光学知识汇编 学生.docx

光学知识汇编
一、光的传播
1．折射和全反射
折射定律的各种表达形式： (θ1为入、折射角中的较大者。)
当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角C时，发生全反射。
2．各种色光性质比较

3．棱镜对光的偏折作用

a
b
M
例1．如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用n1和n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是
A．n1n2，a为红光，b为蓝光 D．n1>n2，a为蓝光，b为红光
4．全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点和入射角，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90º或180º。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。
5．玻璃砖
所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：⑴射出光线和入射光线平行；⑵各种色光在第一次入射时发生色散（第二次折射不再色散）；⑶射出光线的侧移y（入射线和射出线间的距离）与折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。
a b
例2．如图所示，两细束平行的单色光a、b射向同一块玻璃砖的上表面，然后从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a的折射率较小，那么下列说法中正确的有
A．进入玻璃砖后两束光仍然是平行的
B．从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行
C．从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了
θ1
θ2
D．从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同
例3． 如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足的条件是　　　　
A．折射率必须大于
A
B
O
θ
θ
α
β
C
D
B．折射率必须小于
C．折射率可取大于1的任意值
D．无论折射率是多大都不可能
例4．如图所示，平行单色光以45º的入射角，射到横截面为半圆形玻璃砖的上表面AB上。横截面的半径为R，折射率为。试判断半圆弧AB上有光线射出的区域的长度。
7．光导纤维
利用光的全反射，可制成光导纤维。光从光导纤维一端射入后，在传播过程中经过多次全反射，最终从另一端射出。由于发生的是全反射，因此传播过程中的能量损耗非常小。用光导纤维传输信息，既经济又快捷。
例5．如图所示，一条长L=500m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以i=45º的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：⑴该激光在光导纤维中的速度v是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？
i

二、光的干涉和衍射
1．光的干涉
发生光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。
形成相干波源的方法有两种：
⑴利用激光（因为激光发出的是单色性、平行度极好的光）。
⑵设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。
b
d
a

c
S

S´

下面分别是利用双缝、利用肥皂膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。
S1
S2
平行光
S

2．干涉区域内的亮、暗纹
在两列波都能到达的区域，叠加后加强（亮纹）和减弱（暗纹）的充分必要条件分别是：
⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差δ等于波长的整数倍，即δ= nλ（n=0，1，2，……）
⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差δ等于半波长的奇数倍，即δ=（n=0，1，2，……）
S2
S1
d
l
x
在空间，以上亮纹和暗纹的集合都是若干组双曲线。设双缝间距离为d，屏到双缝距离为l，屏上某点到中心点距离为x，在l>>d和l>>x的条件下，相邻亮纹或相邻暗纹间的距离Δx可以认为是相等的。理论推导和实验检测都证明：
相邻亮纹（暗纹）间的距离
3．公式的应用
⑴利用此公式可以测定单色光的波长。
⑵用同一双缝干涉装置做实验，红光Δx最大，紫光Δx最小。由此可知红光的波长最大。由于各种色光在真空中的传播速度是相同的，本实验证明可见光中红光的频率最低。
⑶用白光作双缝干涉实验时，由于白光中各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹，其中最靠近中央白色亮纹的是紫色亮纹。
例6．用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有
A．如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大
B．如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大
C．如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大
D．如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大
例7．用太阳光照射竖直放置的肥皂膜，观察肥皂膜的反射光，将会看到彩色条纹。关于这些彩色条纹的说法中正确的有
A．所看到的彩色条纹是光的色散形成的 B．所看到的彩色条纹的每一条亮线都是竖直线
C．每一组完整的彩色亮线中，都是紫光在最上方 D．每一组完整的彩色亮线中，都是红光在最上方
例8．如图是用干涉法检查平面的平整程度的示意图。其中AB是透明的标准样板，CD是被检查的平面。用单色光从上面竖直地照射下来， 从AB上方观察到有明暗相间的条纹。这是由两束反射光叠加形成的。下列说法中正确的是
A
B
C
D
A．两束反射光分别是从AB的上表面和AB的下表面反射的
B．两束反射光分别是从AB的上表面和CD的上表面反射的
C．两束反射光分别是从AB的下表面和CD的上表面反
D．如果将右边BD间垫的薄片再变薄些，观察到相邻亮纹间的距离将减小
4．增透膜
摄影机、照相机的光学镜头、潜水艇的潜望镜等，都是由许多透镜和棱镜组成的，光进入这些装置时，在每个镜面上都有一部分光被反射，使得通过装置的光强度减弱，造成所成像的亮度不够。为解决这个问题，可以利用光的干涉，在镜面涂上一层厚度适当的透明薄膜，该膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4。这样，从膜的前后两个表面反射的光，光程差恰好等于半个波长，因而叠加后互相抵消，减弱了反射光的强度，使透射光的强度得以增大。这种膜叫增透膜。
一般情况下入射光是白光，其中各种色光的波长是不同的。因此在确定薄膜厚度时要使白光中人的视觉最敏感的绿光在垂直入射时完全抵消。这时红光和紫光的反射光不可能完全抵消，因此我们看到的这些镜头的颜色总是呈现淡紫色或兰色。
例9．登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。你能不能利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤害的眼镜？如果有一种薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？（眼镜片材料的折射率大于1.5。）

5．光的衍射

6．泊松亮斑

7．双缝干涉和单缝衍射的联系与区别

例10．平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有
A．在小孔衍射图样和泊松亮斑的中心处都是亮斑
B．泊松亮斑中心亮点周围的暗环较窄
C．小孔衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑
D．小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的
例11．关于光的衍射的下列说法中正确的是
A．只有当障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比或者比光的波长小的时候才能发生衍射
B．如果障碍物的尺寸比光的波长大得太多，就不能发生光的衍射
C．隔着高墙和墙另一侧的人说话时“听其声而不见其人”，是因为声波发生了明显衍射，而光波的衍射非常微弱
D．小孔成像就是由光的衍射形成的
三、光的电磁说
1．光的电磁说
麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，大胆地提出：光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，20年后，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。
2．电磁波谱
红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。
种 类
产 生
主要性质
应用举例

红外线
一切物体都能发出
热效应
遥感、遥控、加热
紫外线
一切高温物体能发出
化学效应
荧光、杀菌、合成VD
X射线
阴极射线射到固体表面
穿透能力强
人体透视、金属探伤
从课本可知：电磁波按照波长从大到小排列，顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。从图中还可以发现：各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。
各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。
不同的电磁波，由于波长、频率不同，表现出来的性质也不同。波长最长的无线电波容易表现出干涉、衍射等现象，而波长短的紫外线、X射线、γ射线，要观察它们的干涉、衍射就越来越困难了（但不能说它们不能发生衍射）。
可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz，波长范围是4.0-7.7×10-7m。要记住以上数量级。
例12．为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了两个发射台，分别用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为550m，电视台用的电磁波波长为0.566m。为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_____信号，这是因为该信号的波长太______，不易发生明显衍射。
K
E
A
P
Q
例13．右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，使其发射出热电子。热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极（对阴极）表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有
A．P、Q间应接高压直流电，且P接正极
B．P、Q间应接高压交流电
C．从A发出的X射线是由K到A的高速电子流反射形成的
D．从K到A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波
四、光的偏振
1．偏振现象
在沿同一个方向传播的纵波中，所有介质质点的振动方向都和波的传播方向平行，因此振动总是发生在同一条直线上的；而在沿同一个方向传播的横波中，介质质点的振动方向和波的传播方向是垂直的，而跟波的传播方向垂直的方向有无穷多种可能，沿同一方向传播的横波，质点的振动方向可能是不同的，因此会发生偏振现象。能否发生偏振，是纵波和横波的区别。利用偏振可以判定一种波是横波还是纵波。
2．光的偏振
课本介绍的演示实验证明光是一种横波。
太阳、灯泡等普通光源发出的光，包含着在垂直于光的传播方向的沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光的强度是相同的。这种光叫自然光。
v
E
B
O
自然光通过偏振片（起偏器）后成为偏振光。当检偏器的透振方向跟起偏器的透振方向相同时，通过检偏器的光强度最大；当检偏器的透振方向跟起偏器的透振方向垂直时，通过检偏器的光强度最弱。
由于光是电磁波，而电磁波中的电场方向和磁场方向都是和电磁波的传播方向垂直的（如右图所示），这也从理论上说明光是横波。
光振动垂
直于纸面
光振动
在纸面
实验证明，光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。
3．自然光和偏振光
从光源（太阳、电灯等）直接发出的光是自然光。
自然光射到两种介质的界面上，如果入射方向合适（tani=n）使反射光和折射光的夹角恰好是90º，这时反射光和折射光就都是偏振的而且它们的振动方向互相垂直。
我们通常看到的绝大多数光，都是偏振光。

4．偏振光的应用
偏振光可用于摄影。在拍摄照片时为消除水面或玻璃表面多余的反光，可以在照相机镜头前装偏振滤光片，让其透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光的干扰，使拍出的相片影象清晰。
偏振光还可用于拍摄和观看立体电影。
例14．如图，P是一偏振片，P的透振方向（用带有箭头的实线表示）为竖直方向。下列四种入射光束中，哪种照射P时不能在P的另一侧观察到透射光？
P
光束
A．太阳光
B．沿竖直方向振动的光
C．沿水平方向振动的光
D．沿与竖直方向成45°角振动的光
五、激光
1．光是从物质的原子中发射出来的。原子获得能量后处于不稳定状态，会以光子的形式把能量发射出来。
2．普通光源中的各个原子何时发光，发出什么频率的光，向什么方向发光，都是不确定的。即使同一个红色灯泡发光，也不能保证发出的光频率相同（3.9 ~ 4.9×1014Hz），因此不能得到稳定的干涉图样。
3．激光的特点
⑴激光是人工产生的相干光。
⑵激光的平行度好。（可以用来测距、测速；可以用来刻录、读取光盘）
⑶激光的亮度高。（切割、焊接、打孔、手术用光刀、治疗视网膜剥落；用于人工控制聚变）

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