高二物理第十三章 光知識(shí)梳理

 　　一、光的折射定律;折射率

　　光的折射定律，也叫斯涅耳定律：入射角的正弦跟折射角的正弦成正比.如果用n12來表示這個(gè)比例常數(shù)，就有

　　折射率：光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，雖然入射角的正弦跟折射角的正弦之比為一常數(shù)n，但是對(duì)不同的介質(zhì)來說，這個(gè)常數(shù)n是不同的.這個(gè)常數(shù)n跟介質(zhì)有關(guān)系，是一個(gè)反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量，我們把它叫做介質(zhì)的折射率。

　　定義式：

　　光從真空射入某種介質(zhì)時(shí)的折射率，叫做該種介質(zhì)的絕對(duì)折射率，也簡(jiǎn)稱為某種介質(zhì)的折射率。

　　二、測(cè)定玻璃的折射率(實(shí)驗(yàn)、探究)

　　實(shí)驗(yàn)原理：如圖所示，入射光線AO由空氣射入玻璃磚，經(jīng)OO1后由O1B方向射出。作出法線NN1，則折射率n=sinα/sinγ。

　　注意事項(xiàng)：手拿玻璃磚時(shí)，不準(zhǔn)觸摸光潔的光學(xué)面，只能接觸毛面或棱，嚴(yán)禁把玻璃磚當(dāng)尺畫玻璃磚的界面;

　　實(shí)驗(yàn)過程中，玻璃磚與白紙的相對(duì)位置不能改變;大頭針應(yīng)垂直地插在白紙上，且玻璃磚每一側(cè)的兩個(gè)大頭針距離應(yīng)大一些，以減小確定光路方向造成的誤差;入射角應(yīng)適當(dāng)大一些，以減少測(cè)量角度的誤差。

　　三、光的全反射;光導(dǎo)纖維

　　全反射現(xiàn)象：當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí),折射角大于入射角。當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí),折射角等于90°，此時(shí)，折射光完全消失入射光全部反回原來的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做全反射。

　　臨界角：

　�、俣�義:光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),折射角等于90°時(shí)的入射角，叫做臨界角

　　②臨界角的計(jì)算:

　　光導(dǎo)纖維：當(dāng)光線射到光導(dǎo)纖維的端面上時(shí)，光線就折射進(jìn)入光導(dǎo)纖維內(nèi)，經(jīng)內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生多次全反射后，從光導(dǎo)纖維的另一端面射出，而不從外套散逸,故光能損耗極小。

　　四、光的干涉、衍射和偏振

　　1、光的干涉

　　(1)產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件：只有兩列光波的頻率相同，位相差恒定，振動(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

　　(2)條紋寬度(或條紋間距) 相鄰兩條亮(暗)條紋的間距Δx為：

　　上式說明，兩縫間距離越小、縫到屏的距離越大，光波的波長越大，條紋的寬度就越大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置一定，紅光的條紋間距最大，紫光的條紋間距最小。這表明不同色光的波長不同，紅光最長，紫光最短。

　　幾個(gè)問題：

　�、僭陔p縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果用紅色濾光片遮住一個(gè)狹縫S1，再用綠濾光片遮住另一個(gè)狹縫S2，當(dāng)用白光入射時(shí)，屏上是否會(huì)產(chǎn)生雙縫干涉圖樣?

　　這時(shí)在屏上將會(huì)出現(xiàn)紅光單縫衍射光矢量和綠光單縫衍射光矢量振動(dòng)的疊加。由于紅光和綠光的頻率不同，因此它們?cè)谄辽席B加時(shí)不能產(chǎn)生干涉，此時(shí)屏上將出現(xiàn)混合色二單縫衍射圖樣。

　�、谠陔p縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果遮閉其中一條縫，則在屏上出現(xiàn)的條紋有何變化?原來亮的地方會(huì)不會(huì)變暗?

　　如果遮住雙縫其中的一條縫，在屏上將由雙縫干涉條紋演變?yōu)閱慰p衍射條紋，與干涉條紋相比，這時(shí)單縫衍射條紋亮度要減弱，而且明紋的寬度要增大，但由于干涉是受衍射調(diào)制的，所以原來亮的地方不會(huì)變暗。

　　③雙縫干涉的亮條紋或暗條紋是兩列光波在光屏處疊加后加強(qiáng)或抵消而產(chǎn)生的，這是否違反了能量守恒定律?

　　暗條紋處的光能量幾乎是零，表明兩列光波疊加，彼此相互抵消，這是按照光的傳播規(guī)律，暗條紋處是沒有光能量傳到該處的原因，不是光能量損耗了或轉(zhuǎn)變成了其它形式的能量。同樣，亮條紋處的光能量比較強(qiáng)，光能量增加，也不是光的干涉可以產(chǎn)生能量，而是按照波的傳播規(guī)律到達(dá)該處的光能量比較集中。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)不違反能量守恒定律。

　　(3)薄膜干涉及其應(yīng)用

　　(1)原理

　�、俑缮娣�檢查精密部件的表面

　　取一個(gè)透明的標(biāo)準(zhǔn)樣板，放在待檢查的部件表面并在一端墊一薄片，使樣板的平面與被檢查的平面間形成一個(gè)楔形空氣膜，用單色光從上面照射，入射光從空氣層的上下表面反射出兩列光形成相干光，從反射光中就會(huì)看到干涉條紋，如圖2-3甲所示。

　　如果被檢表面是平的，那么空氣層厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直線上，產(chǎn)生的干涉條紋就是平行的(如圖2-3乙);

　　如果觀察到的干涉條紋如圖2-3丙所示，A、B處的凹凸情況可以這樣分析：由丙圖知，P、Q兩點(diǎn)位于同一條亮紋上，故甲圖中與P、Q對(duì)應(yīng)的位置空氣層厚度相同。由于Q位于P的右方(即遠(yuǎn)離楔尖)，如果被檢表面是平的，Q處厚度應(yīng)該比P處大，所以，只有當(dāng)A處凹陷時(shí)才能使P與Q處深度相同。同理可以判斷與M對(duì)應(yīng)的B處為凸起。

　�、谠鐾改�

　　是在透鏡、棱鏡等光學(xué)元件表面涂的一層氟化鎂薄膜。當(dāng)薄膜的兩個(gè)表面上反射光的路程差等于半個(gè)波長時(shí)，反射回來的光抵消。從而增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。顯然增透膜的厚度應(yīng)該等于光在該介質(zhì)中波長的1/4。

　　由能量守恒可知，入射光總強(qiáng)度=反射光總強(qiáng)度+透射光總強(qiáng)度。光的強(qiáng)度由光的振幅決定。

　　當(dāng)滿足增透膜厚度時(shí)，兩束反射光恰好實(shí)現(xiàn)波峰與波谷相疊加，實(shí)現(xiàn)干涉相消，使其合振幅接近于零，即反射光的總強(qiáng)度接近于零，從總效果上看，相當(dāng)于光幾乎不發(fā)生反射而透過薄膜，因而大大減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。

　　增透膜只對(duì)人眼或感光膠片上最敏感的綠光起增透作用。當(dāng)白光照到(垂直)增透膜上，綠光產(chǎn)生相消干涉，反射光中綠光的強(qiáng)度幾乎是零。這時(shí)其他波長的光(如紅光和紫光)并沒有被完全抵消。因此，增透膜呈綠光的互補(bǔ)色——淡紫色。

　　光的衍射

　　⑴現(xiàn)象：

　�、賳慰p衍射

　　a.單色光入射單縫時(shí)，出現(xiàn)明暗相同不等距條紋，中間亮條紋較寬，較亮兩邊亮條紋較窄、較暗;

　　b.白光入射單縫時(shí)，出現(xiàn)彩色條紋。

　�、趫A孔衍射：光入射微小的圓孔時(shí)，出現(xiàn)明暗相間不等距的圓形條紋

　　③泊松亮斑:光入射圓屏?xí)r，在園屏后的影區(qū)內(nèi)有一亮斑

　　⑵光發(fā)生衍射的條件:障礙物或孔的尺寸與光波波長相差不多，甚至此光波波長還小時(shí)，出現(xiàn)明顯的衍射現(xiàn)象

　　光的偏振

　　自然光：從普通光源直接發(fā)生的天然光是無數(shù)偏振光的無規(guī)則集合，所以直接觀察時(shí)不能發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)偏于一定方向。這種沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同的光叫自然光;

　　太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向的平面內(nèi)沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波強(qiáng)度都相同，這種光都是自然光。

　　自然光通過第一個(gè)偏振片P1(叫起偏器)后，相當(dāng)于被一個(gè)“狹縫”卡了一下，只有振動(dòng)方向跟“狹縫”方向平行的光波才能通過。

　　自然光通過偏振片Pl后雖然變成了偏振光，但由于自然光中沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波強(qiáng)度都相同，所以不論晶片轉(zhuǎn)到什么方向，都會(huì)有相同強(qiáng)度的光透射過來。再通過第二個(gè)偏振片P2(叫檢偏器)去觀察就不同了;不論旋轉(zhuǎn)哪個(gè)偏振片，兩偏振片透振方向平行時(shí)，透射光最強(qiáng)，兩偏振片的透振方向垂直時(shí)，透射光最弱。

　　光的偏振現(xiàn)象在技術(shù)中有很多應(yīng)用.例如拍攝水下的景物或展覽櫥窗中的陳列品的照片時(shí)，由于水面或玻璃會(huì)反射出很強(qiáng)的反射光，使得水面下的景物和櫥窗中的陳列品看不清楚，攝出的照片也不清楚。

　　如果在照相機(jī)鏡頭上加一個(gè)偏振片，使偏振片的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以把這些反射光濾掉，而攝得清晰的照片;此外，還有立體電影、消除車燈眩光等等。

　　五、激光的特性及應(yīng)用

　　激光，是“受激輻射光放大”的簡(jiǎn)稱，它是用人工的方法產(chǎn)生的一種特殊的光.激光是20世紀(jì)的一項(xiàng)重要發(fā)明，由于它有著普通光無法比擬的一些特性，已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用.產(chǎn)生激光的裝置稱為激光器，它主要由三部分組成，即工作物質(zhì)、抽運(yùn)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔。

　　激光的特性：

　　①平行度非常好.激光束的光線平行度極好，從地面上發(fā)射的一束極細(xì)的激光束，到達(dá)月球表面時(shí)，也只發(fā)散成直徑lm多的光斑，因此激光在地面上傳播時(shí)，可以看成是不發(fā)散的。

　�、诟叨鹊南喔尚�.激光器發(fā)射的激光，都集中在一個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，由于光的顏色是由頻率決定的，因此激光器是最理想的單色光源.由于激光束的高度平行性及極強(qiáng)的單色性，因此激光是最好的相干光，用激光器作光源觀察光的干涉和衍射現(xiàn)象，都能取得較好的效果。

　�、哿炼雀�.所謂亮度，是指垂直于光線平面內(nèi)單位面積上的發(fā)光功率，自然光源亮度最高的是太陽，而目前的高功率激光器，亮度可達(dá)太陽的1萬倍。

　

　　(責(zé)任編輯：彭海芝)

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