的光在通過介質時，由于折射率的不同而產生的偏折角不同的現(xiàn)象。一般來說，光的折射率與波長有關，不同波長的光在介質中的折射率不同，因此會產生色散現(xiàn)象。在三棱鏡中，不同顏色的光線會被分離出來，形成彩虹色的光譜。光的色散現(xiàn)象在光學儀器中有著廣泛的應用，如光譜儀、分光計等。3.光的衍射光的衍射是指光通過狹縫或物體邊緣時，光波會發(fā)生彎曲和干涉現(xiàn)象，產生新的波前，使光線發(fā)生偏折和擴散的現(xiàn)象。光的衍射是光學中重要的現(xiàn)象之一，廣泛應用于光學儀器的設計和制造中。光的衍射也是研究光的波動性質的重要手段之一。4.光的干涉光的干涉是指兩束或多束光波相遇時，由于波的疊加而產生明暗相間的條紋、彩色環(huán)等現(xiàn)象。光的干涉是光學中的重要現(xiàn)象，廣泛應用于光學儀器的設計和制造中，如干涉儀、Michelson干涉儀等。光的干涉也是研究光的波動性質的重要手段之一。光學中的一個現(xiàn)象是色散現(xiàn)象，即一束白光經過三棱鏡折射后會發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏上形成七色光帶。不同顏色的光偏折程度不同，紅光偏折最小，紫光偏折最大。在同一介質中，七種顏色的光與折射率、全反射的臨界角、傳播速率、側移、頻率、波長、雙縫干涉條紋間距和衍射現(xiàn)象等物理量有對應關系。全反射棱鏡是橫截面為等腰直角三角形的棱鏡，可以使入射光線經過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉90度或180度。需要注意光線在哪個表面發(fā)生全反射。玻璃磚是橫截面為矩形的棱柱，當光線從上表面入射，從下表面射出時，會發(fā)生色散現(xiàn)象，并產生側移，側移的大小與折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關?？梢岳貌ＡТu測定玻璃的折射率。光導纖維是利用全反射的應用之一，有內、外兩層材料，內層是光密介質，外層是光疏介質。光在光纖中傳播時，每次射到內、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。這樣使從一個端面入射的光，經過多次全反射能夠沒有損失地全部從另一個端面射出。不同的光學元件對光路的控制特征不同。光束經平面鏡反射后，其會聚（或發(fā)散）的程度將不發(fā)生改變。光束射向三棱鏡，經前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化的特征是向著底邊偏折，若光束由復色光組成，會發(fā)生色散現(xiàn)象。光束射向前、后表面平行的透明玻璃磚，經前、后表面兩次折射后，其傳播方向不變，只產生一個側移。光學是一門研究光的傳播、反射、折射、干涉等現(xiàn)象的學科。在光學中，透鏡是一種重要的光學元件。光束射向透鏡，經前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化的特征是：凸透鏡使光束會聚，凹透鏡使光束發(fā)散。在光學中，不同的光學鏡有不同的成像特征。物點發(fā)出的發(fā)散光束照射到鏡面上并經反射或折射后，如會聚于一點，則該點即為物點經鏡面所成的實像點；如發(fā)散，則其反向延長后的會聚點即為物點經鏡面所成的虛像點。因此，判斷某光學鏡是否能成實（虛）像，關鍵看發(fā)散光束經該光學鏡的反射或折射后是否能變?yōu)闀酃馐赡苋詾榘l(fā)散光束）。平面鏡的反射不能改變物點發(fā)出的發(fā)散光束的發(fā)散程度，所以只能在異側成等大的、正立的虛像。凹透鏡的折射只能使物點發(fā)出的發(fā)散光束的發(fā)散程度提高，所以只能在同側成縮小的、正立的虛像。凸透鏡折射既能使物點發(fā)出的發(fā)散光束仍然發(fā)散，又能使物點發(fā)出發(fā)散光束變?yōu)榫酃馐?，所以它既能成虛像，又能成實像。在幾何光學中，光路問題是重要的研究內容。幾何光學是借用“幾何”知識來研究光的傳播問題的，而光的傳播路線又是由光的基本傳播規(guī)律來確定。所以，對于幾何光學問題，只要能夠畫出光路圖，剩下的就只是“幾何問題”了。而幾何光學中的光路通常有如下兩類：成像光路和視場光路。光的波動性是光學中的重要內容之一。光的干涉現(xiàn)象是光的波動性的重要表現(xiàn)形式。兩列波在相遇的疊加區(qū)域，某些區(qū)域使得“振動”加強，出現(xiàn)亮條紋；某些區(qū)域使得振動減弱，出現(xiàn)暗條紋。振動加強和振動減弱的區(qū)域相互間隔，出現(xiàn)明暗相間條紋的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫光的干涉現(xiàn)象。產生穩(wěn)定干涉的條件是兩列波頻率相同，振動步調一致（振動方向相同），相差恒定。兩個振動情況總是相同的波源，即相干波源。產生相干光源的方法有利用激光和分光法。分光法是將一束光分為兩束頻率和振動情況完全相同的光，這樣兩束光都來源于同一個光源，頻率必然相等。下面的四個圖分別是利用雙縫、楔形薄膜、空氣膜和平面鏡形成相干光源的示意圖。點(或縫)光源分割法：楊氏雙縫(雙孔)干涉實驗；利用反射得到相干光源：薄膜干涉。通過雙縫干涉實驗，由同一光源發(fā)出的光經過兩個狹縫后形成兩列光波疊加產生。當這兩列光波到達某點的路程差為波長的整數(shù)倍時，即δ=kλ，該處的光互相加強，出現(xiàn)亮條紋；當?shù)竭_某點的路程差為半波長奇數(shù)倍時，即δ=(2n-1)λ/2，該點光互相消弱，出現(xiàn)暗條紋。條紋間距與單色光波長成正比，即Δx=λd/(2l)，其中λ表示波長，d表示狹縫間距，l表示狹縫到屏幕的距離。因此，用單色光作雙縫干涉實驗時，屏的中央是亮紋，兩邊對稱地排列明暗相同且間距相等的條紋。用白光作雙縫干涉實驗時，屏的中央是白色亮紋，兩邊對稱地排列彩色條紋，離中央白色亮紋最近的是紫色亮紋。這是因為不同色光產生的條紋間距不同，出現(xiàn)各色條紋交錯現(xiàn)象。如果遮住其中一條縫，將出現(xiàn)明暗相間的亮度不同且不等距的衍射條紋。薄膜干涉現(xiàn)象是光照到薄膜上，由薄膜前后表面反射的兩列光波疊加而成。劈形薄膜干涉可產生平行相間條紋。兩列反射波的路程差Δδ等于薄膜厚度d的兩倍，即Δδ=2d。由于膜上各處厚度不同，故各處兩列反射波的路程差不等。若Δδ=nλ(n=1,2…)則出現(xiàn)明紋。若Δδ=(2n-1)λ/2(n=1,2…)則出現(xiàn)暗紋。應注意，干涉條紋出現(xiàn)在被照射面(即前表面)，后表面是光的折射所造成的色散現(xiàn)象。單色光明暗相間條紋，彩色光出現(xiàn)彩色條紋。薄膜干涉應用包括肥皂膜干涉、兩片玻璃間的空氣膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛頓環(huán)、蝴蝶翅膀的顏色等。透鏡增透膜(氟化鎂)是一種薄膜，其厚度應是透射光在薄膜中波長的1/4倍。這使得薄膜前后兩面的反射光的光程差為半個波長(ΔT=2d=?λ，得d=?λ)，因此反射光疊加后減弱。這大大減少了光的反射損失，增強了透射光的強度，因此這種薄膜叫做增透膜。光譜中央部分的綠光對人的視覺最敏感，通過時完全抵消，而邊緣的紅、紫光沒有顯著削弱。所有增透膜的光學鏡頭呈現(xiàn)淡紫色。從能量的角度分析，E入=E反+E透+E吸。在介質膜吸收能量不變的前提下，若E反=0，則E透最大。這增強了透射光的強度?！坝酶缮娣z查平面”：通過干涉法可以檢查平面的光滑程度。在兩個平板之間形成一層空氣膜，通過單色光從上方照射，如果平面光滑，則干涉圖樣會呈現(xiàn)等間距的條紋。如果某處凸起，則對應的明紋會提前出現(xiàn)，如果某處凹下，則對應的暗紋會延后出現(xiàn)。需要注意的是，只有采用特殊方法從同一光源分離出的兩列光疊加才能產生干涉現(xiàn)象。光的波長、波速和頻率的關系是v=λf。光在不同介質中傳播時，其頻率f不變，其波長λ與光在介質中的波速v成正比。色光的顏色由頻率決定，頻率不變則色光的顏色也不變。光的衍射現(xiàn)象是光離開直線路徑而繞到障礙物陰影里的現(xiàn)象。單縫衍射會呈現(xiàn)中央明亮、兩側對稱排列強度減弱的條紋，而圓孔衍射會呈現(xiàn)明暗相間、不等距的圓環(huán)。泊松亮斑是指當光照到不透光的極小圓板上時，在圓板的陰影中心出現(xiàn)的亮斑。在形成泊松亮斑時，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，使輪廓模糊不清。產生明顯衍射的條件是障礙物（或孔）的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小。當障礙物或孔的尺寸小于0.5mm時，會有明顯的衍射現(xiàn)象。當Δd=0.1mm=1300λ時，看到的衍射現(xiàn)象就很明顯了。光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結果，但存在明顯的區(qū)別。單色光的衍射條紋與干涉條紋都是明暗相間分布，但衍射條紋中間亮紋最寬，兩側條紋逐漸變窄變暗，干涉條紋則是等間距、明暗亮度相同。白光的衍射條紋與干涉條紋都是彩色的。光的干涉和衍射現(xiàn)象是波的特征，證明了光具有波動性。當波長較大時，干涉和衍射現(xiàn)象不太明顯，越容易觀察到這些現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象表明光沿直線傳播只是近似規(guī)律，當光波長比障礙物小得多和情況下，光才可以看作直線傳播。在發(fā)生明顯衍射的條件下，當窄縫變窄時，亮斑的范圍變大，條紋間距離變大，而亮度變暗。光的直進是幾何光學的基礎，光的衍射現(xiàn)象并沒有完全否認光的直進，而是指出光的傳播規(guī)律受一定條件制約的。光的偏振是指波只沿某個特定方向振動的現(xiàn)象，只有橫波才會出現(xiàn)偏振現(xiàn)象。實驗表明，光具有偏振現(xiàn)象，因此光波是橫波。自然光是太陽、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各個方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強度都相同。自然光通過偏振片后成形偏振光。偏振光只沿一個特定的方向振動，自然光射到兩種介質的界面上，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度，這時，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。偏振片是由特定材料制成，它上面有一個特殊方向，只有振動方向和透振方向平行的光波才能通過偏振片。光的偏振進一步證明了光是一種波，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度E引起的，因此將E的振動稱為光振動。偏振光在立體電影、照相機的鏡頭、消除車燈的眩光等方面有廣泛應用。光的干涉與衍射充分地表明光是一種波，光的偏振現(xiàn)象又進一步表明光是橫波。麥克斯韋對電磁理論的研究預言了電磁波的存在，并得到電磁波傳播速度的理論值3.11×108m/s，這和當時測出的光速3.15×108m/s非常接近。在此基礎上，麥克斯韋提出了光在本質上是一種電磁波，即光的電磁說。赫茲在電磁說提出20多年后，用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度確實等于光速，并測出其波長與頻率，并且證明了電磁波也能產生反射、折射、衍射、干涉、偏振等現(xiàn)象。用實驗證實了光的電磁說的正確性。光的電磁本性被揭示，光是一定頻率范圍內的電磁波，把光現(xiàn)象和電磁學統(tǒng)一起來，說明光與電和磁存在聯(lián)系。光能在真空中傳播的原因是電磁場本身就是物質，不需要別的介質來傳遞。電磁波譜按波長由大到小的順序排列為：無線電波、紅外線、可見光(七色)、紫外線、X射線、γ射線。不同種類的電磁波產生的基本原理、性質和用途各不相同。其中包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線和倫琴射線等。它們的頻率和波長在一定程度上有所重疊和交錯，但是它們的特性和用途都是有規(guī)律可循的。無線電波的頻率范圍在104～3×1012Hz之間，波長在3×1014～104m之間。它們主要應用于通訊、廣播、導航等領域。通過熱效應激發(fā)熒光或利用貫穿本領可以實現(xiàn)無線電波在LC電路中自原子的外層電子受到激發(fā)的目的?？梢姽馐侨祟惸軌蛑苯佑^察到的電磁波，波長在3.9×1014～7.5×1014m之間。它們的波動性較強，可以引起視覺化學作用、熒光效應、殺菌等。可見光的應用領域非常廣泛，包括照相、照明、醫(yī)療等。紅外線的波長在7.7×10-7～3.9×10-4m之間，主要性質是具有熱效應，可以用于加熱、烘干、遙感、測量等領域。黑光燈和日光燈都是利用紅外線的特性來實現(xiàn)照明的。紫外線的波長在4×10-7～7.5×10-7m之間，可以引起化學反應和熒光效應。它們的應用領域包括手術室殺菌消毒、治療皮膚病等。倫琴射線的頻率范圍在1016～3×1020Hz之間，波長在10-11～10-15m之間。它們具有貫穿本領最強的特性，可以用于探測、治療等領域。除了可見光外，其他電磁波的特性和應用也各不相同。例如，激光是人工產生的相干光，具有平行度和方向性非常好的特點，可以應用于光纖通信、激光測距雷達、激光切割等領域。吸收光譜可以反映出物質的化學組成，可用于光譜分析等領域?？傊?，電磁波是一種非常重要的物理現(xiàn)象，對于人類的生產生活和科學研究都有著重要的意義。紅外線可以被任何物體發(fā)出，并產生熱效應。它在遙感、遙控和加熱方面有著廣泛的應用。紫外線則可以被高溫物體發(fā)出，并產生化學效應，如熒光、殺菌和合成V等。X射線和陰極