大學(xué)課件-物理光學(xué)

物理光學(xué)本課程將深入探討光的本質(zhì)和行為，包括光的波動(dòng)性、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。課件大綱光的波動(dòng)性質(zhì)波動(dòng)理論、光的干涉、光的衍射光的粒子性質(zhì)黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光在介質(zhì)中的傳播光的反射、光的折射、光的色散光的偏振自然光和偏振光、吸收、反射和折射時(shí)的偏振、雙折射1.緒論本課程將帶領(lǐng)大家探索光學(xué)世界，從光的波動(dòng)性和粒子性出發(fā)，研究光的干涉、衍射、偏振、以及激光等重要現(xiàn)象。光在自然界中的重要性光合作用植物利用光能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為食物，為生物圈提供能量。視覺(jué)動(dòng)物通過(guò)光線感知周?chē)h(huán)境，進(jìn)行捕食、躲避天敵和尋找食物。自然現(xiàn)象光線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生彩虹、日暈、海市蜃樓等美麗自然現(xiàn)象。光的基本性質(zhì)直線傳播在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播，這是光學(xué)的基礎(chǔ)原理之一。反射光線遇到物體表面發(fā)生改變方向的現(xiàn)象，比如鏡子反射光線。折射光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象，比如光線穿過(guò)水或玻璃。2.光的波動(dòng)性質(zhì)波動(dòng)理論光的波動(dòng)性質(zhì)，指光以波的形式傳播，這種傳播方式可以解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象?；莞乖砘莞乖斫忉屃斯獾牟▌?dòng)性，它指出，在波前上任何一點(diǎn)都可以看作新的子波的波源，這些子波相互疊加形成新的波前。波動(dòng)理論光的波動(dòng)性惠更斯原理認(rèn)為光波是一種橫波，傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象。光的電磁波性質(zhì)麥克斯韋方程組證實(shí)了光是一種電磁波，能夠在真空中傳播。光的干涉當(dāng)兩束或多束相干光波相遇時(shí)，由于波的疊加，會(huì)在空間中形成穩(wěn)定的明暗相間條紋，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。光的干涉現(xiàn)象是波動(dòng)性的典型表現(xiàn)。光的干涉現(xiàn)象在生活中隨處可見(jiàn)，例如肥皂泡表面的彩色條紋、薄膜上的彩虹等。在科學(xué)技術(shù)方面，光的干涉也具有重要的應(yīng)用，例如激光干涉儀、干涉顯微鏡等。光的衍射光的衍射是指光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物或孔徑時(shí)，偏離直線傳播路徑的現(xiàn)象。這是光的波動(dòng)性的重要表現(xiàn)之一。衍射現(xiàn)象在生活中十分常見(jiàn)，例如，當(dāng)我們透過(guò)窗簾縫隙看到的光線，或者透過(guò)光盤(pán)上的刻痕看到的光斑，都是光的衍射現(xiàn)象。3.光的粒子性質(zhì)光電效應(yīng)光照射到金屬表面會(huì)發(fā)射出電子，該現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)表明，光具有粒子性，即光是由稱為光子的能量量子組成的。康普頓效應(yīng)當(dāng)光子與電子發(fā)生碰撞時(shí)，光子會(huì)損失一部分能量，并改變方向。該現(xiàn)象被稱為康普頓效應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了光的粒子性。黑體輻射熱輻射所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出電磁輻射。黑體理想化的物體，能夠完全吸收所有波長(zhǎng)的入射電磁輻射。普朗克定律描述黑體輻射能量分布隨波長(zhǎng)和溫度變化的規(guī)律。光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子會(huì)吸收光能而脫離金屬表面，形成光電流。光電效應(yīng)的發(fā)生與光的頻率有關(guān)，只有當(dāng)光的頻率大于金屬的逸出功時(shí)才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)公式愛(ài)因斯坦解釋了光電效應(yīng)，他認(rèn)為光具有粒子性，光子可以將能量傳遞給電子，使電子脫離金屬表面。光子的能量與光的頻率成正比，光電效應(yīng)公式為:E=hf-W，其中h為普朗克常數(shù)，f為光的頻率，W為金屬的逸出功?？灯疹D效應(yīng)光子與電子碰撞光子能量減少散射光波長(zhǎng)變長(zhǎng)4.光在介質(zhì)中的傳播光的反射當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，一部分光線會(huì)返回到原介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為光的反射。光的折射當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，光線會(huì)改變方向，這種現(xiàn)象稱為光的折射。光的反射1反射定律入射光線、反射光線和法線在同一平面內(nèi)，反射角等于入射角。2鏡面反射光線從光滑表面反射，反射光線平行，如鏡子反射。3漫反射光線從粗糙表面反射，反射光線散射，如墻壁反射。光的折射折射現(xiàn)象光線從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的折射。折射定律折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)。入射角的正弦與折射角的正弦之比為一個(gè)常數(shù)，稱為介質(zhì)的折射率。折射率折射率與光的波長(zhǎng)有關(guān)，不同顏色的光在同一介質(zhì)中的折射率不同，導(dǎo)致光色散現(xiàn)象。光的色散白光分解當(dāng)白光通過(guò)棱鏡時(shí)，它會(huì)被分解成不同的顏色。折射率差異不同顏色的光在介質(zhì)中的折射率不同，導(dǎo)致它們以不同的角度折射。彩虹現(xiàn)象雨后陽(yáng)光照射到空氣中的水滴時(shí)，也會(huì)發(fā)生光的色散，形成彩虹。光的偏振光的偏振是指光波振動(dòng)方向的特性。自然光的光波振動(dòng)方向是隨機(jī)的，而偏振光的光波振動(dòng)方向是確定的。自然光和偏振光自然光是由不同方向振動(dòng)的光波組成的，振動(dòng)方向是隨機(jī)的。偏振光是指振動(dòng)方向確定的光波，其振動(dòng)方向與傳播方向垂直。吸收、反射和折射時(shí)的偏振反射當(dāng)光從一種介質(zhì)反射到另一種介質(zhì)時(shí)，反射光通常會(huì)部分偏振。偏振方向取決于入射角和介質(zhì)的折射率。折射當(dāng)光從一種介質(zhì)折射到另一種介質(zhì)時(shí)，折射光也會(huì)部分偏振。偏振方向取決于入射角和介質(zhì)的折射率。吸收某些材料能夠吸收特定方向的偏振光，而透射其他方向的偏振光。例如，偏振片只允許與偏振方向一致的偏振光通過(guò)。雙折射雙折射現(xiàn)象某些晶體，如方解石，具有兩個(gè)折射率，因此一束光線進(jìn)入后會(huì)分裂成兩束偏振光。尋常光和非常光一束光線通過(guò)雙折射晶體，會(huì)產(chǎn)生兩束偏振光，分別稱為尋常光和非常光。應(yīng)用雙折射現(xiàn)象在光學(xué)儀器，如偏振鏡，中具有重要應(yīng)用。光的干涉與衍射干涉當(dāng)兩束或多束光波相遇時(shí)，由于波的疊加而產(chǎn)生的現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象是光波動(dòng)性的重要表現(xiàn)。衍射當(dāng)光波遇到障礙物或孔隙時(shí)，光波偏離直線傳播路徑而繞過(guò)障礙物或孔隙的現(xiàn)象。楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是證明光波動(dòng)性的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，兩束來(lái)自同一光源的光束通過(guò)兩條狹縫，在屏幕上產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的間距取決于光的波長(zhǎng)和兩條狹縫之間的距離。薄膜干涉薄膜干涉是指兩束光線在薄膜表面反射時(shí)相互干涉的現(xiàn)象。這種干涉現(xiàn)象與薄膜的厚度、折射率和入射角有關(guān)。薄膜干涉在生活中有很多應(yīng)用，例如肥皂泡、光學(xué)鍍膜和激光干涉儀。衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象是光波繞過(guò)障礙物或孔隙傳播的現(xiàn)象，它證明了光具有波動(dòng)性。衍射現(xiàn)象在生活中隨處可見(jiàn)，例如，透過(guò)窗簾縫隙的光線會(huì)產(chǎn)生衍射圖案，以及光碟上的彩虹色也源于衍射。衍射現(xiàn)象光波在傳播過(guò)程中，遇到障礙物或孔徑時(shí)，會(huì)偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為衍射現(xiàn)象。惠更斯原理解釋衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)衍射類型單縫衍射、多縫衍射、圓孔衍射激光的基本原理受激輻射原子吸收能量躍遷到高能級(jí)，然后在其他光子的刺激下，躍遷回低能級(jí)，發(fā)射與入射光子相同性質(zhì)的光子。諧振腔兩個(gè)平行反射鏡構(gòu)成諧振腔，使受激輻射的光子在腔內(nèi)多次反射，不斷增強(qiáng)。光束輸出通過(guò)一個(gè)半透鏡，將部分激光束輸出，形成方向一致、單色性好、相干性高的激光。激光的種類和性質(zhì)種類激光按照工作物質(zhì)可分為氣體激光、固體激光、液體激光和半導(dǎo)體激光。氣體激光以氦氖激光和二氧化碳激光最為常見(jiàn)，固體激光以紅寶石激光和釹玻璃激光為代表，液體激光以染料激光為典型，半導(dǎo)體激光以砷化鎵激光和磷化銦激光為代表。性質(zhì)激光的特點(diǎn)主要包括：?jiǎn)紊浴⒎较蛐?、相干性、高亮度等。單色性是指激光的光譜寬度很窄，方向性是指激光的光束發(fā)散角很小，相干性是指激光各部分光波之間保持著固定的相