光學 優(yōu)質(zhì)課程多媒體課件 緒 論 第一章 光的干涉 第二章 光的衍射 第三章 幾何光學的基本原理 第四章 光學儀器的基本原理 第五章 光的偏振 第七章 光的量子性 緒 論 0學的研究內(nèi)容和方法 一、光學的重要性 二、光學的研究內(nèi)容 1、光的發(fā)射、傳播和接收等規(guī)律 2、光和其他物質(zhì)的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。 光的機械作用和光的熱、電、化學和生理作用（效應）等。 3、光的本性問題 4、光在生產(chǎn)和社會生活中的應用 三、研究方法 實驗 實驗 假設 理論 0學發(fā)展簡史 一、萌芽時期 世界光學的（知識）最早記錄，一般書上說是古希臘歐幾里德關(guān)于“人為什么能看見物體”的回答，但應歸中國的墨翟。從時間上看，墨翟（公元前 468 376年），歐幾里德（公元前 330 275年），差一百多年。 墨翟（公元前 468 376年） 春秋末戰(zhàn)國初期魯國人（今山東省滕州市） 墨子是我國戰(zhàn)國時期著名的思想家、教育家、科學家、軍事家、社會活動家， 墨家學派的創(chuàng)始人。創(chuàng)立墨家學說，并有 墨子 一書墨子傳世。 節(jié)儉、非攻、兼愛、尚鬼 從內(nèi)容上看 ， 墨經(jīng)中有八條關(guān)于光學方面的：第一條 ， 敘述了影的定義與生成； 第二條說明光與影的關(guān)系； 第三條 ， 暢言光的直線傳播 ， 并用針孔成像來說明； 第四條 ， 說明光有反射性能；第五條 ， 論光和光源的關(guān)系而定影的大?。?第六 、 七 、 八條 ， 分別敘述了平面鏡 、 凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系 。 歐幾里德在 光學 中 ，研究了平面鏡成像問題 ， 指出反射角等于入射角的反射定律 ， 但也同時反映了對光的錯誤認識 從人眼向被看見的物體伸展著某種觸須似的東西 。 克萊門德 （ 公元 50年 ） 和托勒玫 （ 公元 90 168年 ） 研究了光的折射現(xiàn)象 ， 最先測定了光通過兩種介質(zhì)分界面時的入射角和折射角 。 羅馬的塞涅卡 （ 公元前 3公元 65年 ） 指出充滿水的玻璃泡具有放大性能 。 阿拉伯的馬斯拉來 、 埃及的阿爾哈金 （ 公元 965 1038年 ）認為光線來自被觀察的物體 ， 而光是以球面波的形式從光源發(fā)出的 ， 反射線與入射線共面且入射面垂直于界面 。 沈括 （ 1031 1095年）所著 夢溪筆談 中，論述了凹面鏡、 凸面鏡成像的規(guī)律，指出測定凹面鏡焦距的原理、虹的成因。 培根（ 1214 1294年）提出用透鏡校正視力和用透鏡組成望遠鏡的可能性。 沈括（ 1031 1095年） 培根（ 1214 1294年） 阿瑪?shù)?（ 1299年）發(fā)明了眼鏡。 波特 （ 1535 1561年）研究了成像暗箱。 特點： 只對光有些初步認識，得出一些零碎結(jié)論，沒有形成系統(tǒng)理論。 二、幾何光學時期 菲涅耳和迪卡爾提出了折射定律 這一時期建立了 反射定律和折射定律 ，奠定了幾何光學基礎。 李普塞（ 1587 1619）在 1608年發(fā)明了第一架望遠鏡。 延森 （ 1588 1632）和馮特納（ 1580 1656）最早制作了復合顯微鏡。 1610年， 伽利略 用自己制造的望遠鏡觀察星體，發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星。 三、波動光學時期 1865年 ， 麥克斯韋提出 ， 光波就是一種電磁波 1801年，托馬斯 楊做出了光的雙縫干涉實驗 托馬斯 楊 惠更斯 牛頓 1808年，馬呂發(fā)現(xiàn)了光在兩種介質(zhì)界面上反射時的偏振性。 1815年，菲涅耳提出了惠更斯 菲涅耳原理 通過以上研究，人們確信光是一種波動。 1845年，法拉弟發(fā)現(xiàn)了光的振動面在強磁場中的旋轉(zhuǎn)，揭 示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。 四、量子光學時期 光的電磁理論不能解釋黑體輻射能量按波長的分布和 1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應 1900年普朗克提出輻射的量子理論 1905年愛因斯坦提出光量子假說； 1923年康普頓和吳有訓用實驗證實了光的量子性 。 至此 ， 人們認識到光具有波粒二象性 。 愛因斯坦 五、現(xiàn)代光學時期 1960年 ， 梅曼制成了紅寶石激光器 ， 激發(fā)的問世 ， 使古老的光學煥發(fā)了青春 ， 光學與許多科學技術(shù)領(lǐng)域相互滲透 ， 相互結(jié)合 ， 派生出許多嶄新的分支 。 主要包括：激光 、 全息照相術(shù) 、光學纖維 、 紅外技術(shù) 。 激發(fā) 、 原子能 、 半導體 、 電子計算機被稱作當代四大光明 。 美 機載激光系統(tǒng) 近年又產(chǎn)生了付立葉光學和非線性光學 。 付立葉光學：將數(shù)學中的付立葉變換和通訊中的線性系統(tǒng)理論引入光學 。 要求： 1、 看教材和參考書 ， 培養(yǎng)自學能力 。 2、 作業(yè)要認真做 ， 講究格式 ， 字跡工整 ， 按時交送 ， 作業(yè)分占 20%， 一學期缺 5次以上取消考試資格 。 3、 不遲到 、 早退 ， 有事請假 ， 無事不曠課 。 教材說明：按大綱要求 ， 附錄原則上不講 ， 帶 “ *”號不講 。 一、 光的電磁理論 按照麥克斯韋電磁場理論，變化的電場會產(chǎn)生變化 的磁場，這個變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣變化 的電場和變化的磁場不斷地相互激發(fā)并由近及遠地傳播 形成 電磁波 。 平面簡諧電磁波 )(c o s),( 0 )(c o s),( 0 1的電磁理論 1、任一給定點上的 同時存在，同頻率、同相位并以同 一速度傳播； 2、 相互垂直，并且都與傳播方向垂直， E、 H、 足右螺旋關(guān)系， E、 有偏振性 3、在空間任一點處 4、電磁波的傳播速度決定于介質(zhì)的介電常量和磁導率，為 1u= 1031 1800 5、電磁波的能量 2021, 光是電磁波，把電磁波按波長或頻率的次序排列成譜，稱為 電磁波譜?？梢姽馐且环N波長很短的電磁波，其波長范圍為 40060014 1014是能引起視 覺的電磁波。在真空中，光的不同波長范圍與人眼不同顏色感覺 之間的對應關(guān)系如下 紅 76030 63090 59070 57000 50060 46030 43000在不同媒質(zhì)中傳播時，頻率不變，波 長和傳播速度變小。 折射率 , 二、光是電磁波 光波是電磁波。 光波中參與與物質(zhì)相互作用（感光作用、生理作用）的 是 A 矢量，稱為光矢量。 A 矢量的振動稱為光振動。 3、光強 2光強：在光學中，通常把平均能流密度稱為光強， 用 I 表示。 機械波的獨立性和疊加性 發(fā)生干涉的條件： 1、頻率相同 2、觀察時間內(nèi)波動不中斷 3、相遇出振動方向 幾乎 在同一直線上 干涉現(xiàn)行的特性： 相干與不相干疊加 矢量合成方法 1y 2 1020 1A2A A)c o s ( 1011 c o s ( 2022 c o s (2 1020212221 c o sc o ss i ns i na r c t a n一、光源 1源 光的相干性 光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子 = (h 2 能級躍遷輻射 普通光源 ：自發(fā)輻射 獨立 (不同原子發(fā)的光 ) 獨立 (同一原子先后發(fā)的光 ) 發(fā)光的隨機性 發(fā)光的間隙性 波列 波列長 L = c 秒810 1、光源的發(fā)光機理 二、光的相干性 c o 122212 c o 121 兩頻率相同，光矢量方向相同的光源在 dt)c o 0 212121o 0212112o 02121121、非相干疊加 獨立光源的兩束光 或 同一光源的不同部位 所發(fā)出的光的位相差“瞬息萬變” 010 o s21 疊加后光強等與兩光束單獨照射時的光強之和，無干涉現(xiàn)象 c o 121 22、相干疊加 滿足相干條件的兩束光疊加后 位相差恒定，有干涉現(xiàn)象 21 若 2412 211 c o sI)c o s(142 012 I)k( 干涉相長 干涉相消 1程與光程差 干涉現(xiàn)象決定于兩束相干光的位相差 兩束相干光通過不同的介質(zhì)時， 位相差不能單純由幾何路程差決定。 c 光的波長真空中 u 介質(zhì)中光的波長 光在介質(zhì)中傳播幾何路程為 r， 相應的位相變化為 2光程差 )1122 2 光在真空中的波長 若兩相干光源不是同位相的 20 ,k 212 ) k( 加強（明）210 ,k 兩相干光源同位相，干涉條件 減弱（暗）210 ,k 即： 光程這個概念可將光在介質(zhì)中走過的路程，折算 為光在真空中的路程 1nP 22)2221楊氏干涉條紋 D d 波程差： s i 12干涉加強 明紋位置 ,212 21212(,) ()(干涉減弱 暗紋位置 210 ,k 1(1)明暗相間的條紋對稱分布于中心 干涉條紋特點 ： (2)相鄰明條紋和相鄰暗條紋等間距 ， 與干涉級 兩 相鄰明（或暗）條紋間的距離稱為 條紋間距 。 若用復色光源，則干涉條紋是彩色的。 1k 3k2k)/( 方法一： D/ 方法二： (3) D, 由條紋間距可算出單色光的波長 。 二、其他分波陣面干涉裝置 1、菲涅耳雙面鏡 虛光源 、 1S 2S 212 明條紋中心的位置 210 ,點在兩個虛光源連線的垂直平分線上，屏幕 上明暗條紋中心對 暗條紋中心的位置 Dd 洛埃鏡 1p當屏幕 E 移至 E處，從 是觀察到暗條紋，驗證了反射時有半波損失存在。 問 ：原來的零級條紋移至何處？若移至原來的第 k 級明條紋處，其厚度 h 為多少？ 1已知 ： 上覆蓋 的介質(zhì)厚度為 h ， 折射率為 n ， 設入射光的波長為. 12 r)解 ：從 2發(fā)出的相干光所對應的光程差 h)n(12 當光程差為零時，對應 零條紋的位置應滿足： 所以零級明條紋下移 0原來 k 級明條紋位置滿足： 12設有介質(zhì)時零級明條紋移到原來第 k 級處，它必須同時滿足： h)n(12 1k 利用薄膜上、下兩個表面對入射光的反射和折射，可在反射方向 (或透射方向 )獲得相干光束。 一、薄膜干涉 擴展光源照射下的薄膜干涉 a1 a2 a 在一均勻透明介質(zhì) 放入上下表面平行 ,厚度 為 e 的均勻介質(zhì) 用擴展光源照射薄膜，其 反射和透射光如圖所示 1膜干涉 光線 2/)( 12 由折射定律和幾何關(guān)系可得出： 2t a n2 2c 2211 s i ns i n 1s in 2)c i nc 22222 o 2 i 22122 a2 a 減弱（暗）加強（明）,2,1,02)12(,2,1222s i 干涉條件 薄膜 a a1 a2 n1 n2 外程差的確定 n2 n2 n D 0，會聚作用 D n F -f f n n F O n 晶體 : ne 負晶體 ( ee ,oo n 在晶體中的波面及傳播 光軸 e O 正晶體 光軸 負晶體 ,0正晶體 負晶體 ,0O e i C A B 一 A B C D 102 A(D) B(C) 由方解石切割再用樹膠粘合而成 . 尼科耳棱鏡工作原理 :自然光在 6入射到 被只有 產(chǎn)生偏振光 . 偏振元件 0 i =76 69,全反射 . 例題 . 兩尼科耳棱鏡的主截面間的夾角由 30轉(zhuǎn)到 45.(1)當入射光是自然光時 ,求轉(zhuǎn)動前后透射光的強度之比 ;(2)當入射光是線偏振光時 ,求轉(zhuǎn)動前后透射光的強度之比 . (1)入射光為自然光夾角為 30時 0208330c o 0208245c o 235時 所以 (2)入射光為線偏振光 夾角為 30時 解 :尼科耳棱鏡出射為振動面在主截面內(nèi)的線偏振光 例題 . 020 4330c o s 020 4245c o s 夾角為 45時 所以 23拉斯頓棱鏡： 將兩個直角的方解石棱鏡沿斜邊膠合起來。 A B 光在第一棱鏡中不分開，但光線垂直于光軸，因而兩束光傳播 速度不同。第二棱鏡的光軸垂直于第一棱鏡，所以第一棱鏡中 的 光，由于 no當于光由光疏介質(zhì)入 射光密介質(zhì)，折射線近法線； 而第一棱鏡的 中的 當于光由光密介 質(zhì)入射光疏介質(zhì)，折射線遠 離法線如圖所示。 三 、 波晶片 一塊表面平行的單軸晶體 ， 其光軸與晶體表面平行時 ，垂直入射的 我們把這樣的晶體叫波晶片 。 光在真空中波長 0)(2c 0 初相取(2c o s )(2)(2)(2 (2 當兩束光射出晶體面 ， 1、 四分之一波片 (1)定義：能使 的晶片稱四分之一波片 (2)四分之一波片的厚度 正晶體 (3)作用：產(chǎn)生附加位相差 ， ， 平面偏振光經(jīng) 1/4波片后 ， 出射光是正橢圓偏振光 (2 4)( eo 4l)(4 eo )(4 oe 2 討論： （ 1） 四分之一波片的厚度是波長的函數(shù) 方解面 ， 對于黃光 ， 對于藍光 （ 2） 四分之一波片很薄 ， 制造困難 若 ， 即 ， 橢圓形狀不變 ， 因此通常使 o 光和 厚度： )( 1 7 eo 1 8 eo 4)12( 2( k)(4)12(0 2、 半波片 能使 奇數(shù)倍的晶片 ， 稱半波片 ， 其厚度 平面偏振光垂直入射到半波片而透射后 ， 仍為平面偏振光 。 如果入射時振動面和晶體主截面之間的夾角為 ， 則透射光仍為平面偏振光 ， 振動面從原來的方位轉(zhuǎn)動 2 角 。 22)12()( (2)12(eo )12(2 k 5圓偏振光和圓偏振光 在光的傳播方向上 ， 任意一個場點電矢量既改變它的大小 ， 又以角速度 （ 即光波的圓頻率 ） 均勻轉(zhuǎn)動它的方向；或者說電矢量的端點在波面內(nèi)描繪出一個橢圓 ， 稱橢圓偏振光；圓偏振光 ， 補充：相互垂直的同頻率的諧振動的合成 一個質(zhì)點同時參與兩個相互垂直的 ， 頻率相同的 ， 有固定位相差的機械振動 ， 質(zhì)點沿橢圓軌道運動 。 )c 11 c 22 去 t 令 是橢圓方程 )(s i n)c 2 1221221222212 s i n)c 2 1221221222212 12 221222212s i nc 、 橢圓偏振光和圓偏振光的描述 橢圓偏振光可用兩列頻率相同 ， 振動方向相互垂直 ， 位相差恒定 ，且沿同一方向傳播的平面偏振光的迭加得到 ， 在光波沿 合成波表達式 消去 (t )(c o s ()(c o s (光光c o s ()c o s ( 22222s i nc o s)(2 上式為橢圓方程 ， 光矢量末端軌跡描出一個橢圓 =0， , 仍為平面偏振光 正橢圓偏振光 平面偏振光通過 1/4波片后 ， ， 出射光為正橢圓偏振光 平面偏振光通過 1/2波片面 ， ， 出射光仍為平面偏振光 振動面旋轉(zhuǎn) 2 當我們迎著光的傳播方向觀察時，第一個場點的電矢量端點描出的橢圓沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，我們稱之為右旋橢圓偏振光。 23,2 2 ， 右橢圓偏振光 ， ， 左 （ 同一點 ， 不同時刻 ） 指出：在光的傳播方向 各點的電矢量的位相是隨 因此同一時刻沿 在右橢圓偏振光中 ， 正好構(gòu)成右手螺旋； （ 同一時刻 ，不同點 ） 圓偏振光 ， （ ） 若 ， 時 ， 5 此時 ，光矢量端點描出一個圓 。 式中第一項取 “ -” 號 ， 表示右旋圓偏振光 式中第二項取 “ +” 號 ， 表示左旋圓偏振光 0 22 A 2 c o s ( ) s i n ( ) t k z x t k z y )s ) c o s ( 二 、 橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生 平面偏振光垂直入射到晶體表面 ， （ 晶體光軸與表面平行 ） ， 則在晶體中 ， 振動面互相垂直 ， 沿同一方向傳播 。 位相差： 進入晶體 光程差 位相差 恒定 ， 產(chǎn)生橢圓偏振光 平面偏振光的振動面與晶體主截面夾角 則 ， 一定， 圓長短取向及橢圓形狀一定 ( 22 ()n r c o e s 討論： 1 與 在晶體內(nèi)不同深處 ， 合成后橢圓偏振光長短軸取向不同 。 2 晶體厚度為 l， 光射出晶體 ， ， 是確定值 ， 因此橢圓偏振光在晶體外傳播有確定形狀 。 3 ， ， 且 e， 圓偏振光 三 、 自然光改造成橢圓偏振光或圓偏振光 。 自然光直接入射到波晶片上 ， 出射后 ， 不能得到橢圓偏振光 。 自然光先通過偏振器產(chǎn)生平面偏振光 ， 再垂直入射到波晶片上 ， 可以產(chǎn)生橢圓偏振光 。 通常把一個恰當取向的起偏器和一塊波晶片的串聯(lián)組合叫橢圓偏振器 。 起偏器的透振方向與四分之一波片的光軸成 45 角，圓偏振光。 l) 452 5振態(tài)的實驗檢定 一 、 波晶片對偏振態(tài)的改變 （ 偏振態(tài)決定于 ） 波晶片 橢圓偏振光通過波晶片時 ， 由于產(chǎn)生附加位相差 ， 偏振態(tài)改變 。 首先將入射的橢圓偏振光分解為 得出各自的振幅 ， 表示 入射光通過波晶片時 ， 出現(xiàn)附加位相關(guān) ， 依據(jù) 、 、 判斷偏振態(tài) 用波片將線偏振光變成圓偏振光或正橢圓偏振光。 位相延遲分解光束 ( 附附入出 eA 用 1/4波片將線偏振光變成圓偏振光或正橢圓偏振光 。 ， ， 用 片可使線偏振光的振動方向轉(zhuǎn)過 2 ， ， 出射光為平面偏振光 例 1 入射光為附圖所示的正橢圓偏振光 ， 長半軸與短半軸分別為 和 ， 求它通過負晶體制成的 片或 片后的偏振態(tài) 。 解：對正橢圓偏振光 ， ， 即 ， 振幅分別為 ， 0 入2附 2出2 附 0入 出yA 22A A （ 1） 負晶體制成的 片產(chǎn)生附加位 相差 ， 則 。 故光射光為在二 、 四象限振動的平面偏振光 （ 2） 負晶體制成的 片產(chǎn)生附加位相差 ，則 ， 所以出射光為左旋正橢圓偏振光 。 42附 附入出2 附 232出二 、 五種光的鑒定 （ 五種光：自然光 、 完全偏振光 、部分偏振光 、 圓偏振光 、 橢圓偏振光 ） 1、 用一個偏振片即可將光分為三類 ， 并鑒別出完全偏振光 光強不變 圓偏振光 、 自然光 明暗變化 ， 無消光 部分偏振光 、 橢圓偏振光 明暗變化 ， 有消光 完全偏振光 。 2、 讓圓偏振光和自然光分別先通過 片 ， 再通過偏振片 ， 轉(zhuǎn)動偏振片 ， 若出現(xiàn)消光現(xiàn)象為圓偏振光（ ） ， 否則為自然光 。 3、 讓入射光先后通過 片 ， 補償器 ， 人造偏振片 ， 轉(zhuǎn)動人造偏振片 ， 出現(xiàn)消光現(xiàn)象 。 （ ） 為橢圓偏振光 ，否則為部分偏振光 。 4 或附入出 0224 2,0補附入出三 、 補償器 1、 為什么要使用補償器 ？ 上述檢驗橢圓偏振光的實驗中 ， 若不用補償器 ， 必須事先知道 片的光軸方向 ， 而且在實驗過程中 ， 必須使 的光軸精確地平行于橢圓的主軸 （ ） ， 這是很難辦到的 。 為了克服這些困難 ， 比較好的方法是采用補償器 。 因為任何位置的橢圓可認為是由兩個互相垂直的振動在位相差 的情況下合成的 。 要使這種橢圓偏振光變成平面偏振光 ， 則應另行設法引進可以任意變更的位相差 作為補償 ， 目的是使 與 ， 的總和等于 。 44 2 2 入 或補附入 02、 巴俾涅補償器 由兩塊光軸互相垂直的楔形石英組成，上楔中 為 分別是光在上楔和下楔通過厚度 缺點：必須用極窄的光束 。 對于寬光束 ， 互補償器不同位置 ， 位相差不同 。 3、 索列爾補償器 上楔可以左、右移動，從而改變 以用寬光束。 0 1 0 2 0 1 222 ( ) ( ) ( ) ( )e e en n d n n d n n d d 5振光的干涉 一 、 觀察偏振光干涉的裝置與實驗結(jié)果 1、 實驗裝置 2、 實驗結(jié)果 1 以單色光入射時 ， 若波晶片厚度均勻 ， 觀察屏上得到一個光強均勻分布的光斑 ， 轉(zhuǎn)動任一器件 ， 均可使光強發(fā)生變化；若將波晶片制成光劈狀 ， 并在 屏上出現(xiàn)等厚干涉條紋 。 2 以白光入射時 ， 對于厚度均勻的波晶片 ， 屏上出現(xiàn)某種顏色的光斑 ，轉(zhuǎn)動任一器件 ， 光斑顏色發(fā)生變化；使用光劈狀晶片 ， 則出現(xiàn)彩色條紋 。 二 、 平面偏振光干涉的強度分布 從 2e、 相聯(lián)系 剛進入波晶片時 ， ， （ 若 在二 、四象限 ， ） ， 在 ， 若 同方向 ， ；若 方向相反 ， s c o sc o 入1Ed) 附A , 投20E 與0 投 20E 與 投投附入 投影到 滿足相干條件： （ 兩個同方向 ， 同頻率諧振動合成 ） 由此知 ， 有關(guān) c o c o sc o sc o ss i nc o sc o ss i n( s i n 2A 2222212s A(2 ,d,I 2 與三 、 單色偏振光干涉中的兩個特殊情況 1、 2正交 以上關(guān)系代入 （ 1） （ 2） （ 3） 90 附投入 ,0)c o s (c o ss i ns i nc o sc o s s i n 附22222221 2AIc o sc o ss i o ss i 222221 附)c o s i 21附2s 極大極小附 )1k2( 2平行 當 （ 5） 對于給定波晶片 ， I 為極小 )1(,0,0 代入附投入 )c o sc o ss i nc o s( s i n 附 22442111 2AI)c o sc o ss i o ss i n2)c o s ( s i 22222221 附)2s i i 2221 附極小極大附 )1k2(12111 / 四 、 顯色偏振 1、 什么叫顯色偏振 偏振光干涉時出現(xiàn)彩色的現(xiàn)象 ， 叫顯色偏振 2、 解釋： 對各種波長的光 ， 差別極小 ， 決定于 3、 互補色 由 知 ， 兩尼科耳平行時 ， 某些波長加強到什么程度 ， 兩尼科耳正交時 ， 這些波長的光就減弱到什么程度 ， 白光照射 ， 平行時出現(xiàn)的彩色與垂直時出現(xiàn)的彩色混合為白色 。 任何兩種彩色如果混合起來為白色 ， 則這兩種色互為互補色 。 I 的顏色就是 4、 顯色偏振的應用 1 鑒定物質(zhì)的雙折射性 2 尋找互補色 d) 附eo 附 2111 謝謝！ 第七章 光的量子性 教學基本要求： 1、 概括敘述量子論的早期發(fā)展過程 。 介紹熱輻射及普朗克量子假說 。 2、 闡明光電效應及其引出光子概念的實驗和分析過程 。 3、 介紹康普頓實驗 ， 扼要分析光的波粒二象性的物理思想及其重要意義 。 7熱輻射 普朗克的量子假設 經(jīng)典物理及其困難 牛頓力學（包括分析力學） 麥克斯韋電磁場理論 光的波動性理論 熱力學統(tǒng)計物理 十九世紀末 比較完善 十九世紀末物理學晴朗天空中的兩朵烏云 黑體輻射的紫外災難 邁克爾孫實驗的零結(jié)果 下對稱破缺 狹義相對論 子論 、 熱輻射及特點 1、 熱輻射 ： 由于物體中分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波輻射的現(xiàn)象。 輻射的電磁波能量按波長的分布隨溫度而不同 。 2、特點 ： 物體逐漸加熱，溫度升高，物體顏色由暗淡變紅變黃變白、青白。物體輻射能量升高。 物體既向外輻射能量，同時也吸收能量。 輻射與吸收平衡，物體溫度不變化而處于熱平衡，稱為平衡熱輻射。 二、 熱輻射的描述 總輻射度： 物體從單位面積上發(fā)射的所有各種波長的輻射總功率。 0單色輻出度： 物體從單位面積上發(fā)射的，波長介于 和 +d之間的輻射功率 d之比。 黑體模型 絕對黑體 ： 如果任一物體，在任何溫度下對任何波長的輻射能的吸收系數(shù)都等于 1，那么該物體稱為絕對黑體 。 三、 黑體輻射的實驗 定律 斯忒藩 物體的輻出度與溫度的四次方成正比 。 4)( 斯忒藩常數(shù)： )(106 7 0 28 恩位移定律： 能譜分布曲線的峰值對應的波長 )(108 9 ),( )( m4 0 1 2 3 說明： 上述兩條定律均可由熱力學理論導出。 熱輻射的量值隨著溫度升高而迅速增加。熱輻射峰值波長隨溫度增加而向短波方向移動。 可以解釋熱輻射現(xiàn)象： 色由暗淡向青白變化。 現(xiàn)代科學技術(shù)應用很廣：如測溫度，遙感，紅外追蹤等。 測量行星表面溫度。 黑體輻射實驗規(guī)律的解釋 352, 41, 說 明 ： 在短波段（紫外區(qū)）出現(xiàn)發(fā)散，稱為“紫外災難”。 式在短波段與實驗符合較好，但在長波段與實驗不符合。 ),( )( m4 0 1 2 3 5 6 7 8 9 維恩線 瑞利 經(jīng)典理論的基本觀點： （ 1）電磁輻射來源于帶電粒子的振動，電磁波的頻率與振動頻率相同。 （ 2）振子輻射的電磁波含有各種波長，是連續(xù)的，輻射能量也是連續(xù)的。 （ 3）溫度升高，振子振動加強，輻射能增大。 四、普朗克的量子假設： 對于頻率為 的振子，振子輻射的能量不是連續(xù)的，而是分立的，它的取值是某一最小能量 h的整數(shù)倍。 112,52 其中： h= :將星體看作絕對黑體 ,可用維恩位移定律估算其表面溫度 ,如已知 太陽輻射時 ,m=m,試求太陽的表面溫度及一年的質(zhì)量損失 單位太陽表面積在 1秒鐘輻射能量為 7 484 太陽表面 1秒鐘輻射的總能量為 105)62872 相應的質(zhì)量虧損為 2 太陽總質(zhì)量 21027 : （ 1）溫度為 20 的物體，它的輻射能中輻出度的峰值所對應的波長是多少？ （ 2）若使一物體單色輻出度的峰值所對應的波長在紅色譜線范圍內(nèi)，其溫度應為多少？ （ 3）上兩小題中，總輻射能的比率為多少？ 解： （ 1） 3108 9 （ 2）取 =6500A （ 3） 4341212 電效應 ： （ 當一束光照射在金屬表面上時，金屬表面有電子逸出的現(xiàn)象。 G V K A - 7光電效應 愛因斯坦的量子解釋 實驗一： 入射光強度和頻率不變 I U 0 、增加電壓 U，光電流隨之增加，直至飽和。 3、當反向電壓 U=光電流 I = 0。 截止電壓： 光電子剛好不能到達 遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系 2212、電壓 U = 0時，光電流 I = 0。 0 0 改變?nèi)肷涔鈴姸群皖l率 I 02 、入射光頻率不變，飽和電流 大小與入射光的強度成正比。 2、入射光的強度不變時，其頻率越高，截止電壓 即： 即： 光電子初動能與入射光的強度無關(guān)，只與入射光的頻率有關(guān) 。 o 一定 I 0 2 1 3、存在一個“截止頻率” （紅限） o 。 4、光電效應瞬時響應的性質(zhì)。 t 10二、 愛因斯坦光量子假設 一束光就是一束以光速運動的粒子流，這些粒子稱為光