物理竞赛讲义14.doc

光 学 一、知识网络或概要 1、几何光学 光的直进、反射、折射 光的色散折射率与光速的关系 平面镜成像球面镜反射成像公式及作图法薄透镜成像公式及作图法 2、波动光学 光程光的干涉和衍射双缝干涉单缝衍射 光谱和光谱分析电磁波谱 3、光的本性 光电效应爱因斯坦方程波粒二象性光子的能量与动量 二、知识点剖析 1．光的直线传播 （1） 、光在均匀媒质中是直线传播的，光在真空中的传播速度为 c=3.00×108m/s，在其他 媒质中的传播速度都小于 c. （2） 、影：光射到不透明的物体上，在背光面的后方形成一个光线照不到的黑暗区域，就是 物体的影，在这黑暗区域中完全照不到的区域叫做本影，只有一部分光照射不到的区域叫做 半影 B 为本影区，ACD 区为半影区 B 区可看到日全食，A、D 区 可看到日偏食；C 区可看到 日环食 月食是月球位于地球阴影区而形成的，若将图中的月球换成地球，则月球位于什么位置时才 能看到月食？ 2、光的反射 （1） 、光的反射定律：反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别 位于法线的两侧，反射角等于入射角 （2） 、在光的反射中，光路是可逆的 ①.平面镜就是利用光的反射定律来控制光路和成像的光学器件。

物体在平面镜内可成与物 等大的正立虚像，物、像关于镜面对称.在进行平面镜成像作图时，通常先根据物、像对称 的特点确定像的位置，再补画必要的入射光线和反射光线 ②球面反射镜 A.成像公式： B.符号法则：光从左到右入射时，球心 C 在顶点 O 之左，为凹面镜，则球面半径 r0；物点 Q 在顶点 O 之左，为实物，则物距 s>0；焦距 f 的符号 规定与 s 相同；像点 在顶点 O 之左，为实像，则 >0,若 在 O 之右，为虚像，则 0,在光轴之下 y0,在光轴 下为 0 表示像为正立；v1 表示放大，\v\>1 表示缩小 （5）成像作图法：主要依据三条特殊光线确定像的位置 ①平行主轴的光线，经凸透镜折射后通过焦点，若为凹透镜，折射光线的反向演唱像通过焦 点； ②通过焦点的光线，经凸透镜折射后与主轴平行，若为凹透镜，指向透镜另一侧焦点的光线 经折射后与主轴平行； ③通过光心的光线，经透镜后方向不变 以上三条特殊光线中的任何两条，可以确定像的位置 ④实像和虚像：两条实际光线的交点为实像点；光线反向延长线的交点为虚像点像点位置 确定后，也同时确定了像的虚实、倒正和大小实像用光屏接收，经光屏的反射用眼观察。

虚像必须用眼直接观察 4．全反射 光照射到两种介质界面上时，光线全部被反射回原介质的现象称为全反射现象发生全反射 的条件为：1.光线从光密介质射向光疏介质；2.入射角大于或等于临界角.(光线从某种介质 射向真空或空气时的临界角 C 为：sinC= ) 温馨提示：在运用光的折射定律作光路图和解决实际问题时，首先要判断是否会发生全反射.在 确定未发生全反射的情况下，再根据折射定律确定入射角或折射角 不同频率的色光在同一介质中传播时，该介质对频率较高的色光的折射率大，对频率较低的 色光的折射率小.同一频率的色光在不同介质中传播时，频率不变，光速（v=c/n）改变，波长亦随之改 变（λ=λ0/n,λ0 为色光在真空中的波长） 5．光的色散 光线照射到棱镜的一个侧面上时，经两个侧面折射后，出射光线向棱镜的底边偏折.物体经 棱镜所成的虚像的位置比物体实际位置向顶角方向偏移. 白光通过棱镜折射后会发生色散现象.光的色散现象表明：(1)白光为复色光；(2)同一介质 对不同色光的折射率不同，频率越高的光折射率越大；不同色光在同一介质中的传播速度不 同，频率越高的光传播速度越小 6．折射元件（1）眼睛 ㈠人眼结构：水晶体：即眼珠，由折射率为 1.42 的胶状透明物质组成的双凸透镜，前、 后面曲率半径分别为 1 厘米和 0.6 厘米。

①玻璃液：水晶体被一种透明淡盐溶液包围，这种溶液称玻璃液，折射率为 1.33 ②瞳孔：玻璃液被称为巩膜的白色坚韧的膜包围，形成眼球，直径约为 2.4 厘米眼球前 方有一小远控，称为瞳孔外来光束过弱时，瞳孔直径可扩大到 0.8 厘米 ③视网膜：眼球后方有一极薄的膜，称为视网膜由视神经把视网膜和大脑联系起来 ㈡人眼的调节功能： ①自调节：水晶体有自我调节功能，使它的曲半径变化，从而自动改变焦点，使物体在视 网膜上成像 ②近点和远点：眼睛能看清楚的最近点称为近点；最远点称为远点随着年龄增加，近点 逐渐变远，远点逐渐变近 ③非正常眼：正常眼能看清楚眼前 25 厘米处物体的细节，故把 25 厘米称为明视距离远 点不在无限远而在眼前有限的距离，称为近视眼可用凹透镜矫正近点离眼很远的，称为 远视眼，可用凸透镜矫正眼珠在不同方向的平面内曲率不同，称为散光眼，可用非球面透 镜矫正 （2）照相机：由物镜、快门、暗箱等组成用感光片记录物体倒立实像，经显影和定影 后，得到明暗对比与物体相反的负片如为彩照，负片的色彩与物体互成补色快门控制感 光片曝光时间，暗箱防止漏光物镜中装有调节直径大小的光圈，用来改变像的照度，缩小 光圈还可增加成像的景深。

复杂的照相机装有可变焦距的物镜 （3）放大镜：一个焦距 f 很短的会聚透镜f 远小与明视距离 s，作用是放大物体在视 网膜上所成的像像所张的视角与肉眼观察时物体在明视距离处所张的视角之比，定义为放 大镜的视角放大率 M， （4）幻灯片：使透明图片在屏幕上成放大倒立实像的仪器，由光源、聚光器和放映镜头 （凸透镜）等组成 （5）显微镜 ①．结构：在放大镜（目镜）前加一个称为物镜的焦距极短的会聚透镜，组成显微镜 物体放在物镜物方焦点外侧附近，经物镜成放大实像于目镜物方焦点内侧附近再经目镜成 放大虚像于明视距离以外 ②．放大倍率：物镜、目镜的焦距分别为 f0 和 fe，如光学筒长为 ，明视距离为 S0,则 显微镜放大倍率为： 负号表示像是倒立的 （6）望远镜 ①．结构：物镜为凸透镜，焦距较长，把无穷远处的物成像在物镜的像方焦平面上目 镜有两类，用短焦距凸透镜做目镜的，称为开普勒望远镜，成倒立像用短焦距凹透镜做目 镜的，称为伽利略望远镜，成正立像 ②．放大倍率：用 S0、fe 表示物、目镜的焦距，则放大倍率为 ，负号表示像是倒的③．最小分辨角：望远镜能辨别远处两物点的最小角距离称为最小分辨角。

由光波波长 和望远镜的通光孔 D 所决定： . 7．光的干涉 （1） 、双缝干涉：在用单色光做双缝干涉实验时，若双缝处光的振动情况完全相同，则在光 屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方出现明条纹；光屏上距双缝的路程差为光波半 波长的奇数倍的地方出现暗条纹.理论和实验都证明，在实验装置不变的条件下，干涉条纹间距(相邻两条明条纹中心或相邻两条暗条纹中心间的距离)跟波长成正比所以从红光到紫光的干涉条纹间距将越来越 小在用白光做双缝干涉实验时，除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹 （2） 、薄膜干涉：光照射到薄膜上时，被膜的前、后表面反射的两列光相叠加，也可发生干 涉现象.若入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的 干涉条纹.温馨提示： 利用双缝干涉可以精确测定光的波长，而薄膜干涉常用于检查平面质量和镜头的增透膜 8．光的衍射光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象.只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小或者跟波长差不多的条件下，才能发生明显的衍 射现象.著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射现象. 9．光的电磁说 （1） 、麦克斯韦电磁场理论认为光是一种电磁波.赫兹用实验证实了光的电磁本性. （2） 、电磁波谱：电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外 线、X 射线、γ 射线.其产生机理、性质差别、用途等可概括如下表： 波 谱无线电波红外线可见光紫外线X 射线γ 射线 产生机理振荡电路中自由电子运动原子外层电子受激发原子内层电子受激发原子 核受激发 特 性波动性强热效应引起视觉化学作用、荧光效应、杀菌贯穿作用强 贯穿本领最强 应 用无线电技术加热、遥感照明摄影感光技术医用消毒检查探测医用透视 工业探伤医用治疗 10．光谱和光谱分析光谱分析：根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析. 11．光电效应 (1)、在光的照射下从物体上发射电子的现象叫做光电效应，发射出的电子叫光电子。

光电 效应的实验规律如下： ①存在饱和电流 在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值 入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，光电流越大 （当入射光的频率大于截止频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比） ②存在遏止电压和截止频率 使光电流减小到零的反向电压称为遏止电压（Uc ） 遏止电压的存在意味着光电子具有一定 的初速度，它的的上限速度（Vc）满足：1/2mVc2 =eUc 一定频率的光，无论光强如何，遏止电压都一样 任何一种金属都有一个截止频率（或称为极限频率） ，入射光的频率必须大于这个截止频率， 才能产生光电效应,低于这个频率的光不能产生光电效应 ③入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 10-9 s.(2)、爱因斯坦为解释光电效应现象，提出了光子说，其内容为：空间传播的光是不连 续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量为Ｅ=hν (3)、爱因斯坦的光电效应方程：Ｅk=hν-W0 Ｅk：光电子的最大初动能；W0 ：逸出功 ①光电效应是金属中的自由电子吸收了光子的能量后，其动能大到足以克服金属离子的引力 而逃逸出金属表面，成为光电子。

对一定的金属来说，逸出功是一定的照射光的频率越大， 光子的能量越大，从金属中逸出的光电子的初动能就越大.如果入射光子的频率较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应，这就是存在截止频率的原因. ②光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值(对应从阴极发射出的电子全部 被拉向阳极的状态)因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还 与光电管两极间的电压有关,只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比 ③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大 12．光的波粒二象性 光既具有波动性，又具有粒子性为说明光的一切行为，只能说光具有波粒二象性 (1)既不可把光当成宏观观念中的波，也不可把光当成微观观念中的实物粒子 (2)大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性；频率 越低的光波动性越明显，频率越高的光粒子性越明显 三、重点热点透析 1．光的本性 ①由于物质发光的特殊性，任何两个独立的光源发出的光相叠加均不能产生干涉现象.只有 采用特殊的方法从同一光源分离出两列频率相同的光波相叠加，才可能发生干涉现象.双缝 干涉、薄膜干涉等都是采用这种“分光”方法而获得相干光源的. ②在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一明 条纹或同一暗条纹应出现在膜的厚度相同的地方。

由于光波波长极短，因此做薄膜干涉实验 所用介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹 ③光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区别：双缝干涉条纹是等间 距、等亮度的，而单缝衍射条纹除中央明条纹最宽、最亮外，两侧条纹亮度逐渐减小 【例 1】 在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝 中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，这 时（ ） A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D.屏上无任何光亮 【例 2】 劈尖干涉是一种薄膜干。