第六章光現(xiàn)象及其應用案例導入●內容充實●體例豐富第六章光現(xiàn)象及其應用案例導入●內容充實●體例豐富1目錄/Contents010203光現(xiàn)象光的波粒二象性認識激光目錄/Contents010203光現(xiàn)象光的波粒二象性認識激201光現(xiàn)象一、光的折射和全反射二、光的干涉、衍射和偏振01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射301光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射光從一種介質斜射入另一種介質時，會在這兩種介質的交界處發(fā)生偏折，使得光的傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫作光的折射。如圖所示，入射光線與法線的夾角為入射角，用α表示；折射光線與法線的夾角為折射角，用γ表示。1．光的折射定律01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射光從一種401光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射1．光的折射定律光的折射定律的內容包括以下三點：（1）折射光線在入射光線和法線所決定的平面內。（2）折射光線和入射光線分別位于法線的兩側。（3）入射角的正弦與折射角的正弦之比為一常數(shù)，即

常數(shù)。光在兩種介質的分界處不僅會發(fā)生折射，也會發(fā)生反射。例如，光從空氣斜射入水中時，部分光線會進入水中，部分光線會被反射回空氣中。注意：

01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射1．光的501光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率光從一種介質射入另一種介質時，雖然入射角的正弦與折射角的正弦之比是常數(shù)，但對于不同的介質來說，這個常數(shù)是不同的。當光由介質1射入介質2中時，入射角α的正弦與折射角γ的正弦之比，稱為介質2對介質1的相對折射率，用n21

表示，即當光線由真空進入某種介質時，介質對真空的相對折射率稱為該介質的絕對折射率，簡稱折射率，用n表示。用v表示介質中的光速，c表示真空中的光速，則01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射601光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率幾種介質的折射率01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射701光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率【例題6-1】如下圖（左）所示，一個儲油桶的底面直徑與桶高均為d，當桶內沒有油時，從A點恰能看到桶底邊緣的B點。如下圖（右）所示，當桶內油的深度等于桶高的一半時，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的C點。CB兩點距離為d/4，求油的折射率和光在油中的傳播速度。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射801光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率解：因為儲油桶的底面直徑和桶高相等，所以

。又因為

，所以

，故油對空氣的相對折射率

。因為空氣的折射率為1，所以油的折射率

。光在油中的傳播速度為

。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射901光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率課堂討論如圖所示，“海市蜃樓”是一種經(jīng)常發(fā)生在海上和沙漠中的自然現(xiàn)象。試利用所學的折射知識，解釋此種現(xiàn)象的成因。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射1001光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的全反射1．光疏介質和光密介質不同介質的折射率不同，折射率較小的介質叫作光疏介質，折射率較大的介質叫作光密介質。光疏介質和光密介質是相對的。例如，水晶對水來說是光密介質，對金剛石來說則是光疏介質。光從光疏介質射入光密介質01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的全反射1．光1101光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的全反射2．光的全反射的條件光從一種介質射入另一種介質時，一般會同時發(fā)生反射和折射，但并不是在任何情況下都這樣。當光從光密介質射入光疏介質時，在某種條件下，只有反射而無折射，這種現(xiàn)象是如何發(fā)生的？想一想光從光密介質射入光疏介質時，折射角大于入射角，隨著入射角的增大，折射光線越來越偏離法線，折射光線越來越弱，而反射光線越來越強。當入射角增大到某一角度時，折射角達到

，折射光線完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫作全反射。剛好能發(fā)生全反射的入射角，即折射角為

的入射角叫作全反射的臨界角，用符號C表示。由全反射的定義可總結出發(fā)生全反射的條件：光從光密介質進入光疏介質，且入射角等于或大于臨界角。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的全反射2．光1201光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的全反射3．光導纖維借助接連不斷的全反射，光可以從均勻透明且彎曲的玻璃（或塑料）棒的一端傳導到另一端，如圖所示。當玻璃（或塑料）棒的截面直徑很小，甚至到微米數(shù)量級時，它對光的傳導效果也不會改變，即無能量損失，稱這種導光的細玻璃（或塑料）棒為光導纖維，簡稱光纖。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的全反射3．光1301光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉1．楊氏雙縫干涉實驗如圖6-7所示，從擋板的小孔a中出來的一束單色光投射到擋板S2上，擋板S2上有兩條相距很近的狹縫b和c。如果光是一種波，從擋板S2的狹縫中出來的光就會成為兩個波源，并且這兩個波源的頻率、相位、振動方向總是相同的。兩列波在傳播過程中，會在空間疊加，產(chǎn)生相互加強或相互減弱的區(qū)域，形成光的干涉，并在擋板后面的光屏上產(chǎn)生明暗相間的條紋。1801年，英國物理學家托馬斯·楊在實驗室里成功地觀察到了光的這一干涉現(xiàn)象。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉1．1401光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉如圖所示，陽光下的肥皂泡上和水面漂浮的油膜上均會出現(xiàn)彩色的條紋，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？想一想01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．1501光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉如圖所示，豎立的肥皂液薄膜在重力的作用下，會形成上薄下厚的楔形，當光照在薄膜上時，從膜的前后表面各反射一列光波，這兩列光波就是頻率相同的相干光波。由于薄膜的厚度不同，這兩列光波的路程差不同。當兩列光波的路程差為光波波長的整數(shù)倍時，波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，光波的振動加強，形成亮條紋；當路程差為半波長的奇數(shù)倍時，則波峰與波谷相遇，光波的振動減弱，形成暗條紋，這就是薄膜干涉現(xiàn)象。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．1601光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉知識角牛頓環(huán)又稱“牛頓圈”，它是一種薄膜干涉現(xiàn)象。牛頓環(huán)實驗示意圖如圖（上）所示，取兩塊玻璃體，一塊是望遠鏡用的平凸透鏡，另一塊是望遠鏡用的大型雙凸透鏡，將平凸透鏡的平面朝上放在雙凸透鏡上。把兩塊玻璃體互相壓緊時，會在圍繞著接觸點O的周圍出現(xiàn)各種顏色的環(huán)，即牛頓環(huán)，如圖（下）所示。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．1701光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉知識角在實驗室里，常用牛頓環(huán)測定光波的波長或平凸透鏡的曲率半徑。在工業(yè)生產(chǎn)中，則常用牛頓環(huán)檢測透鏡的質量。牛頓環(huán)裝置也常被用來檢驗光學元件表面的平整度。牛頓雖然發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán)，并做了精確的定量測定，可以說已經(jīng)走到了光的波動說的邊緣，但由于他過分偏愛自己的微粒說，始終無法正確解釋這個現(xiàn)象。事實上，這個實驗倒可以成為光的波動說的有力證據(jù)之一。直到19世紀初，英國物理學家托馬斯·楊才用光的波動說，圓滿地解釋了牛頓環(huán)實驗。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．1801光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉3．光的干涉的應用1）檢查精密部件的表面如圖所示，將一個透明的標準樣板放在待檢查部件的表面，并在一端墊一薄片，使標準樣板的平面與被檢查部件的平面間形成一個楔形空氣膜（空氣劈尖）。用單色光從標準樣板的上面向下照射，入射光從楔形空氣膜的上下表面反射出兩列相干光，形成干涉條紋。凹面凸面平面01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉3．1901光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉3．光的干涉的應用2）增透膜增透膜是在透鏡、棱鏡等光學元件表面涂的一層氟化鎂薄膜。為了提高成像的亮度，增透膜只對人眼或感光膠片上最敏感的綠光起增透作用。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉3．2001光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(二)光的衍射1．光的衍射現(xiàn)象（a）小孔衍射

（b）單縫衍射讓一束平行光通過孔隙，當孔隙的寬度比光波的波長大很多時，在孔隙后的屏幕上將出現(xiàn)與孔隙寬度相一致的光斑；當孔隙的寬度縮小到可以與光波波長相比擬時，在孔隙后的屏幕上將出現(xiàn)明暗相間且間距不等的條紋，這就是光的衍射現(xiàn)象。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(二)光的衍射1．2101光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(二)光的衍射1．光的衍射現(xiàn)象當單色光照射在線度小于或等于光源波長的小圓板或小圓珠上時，在其后的觀察屏上會出現(xiàn)環(huán)狀的互為同心圓的衍射條紋，并且在所有同心圓的圓心處會出現(xiàn)一個極小的亮斑，這個亮斑被稱為泊松亮斑。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(二)光的衍射1．2201光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(二)光的衍射2．光的衍射和干涉的比較01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(二)光的衍射2．2301光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振1．光的偏振現(xiàn)象課堂互動取一根軟繩，一端固定在墻上，手持另一端上下抖動，在軟繩上就會形成一列橫波。讓軟繩穿過一塊帶有狹縫的木板，使狹縫與軟繩的振動方向平行［見圖（a）］，觀察軟繩是否可以通過狹縫傳播到木板的另一側；使狹縫與軟繩的振動方向垂直［見圖（b）］，觀察軟繩是否可以通過狹縫傳播到木板的另一側。（a）狹縫與軟繩的振動方向平行

（b）狹縫與軟繩的振動方向垂直01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振1．2401光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振1．光的偏振現(xiàn)象課堂互動如圖所示，將軟繩換成細軟的彈簧，前后推動彈簧形成縱波，改變狹縫放置的方向，觀察振動時彈簧上的縱波是否可以通過狹縫傳播到木板的另一側。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振1．2501光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振1．光的偏振現(xiàn)象某些波只沿著某個特定的方向振動的現(xiàn)象，稱為波的偏振。橫波具有偏振現(xiàn)象，縱波不具有這樣的特性。偏振片是一種由高分子薄膜制成的光學器件，它只允許沿某個方向振動的光波通過，并稱這個方向為透振方向。透射光強度不變透射光強度變弱透射光強度最弱01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振1．2601光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振2．光的偏振現(xiàn)象的應用在拍攝水面下的景物、池中的游魚、玻璃櫥窗里陳列的物品時，由于水面或玻璃表面的反射光的干擾，經(jīng)常使得拍攝出的圖像不清晰。如果在照相機鏡頭前安裝一片偏振濾光片，讓偏振濾光片的透振方向與反射光的偏振方向垂直，這樣就可以減弱反射光的強度而使圖像變得清晰。蜜蜂有五只眼，其中兩只為復眼，每個復眼包含6300個小眼，這些小眼能根據(jù)太陽的偏光確定太陽的方位，然后以太陽為定向標來判斷方向，所以蜜蜂可以準確無誤地把它的同類引到它所找到的花叢中去。在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會迷路的，但是沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光來導航，因而不會迷路。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振2．2702光的波粒二象性一、光的電磁理論二、光的粒子性三、光具有波粒二象性02光的波粒二象性一、光的電磁理論三、光具有波粒二象性2802光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(一)光是一種電磁波19世紀60年代，麥克斯韋在電磁學研究的基礎上，從理論上推得電磁波的傳播速度等于光速，這使得他推測：光的傳播是一種電磁現(xiàn)象，是電磁振蕩在空間的傳播。20年后，赫茲通過實驗，第一次證實了光波就是電磁波，從而肯定了麥克斯韋的預言，產(chǎn)生了光的電磁理論。光的電磁理論的確立，推動了光學及整個物理學的發(fā)展?，F(xiàn)代光學盡管形成了許多新的領域，并且許多光學現(xiàn)象需要用量子理論來解釋，但是光的電磁理論仍然是闡明大多數(shù)光學現(xiàn)象及掌握現(xiàn)代光學的重要基礎。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(一)光是一種電磁2902光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線光的顏色是由電磁波的頻率決定的。不同頻率的色光在真空中的波速相同，但在介質中的波速不同。不可見光中，紅外線、紫外線和倫琴射線的頻率各不相同，因此有不同的性質和用途。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外3002光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線1．紅外線在電磁波中，能夠作用于人的眼睛并引起視覺的，只是一個很窄的波段，通常叫作可見光。其中，波長最短的是紫光，波長約為400nm；波長最長的是紅光，波長約為770nm；波長更長的光，不能引起視覺，叫作紅外線。紅外線的波長范圍很寬，約為770nm～106nm。紅外線的主要作用是熱作用，可以利用紅外線來加熱物體或進行紅外線遙感。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外3102光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線2．紫外線紫外線也是不可見光，它的波長比紫光還短，大約為5nm～40nm。紫外線有熒光作用，有些物質受到紫外線照射時，可以發(fā)出可見光。紫外線能夠殺滅多種細菌，可以用紫外線進行殺菌和消毒。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外3202光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線3．倫琴射線波長比紫外線更短的光叫作倫琴射線，也叫X射線，是德國物理學家倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)的。倫琴射線的穿透能力很強，能使包在黑紙里的照相底片感光。在工業(yè)上，常用它來做金屬探傷；在醫(yī)學上，可利用它透視人體、拍攝照片，以檢查病變、骨折等情況，圖為醫(yī)院的X光機拍攝的X光片。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外3302光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應1．光電效應實驗如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，用弧光燈照射鋅板，結果發(fā)現(xiàn)驗電器的指針張開了一個角度，表示鋅板經(jīng)照射后帶了電，進一步檢驗知道鋅板帶的是正電。這說明在弧光燈的照射下，鋅板中有一部分自由電子從其表面逸出，鋅板因缺少了電子而帶正電。物體在光（包括不可見光）的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象叫作光電效應。發(fā)射出來的電子叫作光電子。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應1．光3402光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應2．光電效應的實驗規(guī)律及其解釋規(guī)律一：任何一種金屬，都有存在截止頻率v0

。只有當入射光的頻率v>v0時，電子才能逸出金屬表面，進而產(chǎn)生光電效應。當入射光的頻率v<v0時，無論光強多大，也無電子逸出金屬表面。幾種金屬的截止頻率和截止波長02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應2．光3502光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應2．光電效應的實驗規(guī)律及其解釋規(guī)律二：當入射光的頻率大于金屬的截止頻率時，入射光越強，飽和光電流就越大。如圖所示，當藍光的光照強度不變時，隨著電壓的增大，電流達到某一值后便不再增大，這是因為光照不變時，光電效應中發(fā)射的電子數(shù)目一定，因此飽和光電流不變。光照強度不同的黃光，光強越大，飽和光電流越大，這是因為入射光越強，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多，則飽和光電流越大。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應2．光3602光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應2．光電效應的實驗規(guī)律及其解釋規(guī)律三：光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大。一定顏色（頻率）的入射光，無論光的強弱如何，其遏止電壓是一樣的。光的頻率v改變時，遏止電壓也會改變，而光電子的最大初動能又和遏止電壓有關。因此，光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，與入射光的強弱無關。規(guī)律四：入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。實驗中觀察到，只要入射光的頻率大于被照金屬的截止頻率，即使入射光的強度非常微弱，電流表的指針也會隨著入射光的照射立即偏轉。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應2．光3702光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應3．光電效應的應用1）光控繼電器光控繼電器的工作原理如圖所示，當外界光線發(fā)生變化時，光線作用在光控原件上，會使光控元器件上的電流發(fā)生變化，從而引起繼電器的開合，達到控制外部電路的目的。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應3．光3802光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應3．光電效應的應用2）光電倍增管光電倍增管［見圖（a）］由入射窗、光電陰極、電子光學輸入系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)、陽極等部分組成。它的工作過程是光子入射到光電陰極上產(chǎn)生光電子，光電子通過電子光學系統(tǒng)（聚焦系統(tǒng)）進入倍增系統(tǒng)，電子得到倍增，最后通過陽極把電子收集起來，形成陽極電流或電壓輸出，如圖（b）所示。（a）光電倍增管的結構

（b）光電倍增管的工程過程02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應3．光3902光的波粒二象性二、光的粒子性●

(二)光量子理論1．光電效應與光的電磁理論的矛盾矛盾一：按照光的波動理論，不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子就會獲得足夠的能量從而逸出金屬表面，就可產(chǎn)生光電效應，不應存在截止頻率。而實驗結果表明：只有入射光的頻率

大于被照射金屬的截止頻率

時，才能發(fā)生光電效應。矛盾二：根據(jù)能量的觀點，電子要從物體中飛出，必須具有一定的能量，而這一能量只能來源于入射光。光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓

應與光的強弱有關。而實驗結果表明：逸出光電子的能量與入射光的強度無關，只取決于入射光的頻率。矛盾三：從光的波動理論可知，當一束很細的光（光很弱）照射到金屬上時，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間，才能獲得逸出金屬表面所需的能量，這個時間遠遠大于

。而光電效應實驗卻表明：入射光的照射和光電子的逸出幾乎是同時的。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(二)光量子理論1．4002光的波粒二象性二、光的粒子性●

(二)光量子理論2．光量子理論對光電效應的解釋既然光電效應的規(guī)律與電磁理論存在矛盾，那么該如何解釋光電效應現(xiàn)象呢？想一想光可以看作由光源發(fā)出的一束不連續(xù)的、以光速運動的粒子流，這種粒子叫作光量子，簡稱光子。每個光子的能量E和光的頻率v

成正比，即E=hv式中的h是一個恒量，叫作普朗克常量，其值為6.63x10-63J?s。對于某種金屬，電子從中掙脫出來所需做功的最小值，叫作這種金屬的逸出功。根據(jù)能量守恒定律，光電子的初動能Ek

跟入射光子的能量W逸

和逸出功

之間，存在如下關系：Ek=hv-W逸此式叫作愛因斯坦方程，又稱光電效應方程。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(二)光量子理論2．4102光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象表明光具有波動性，而光電效應又無可爭辯地表明光是具有能量的光子流，即光具有粒子性。由此可見，光既具有波動性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。在微觀和宏觀世界中，光的波動性和粒子性是如何統(tǒng)一起來的？想一想由光子說和電磁說都可以推導出光具有動量，并被實驗所證實。光子說的結論是：光子的動量為p=hv/c

；電磁說的結論是：輻射能為E的光子具有的動量為p=E/c

。由于光子的能量

，所以，這兩個學說得到的結論是一致的?？梢?，宏觀世界中完全對立的粒子性和波動性，在微觀粒子身上卻完美地聯(lián)系在一起。02光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的干涉、衍射和偏4202光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的雙縫干涉實驗中，在觀察屏處放上感光膠片，并設法減弱光子流的強度，直到光子只能一個一個地通過狹縫。實驗表明，如果曝光時間不太長，照片上只會出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點，如圖（a）所示。這些點是光子打在感光膠片上形成的，表現(xiàn)出光的粒子性。隨著曝光時間的延長，膠片上點的分布越來越有規(guī)則，如圖（b）～（d）所示?？梢姡庾油ㄟ^雙縫后，落在某些條形區(qū)域內的可能性較大，這些條形區(qū)域正是某些波通過雙縫后發(fā)生干涉時振動加強的區(qū)域。這個現(xiàn)象表明，光具有波動性。光的波動性是大量光子表現(xiàn)出來的特征。在干涉條紋中，那些光波強度大的地方就是光子到達的概率大的地方；光波強度小的地方就是光子到達的概率小的地方。所以，可以把光波看作是表明大量光子運動規(guī)律的一種概率波。02光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的雙縫干涉實驗中4302光的波粒二象性二、光具有波粒二象性（a）28個光子

（b）1000個光子（c）10000個光子

（d）數(shù)百萬個光子02光的波粒二象性二、光具有波粒二象性（a）28個光子4403認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性二、激光的應用03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性4503認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(一)激光產(chǎn)生的原理和條件原子是由原子核和繞核高速運動的電子組成，核外電子所處的狀態(tài)不同，原子的狀態(tài)也不同。每個狀態(tài)對應的能量也是不連續(xù)的，這些不連續(xù)的能量值叫作能級。1）自發(fā)輻射原子在不受外界輻射場的影響下，自發(fā)由高能級

躍遷至低能級

，同時放出一個光子的過程叫作自發(fā)輻射，如圖所示。由自發(fā)輻射發(fā)出的光子稱為自發(fā)輻射光子，這些光子不僅波長、頻率不同，而且方向也不相同。普通光源的發(fā)光都是由原子的自發(fā)輻射產(chǎn)生的。1．激光產(chǎn)生的原理（a）自發(fā)輻射前

（b）自發(fā)輻射后03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●(一)激光產(chǎn)生的原理4603認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(一)激光產(chǎn)生的原理和條件2）受激輻射處于高能級E2

的原子，在滿足v=(E2-E1)/h

的輻射場的作用下，躍遷至低能級

E1

并輻射出一個能量為hv

的光子，該光子與輻射場中入射光子的頻率、相位、偏振態(tài)及傳播方向都相同，這個過程叫作受激輻射，如圖所示。受激輻射躍遷發(fā)出的光子稱為受激輻射光子。1．激光產(chǎn)生的原理（a）受激輻射前

（b）受激輻射后03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●(一)激光產(chǎn)生的原理4703認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(一)激光產(chǎn)生的原理和條件3）受激吸收處于低能級

的一個原子，在頻率為

的輻射場作用下吸收一個能量為

的光子，并躍遷至高能級

的過程叫作受激吸收，如圖所示。受激輻射的反過程就是受激吸收。1．激光產(chǎn)生的原理（a）受激吸收前

（b）受激吸收后03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●(一)激光產(chǎn)生的原理4803認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(一)激光產(chǎn)生的原理和條件2．激光產(chǎn)生的條件①要有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的工作物質；②要有使原子被激發(fā)的激勵能源（泵浦源）；③要有實現(xiàn)光放大的光學諧振腔。03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●(一)激光產(chǎn)生的原理4903認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(一)激光產(chǎn)生的原理和條件2．激光產(chǎn)生的條件激光器是利用受激輻射原理，使光在某些受激發(fā)的物質中放大或振蕩并發(fā)射激光的裝置。圖為激光器的基本結構示意圖。03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●(一)激光產(chǎn)生的原理5003認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(二)激光的特性方向性好亮度高單色性好相干性好激光具有的特性03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●(二)激光的特性方向5103認識激光二、激光的應用●

(一)工業(yè)應用1．

激光打孔與激光切割（a）激光打孔

（b）激光切割03認識激光二、激光的應用●(一)工業(yè)應用1．激光打5203認識激光二、激光的應用●

(一)工業(yè)應用2．激光焊接激光焊接是利用激光的高功率密度進行焊接的技術。所謂高功率密度，是指在每平方厘米面積上集中極高的能量。激光焊接特別適合精密、微量加工。例如，傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片的厚度只有～0.1mm，采用傳統(tǒng)的焊接方法難以將其與其他元件焊接在一起，而采用激光焊接卻能得到很好的效果。如今，激光焊接在制造業(yè)、汽車工業(yè)、粉末冶金領域、生物醫(yī)學及電子工業(yè)等領域都得到了廣泛的應用。03認識激光二、激光的應用●(一)工業(yè)應用2．激光焊接5303認識激光二、激光的應用●

(二)信息應用1．激光通信激光通信是一種利用激光傳輸信息的通信方式。激光通信具有通信容量大、保密性強、可傳送距離遠、設備輕便、價格低廉等優(yōu)點，但是也受天氣和所需設備精度高等條件的限制。2．全息照相全息照相技術不僅能記錄物體表面的光強分布，還能記錄光波的相位信息，因此全息照片可以真實、立體地還原并記錄物體。目前，全息影像技術的應用有商業(yè)展示、舞臺表演、科技設計等。以舞臺應用來說，全息影像技術不僅可以產(chǎn)生立體的空中幻象，還可以使幻象與表演者產(chǎn)生互動，一起完成表演，產(chǎn)生令人震撼的演出效果。03認識激光二、激光的應用●(二)信息應用1．激光通信5403認識激光二、激光的應用●

(二)信息應用知識角全息照相分為兩步。第一步：利用激光束的干涉拍攝物體的全息照片。如圖（a）所示，把激光束分成兩束，一束激光直接投射在感光底片上，稱為參考光束；另一束激光投射在物體上，經(jīng)物體反射或者透射，就攜帶物體的有關信息，稱為物光束。物光束經(jīng)過處理與參考光束投射在感光底片的相同區(qū)域內。在感光底片上，物光束與參考光束發(fā)生相干疊加，形成干涉條紋，這就是一張全息照片。第二步：利用衍射原理，將全息圖中的物體再現(xiàn)。若人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，而用一束頻率和傳輸方向與參考光束完全相同的激光照射全息照片，就可以再現(xiàn)物體的立體圖像，如圖（b）所示。人從不同角度看全息照片時，可看到物體不同的側面，就好像看到真實的物體一樣。03認識激光二、激光的應用●(二)信息應用知識角全息照5503認識激光二、激光的應用●

(二)信息應用知識角（a）（b）03認識激光二、激光的應用●(二)信息應用知識角（a）5603認識激光二、激光的應用●

(三)醫(yī)療應用激光手術有傳統(tǒng)手術無法比擬的優(yōu)越性。激光手術不需要住院治療，手術切口小，術中不出血，創(chuàng)傷輕。激光能夠作用于人體組織并且在局部產(chǎn)生高熱量，從而達到去除或破壞目標組織的目的。例如，利用激光手術可以切除腫瘤、焊接脫落的視網(wǎng)膜等。03認識激光二、激光的應用●(三)醫(yī)療應用激光手術有傳5703認識激光二、激光的應用●

(四)軍事應用激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接鎖定摧毀目標或使之失效的定向武器，如激光瞄準器、激光炮和激光槍等。激光武器具有攻擊速度快、轉向靈活、可實現(xiàn)精確打擊和不受電磁干擾等優(yōu)點，但是也存在易受天氣和環(huán)境影響等缺點。03認識激光二、激光的應用●(四)軍事應用激光武器是一58感謝觀看感謝觀看59第六章光現(xiàn)象及其應用案例導入●內容充實●體例豐富第六章光現(xiàn)象及其應用案例導入●內容充實●體例豐富60目錄/Contents010203光現(xiàn)象光的波粒二象性認識激光目錄/Contents010203光現(xiàn)象光的波粒二象性認識激6101光現(xiàn)象一、光的折射和全反射二、光的干涉、衍射和偏振01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射6201光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射光從一種介質斜射入另一種介質時，會在這兩種介質的交界處發(fā)生偏折，使得光的傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫作光的折射。如圖所示，入射光線與法線的夾角為入射角，用α表示；折射光線與法線的夾角為折射角，用γ表示。1．光的折射定律01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射光從一種6301光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射1．光的折射定律光的折射定律的內容包括以下三點：（1）折射光線在入射光線和法線所決定的平面內。（2）折射光線和入射光線分別位于法線的兩側。（3）入射角的正弦與折射角的正弦之比為一常數(shù)，即

常數(shù)。光在兩種介質的分界處不僅會發(fā)生折射，也會發(fā)生反射。例如，光從空氣斜射入水中時，部分光線會進入水中，部分光線會被反射回空氣中。注意：

01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射1．光的6401光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率光從一種介質射入另一種介質時，雖然入射角的正弦與折射角的正弦之比是常數(shù)，但對于不同的介質來說，這個常數(shù)是不同的。當光由介質1射入介質2中時，入射角α的正弦與折射角γ的正弦之比，稱為介質2對介質1的相對折射率，用n21

表示，即當光線由真空進入某種介質時，介質對真空的相對折射率稱為該介質的絕對折射率，簡稱折射率，用n表示。用v表示介質中的光速，c表示真空中的光速，則01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射6501光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率幾種介質的折射率01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射6601光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率【例題6-1】如下圖（左）所示，一個儲油桶的底面直徑與桶高均為d，當桶內沒有油時，從A點恰能看到桶底邊緣的B點。如下圖（右）所示，當桶內油的深度等于桶高的一半時，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的C點。CB兩點距離為d/4，求油的折射率和光在油中的傳播速度。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射6701光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率解：因為儲油桶的底面直徑和桶高相等，所以

。又因為

，所以

，故油對空氣的相對折射率

。因為空氣的折射率為1，所以油的折射率

。光在油中的傳播速度為

。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射6801光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的折射2．折射率課堂討論如圖所示，“海市蜃樓”是一種經(jīng)常發(fā)生在海上和沙漠中的自然現(xiàn)象。試利用所學的折射知識，解釋此種現(xiàn)象的成因。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的折射2．折射6901光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的全反射1．光疏介質和光密介質不同介質的折射率不同，折射率較小的介質叫作光疏介質，折射率較大的介質叫作光密介質。光疏介質和光密介質是相對的。例如，水晶對水來說是光密介質，對金剛石來說則是光疏介質。光從光疏介質射入光密介質01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的全反射1．光7001光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的全反射2．光的全反射的條件光從一種介質射入另一種介質時，一般會同時發(fā)生反射和折射，但并不是在任何情況下都這樣。當光從光密介質射入光疏介質時，在某種條件下，只有反射而無折射，這種現(xiàn)象是如何發(fā)生的？想一想光從光密介質射入光疏介質時，折射角大于入射角，隨著入射角的增大，折射光線越來越偏離法線，折射光線越來越弱，而反射光線越來越強。當入射角增大到某一角度時，折射角達到

，折射光線完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫作全反射。剛好能發(fā)生全反射的入射角，即折射角為

的入射角叫作全反射的臨界角，用符號C表示。由全反射的定義可總結出發(fā)生全反射的條件：光從光密介質進入光疏介質，且入射角等于或大于臨界角。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的全反射2．光7101光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●

(一)光的全反射3．光導纖維借助接連不斷的全反射，光可以從均勻透明且彎曲的玻璃（或塑料）棒的一端傳導到另一端，如圖所示。當玻璃（或塑料）棒的截面直徑很小，甚至到微米數(shù)量級時，它對光的傳導效果也不會改變，即無能量損失，稱這種導光的細玻璃（或塑料）棒為光導纖維，簡稱光纖。01光現(xiàn)象一、光的折射和全反射●(一)光的全反射3．光7201光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉1．楊氏雙縫干涉實驗如圖6-7所示，從擋板的小孔a中出來的一束單色光投射到擋板S2上，擋板S2上有兩條相距很近的狹縫b和c。如果光是一種波，從擋板S2的狹縫中出來的光就會成為兩個波源，并且這兩個波源的頻率、相位、振動方向總是相同的。兩列波在傳播過程中，會在空間疊加，產(chǎn)生相互加強或相互減弱的區(qū)域，形成光的干涉，并在擋板后面的光屏上產(chǎn)生明暗相間的條紋。1801年，英國物理學家托馬斯·楊在實驗室里成功地觀察到了光的這一干涉現(xiàn)象。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉1．7301光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉如圖所示，陽光下的肥皂泡上和水面漂浮的油膜上均會出現(xiàn)彩色的條紋，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？想一想01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．7401光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉如圖所示，豎立的肥皂液薄膜在重力的作用下，會形成上薄下厚的楔形，當光照在薄膜上時，從膜的前后表面各反射一列光波，這兩列光波就是頻率相同的相干光波。由于薄膜的厚度不同，這兩列光波的路程差不同。當兩列光波的路程差為光波波長的整數(shù)倍時，波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，光波的振動加強，形成亮條紋；當路程差為半波長的奇數(shù)倍時，則波峰與波谷相遇，光波的振動減弱，形成暗條紋，這就是薄膜干涉現(xiàn)象。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．7501光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉知識角牛頓環(huán)又稱“牛頓圈”，它是一種薄膜干涉現(xiàn)象。牛頓環(huán)實驗示意圖如圖（上）所示，取兩塊玻璃體，一塊是望遠鏡用的平凸透鏡，另一塊是望遠鏡用的大型雙凸透鏡，將平凸透鏡的平面朝上放在雙凸透鏡上。把兩塊玻璃體互相壓緊時，會在圍繞著接觸點O的周圍出現(xiàn)各種顏色的環(huán)，即牛頓環(huán)，如圖（下）所示。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．7601光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉2．薄膜干涉知識角在實驗室里，常用牛頓環(huán)測定光波的波長或平凸透鏡的曲率半徑。在工業(yè)生產(chǎn)中，則常用牛頓環(huán)檢測透鏡的質量。牛頓環(huán)裝置也常被用來檢驗光學元件表面的平整度。牛頓雖然發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán)，并做了精確的定量測定，可以說已經(jīng)走到了光的波動說的邊緣，但由于他過分偏愛自己的微粒說，始終無法正確解釋這個現(xiàn)象。事實上，這個實驗倒可以成為光的波動說的有力證據(jù)之一。直到19世紀初，英國物理學家托馬斯·楊才用光的波動說，圓滿地解釋了牛頓環(huán)實驗。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉2．7701光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉3．光的干涉的應用1）檢查精密部件的表面如圖所示，將一個透明的標準樣板放在待檢查部件的表面，并在一端墊一薄片，使標準樣板的平面與被檢查部件的平面間形成一個楔形空氣膜（空氣劈尖）。用單色光從標準樣板的上面向下照射，入射光從楔形空氣膜的上下表面反射出兩列相干光，形成干涉條紋。凹面凸面平面01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉3．7801光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(一)光的干涉3．光的干涉的應用2）增透膜增透膜是在透鏡、棱鏡等光學元件表面涂的一層氟化鎂薄膜。為了提高成像的亮度，增透膜只對人眼或感光膠片上最敏感的綠光起增透作用。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(一)光的干涉3．7901光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(二)光的衍射1．光的衍射現(xiàn)象（a）小孔衍射

（b）單縫衍射讓一束平行光通過孔隙，當孔隙的寬度比光波的波長大很多時，在孔隙后的屏幕上將出現(xiàn)與孔隙寬度相一致的光斑；當孔隙的寬度縮小到可以與光波波長相比擬時，在孔隙后的屏幕上將出現(xiàn)明暗相間且間距不等的條紋，這就是光的衍射現(xiàn)象。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(二)光的衍射1．8001光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(二)光的衍射1．光的衍射現(xiàn)象當單色光照射在線度小于或等于光源波長的小圓板或小圓珠上時，在其后的觀察屏上會出現(xiàn)環(huán)狀的互為同心圓的衍射條紋，并且在所有同心圓的圓心處會出現(xiàn)一個極小的亮斑，這個亮斑被稱為泊松亮斑。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(二)光的衍射1．8101光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(二)光的衍射2．光的衍射和干涉的比較01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(二)光的衍射2．8201光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振1．光的偏振現(xiàn)象課堂互動取一根軟繩，一端固定在墻上，手持另一端上下抖動，在軟繩上就會形成一列橫波。讓軟繩穿過一塊帶有狹縫的木板，使狹縫與軟繩的振動方向平行［見圖（a）］，觀察軟繩是否可以通過狹縫傳播到木板的另一側；使狹縫與軟繩的振動方向垂直［見圖（b）］，觀察軟繩是否可以通過狹縫傳播到木板的另一側。（a）狹縫與軟繩的振動方向平行

（b）狹縫與軟繩的振動方向垂直01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振1．8301光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振1．光的偏振現(xiàn)象課堂互動如圖所示，將軟繩換成細軟的彈簧，前后推動彈簧形成縱波，改變狹縫放置的方向，觀察振動時彈簧上的縱波是否可以通過狹縫傳播到木板的另一側。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振1．8401光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振1．光的偏振現(xiàn)象某些波只沿著某個特定的方向振動的現(xiàn)象，稱為波的偏振。橫波具有偏振現(xiàn)象，縱波不具有這樣的特性。偏振片是一種由高分子薄膜制成的光學器件，它只允許沿某個方向振動的光波通過，并稱這個方向為透振方向。透射光強度不變透射光強度變弱透射光強度最弱01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振1．8501光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●

(三)光的偏振2．光的偏振現(xiàn)象的應用在拍攝水面下的景物、池中的游魚、玻璃櫥窗里陳列的物品時，由于水面或玻璃表面的反射光的干擾，經(jīng)常使得拍攝出的圖像不清晰。如果在照相機鏡頭前安裝一片偏振濾光片，讓偏振濾光片的透振方向與反射光的偏振方向垂直，這樣就可以減弱反射光的強度而使圖像變得清晰。蜜蜂有五只眼，其中兩只為復眼，每個復眼包含6300個小眼，這些小眼能根據(jù)太陽的偏光確定太陽的方位，然后以太陽為定向標來判斷方向，所以蜜蜂可以準確無誤地把它的同類引到它所找到的花叢中去。在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會迷路的，但是沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光來導航，因而不會迷路。01光現(xiàn)象二、光的干涉、衍射和偏振●(三)光的偏振2．8602光的波粒二象性一、光的電磁理論二、光的粒子性三、光具有波粒二象性02光的波粒二象性一、光的電磁理論三、光具有波粒二象性8702光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(一)光是一種電磁波19世紀60年代，麥克斯韋在電磁學研究的基礎上，從理論上推得電磁波的傳播速度等于光速，這使得他推測：光的傳播是一種電磁現(xiàn)象，是電磁振蕩在空間的傳播。20年后，赫茲通過實驗，第一次證實了光波就是電磁波，從而肯定了麥克斯韋的預言，產(chǎn)生了光的電磁理論。光的電磁理論的確立，推動了光學及整個物理學的發(fā)展?，F(xiàn)代光學盡管形成了許多新的領域，并且許多光學現(xiàn)象需要用量子理論來解釋，但是光的電磁理論仍然是闡明大多數(shù)光學現(xiàn)象及掌握現(xiàn)代光學的重要基礎。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(一)光是一種電磁8802光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線光的顏色是由電磁波的頻率決定的。不同頻率的色光在真空中的波速相同，但在介質中的波速不同。不可見光中，紅外線、紫外線和倫琴射線的頻率各不相同，因此有不同的性質和用途。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外8902光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線1．紅外線在電磁波中，能夠作用于人的眼睛并引起視覺的，只是一個很窄的波段，通常叫作可見光。其中，波長最短的是紫光，波長約為400nm；波長最長的是紅光，波長約為770nm；波長更長的光，不能引起視覺，叫作紅外線。紅外線的波長范圍很寬，約為770nm～106nm。紅外線的主要作用是熱作用，可以利用紅外線來加熱物體或進行紅外線遙感。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外9002光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線2．紫外線紫外線也是不可見光，它的波長比紫光還短，大約為5nm～40nm。紫外線有熒光作用，有些物質受到紫外線照射時，可以發(fā)出可見光。紫外線能夠殺滅多種細菌，可以用紫外線進行殺菌和消毒。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外9102光的波粒二象性一、光的電磁理論●

(二)紅外線、紫外線和倫琴射線3．倫琴射線波長比紫外線更短的光叫作倫琴射線，也叫X射線，是德國物理學家倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)的。倫琴射線的穿透能力很強，能使包在黑紙里的照相底片感光。在工業(yè)上，常用它來做金屬探傷；在醫(yī)學上，可利用它透視人體、拍攝照片，以檢查病變、骨折等情況，圖為醫(yī)院的X光機拍攝的X光片。02光的波粒二象性一、光的電磁理論●(二)紅外線、紫外9202光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應1．光電效應實驗如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，用弧光燈照射鋅板，結果發(fā)現(xiàn)驗電器的指針張開了一個角度，表示鋅板經(jīng)照射后帶了電，進一步檢驗知道鋅板帶的是正電。這說明在弧光燈的照射下，鋅板中有一部分自由電子從其表面逸出，鋅板因缺少了電子而帶正電。物體在光（包括不可見光）的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象叫作光電效應。發(fā)射出來的電子叫作光電子。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應1．光9302光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應2．光電效應的實驗規(guī)律及其解釋規(guī)律一：任何一種金屬，都有存在截止頻率v0

。只有當入射光的頻率v>v0時，電子才能逸出金屬表面，進而產(chǎn)生光電效應。當入射光的頻率v<v0時，無論光強多大，也無電子逸出金屬表面。幾種金屬的截止頻率和截止波長02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應2．光9402光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應2．光電效應的實驗規(guī)律及其解釋規(guī)律二：當入射光的頻率大于金屬的截止頻率時，入射光越強，飽和光電流就越大。如圖所示，當藍光的光照強度不變時，隨著電壓的增大，電流達到某一值后便不再增大，這是因為光照不變時，光電效應中發(fā)射的電子數(shù)目一定，因此飽和光電流不變。光照強度不同的黃光，光強越大，飽和光電流越大，這是因為入射光越強，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多，則飽和光電流越大。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應2．光9502光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應2．光電效應的實驗規(guī)律及其解釋規(guī)律三：光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大。一定顏色（頻率）的入射光，無論光的強弱如何，其遏止電壓是一樣的。光的頻率v改變時，遏止電壓也會改變，而光電子的最大初動能又和遏止電壓有關。因此，光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，與入射光的強弱無關。規(guī)律四：入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。實驗中觀察到，只要入射光的頻率大于被照金屬的截止頻率，即使入射光的強度非常微弱，電流表的指針也會隨著入射光的照射立即偏轉。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應2．光9602光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應3．光電效應的應用1）光控繼電器光控繼電器的工作原理如圖所示，當外界光線發(fā)生變化時，光線作用在光控原件上，會使光控元器件上的電流發(fā)生變化，從而引起繼電器的開合，達到控制外部電路的目的。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應3．光9702光的波粒二象性二、光的粒子性●

(一)光電效應3．光電效應的應用2）光電倍增管光電倍增管［見圖（a）］由入射窗、光電陰極、電子光學輸入系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)、陽極等部分組成。它的工作過程是光子入射到光電陰極上產(chǎn)生光電子，光電子通過電子光學系統(tǒng)（聚焦系統(tǒng)）進入倍增系統(tǒng)，電子得到倍增，最后通過陽極把電子收集起來，形成陽極電流或電壓輸出，如圖（b）所示。（a）光電倍增管的結構

（b）光電倍增管的工程過程02光的波粒二象性二、光的粒子性●(一)光電效應3．光9802光的波粒二象性二、光的粒子性●

(二)光量子理論1．光電效應與光的電磁理論的矛盾矛盾一：按照光的波動理論，不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子就會獲得足夠的能量從而逸出金屬表面，就可產(chǎn)生光電效應，不應存在截止頻率。而實驗結果表明：只有入射光的頻率

大于被照射金屬的截止頻率

時，才能發(fā)生光電效應。矛盾二：根據(jù)能量的觀點，電子要從物體中飛出，必須具有一定的能量，而這一能量只能來源于入射光。光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓

應與光的強弱有關。而實驗結果表明：逸出光電子的能量與入射光的強度無關，只取決于入射光的頻率。矛盾三：從光的波動理論可知，當一束很細的光（光很弱）照射到金屬上時，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間，才能獲得逸出金屬表面所需的能量，這個時間遠遠大于

。而光電效應實驗卻表明：入射光的照射和光電子的逸出幾乎是同時的。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(二)光量子理論1．9902光的波粒二象性二、光的粒子性●

(二)光量子理論2．光量子理論對光電效應的解釋既然光電效應的規(guī)律與電磁理論存在矛盾，那么該如何解釋光電效應現(xiàn)象呢？想一想光可以看作由光源發(fā)出的一束不連續(xù)的、以光速運動的粒子流，這種粒子叫作光量子，簡稱光子。每個光子的能量E和光的頻率v

成正比，即E=hv式中的h是一個恒量，叫作普朗克常量，其值為6.63x10-63J?s。對于某種金屬，電子從中掙脫出來所需做功的最小值，叫作這種金屬的逸出功。根據(jù)能量守恒定律，光電子的初動能Ek

跟入射光子的能量W逸

和逸出功

之間，存在如下關系：Ek=hv-W逸此式叫作愛因斯坦方程，又稱光電效應方程。02光的波粒二象性二、光的粒子性●(二)光量子理論2．10002光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象表明光具有波動性，而光電效應又無可爭辯地表明光是具有能量的光子流，即光具有粒子性。由此可見，光既具有波動性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。在微觀和宏觀世界中，光的波動性和粒子性是如何統(tǒng)一起來的？想一想由光子說和電磁說都可以推導出光具有動量，并被實驗所證實。光子說的結論是：光子的動量為p=hv/c

；電磁說的結論是：輻射能為E的光子具有的動量為p=E/c

。由于光子的能量

，所以，這兩個學說得到的結論是一致的?？梢?，宏觀世界中完全對立的粒子性和波動性，在微觀粒子身上卻完美地聯(lián)系在一起。02光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的干涉、衍射和偏10102光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的雙縫干涉實驗中，在觀察屏處放上感光膠片，并設法減弱光子流的強度，直到光子只能一個一個地通過狹縫。實驗表明，如果曝光時間不太長，照片上只會出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點，如圖（a）所示。這些點是光子打在感光膠片上形成的，表現(xiàn)出光的粒子性。隨著曝光時間的延長，膠片上點的分布越來越有規(guī)則，如圖（b）～（d）所示?？梢?，光子通過雙縫后，落在某些條形區(qū)域內的可能性較大，這些條形區(qū)域正是某些波通過雙縫后發(fā)生干涉時振動加強的區(qū)域。這個現(xiàn)象表明，光具有波動性。光的波動性是大量光子表現(xiàn)出來的特征。在干涉條紋中，那些光波強度大的地方就是光子到達的概率大的地方；光波強度小的地方就是光子到達的概率小的地方。所以，可以把光波看作是表明大量光子運動規(guī)律的一種概率波。02光的波粒二象性二、光具有波粒二象性光的雙縫干涉實驗中10202光的波粒二象性二、光具有波粒二象性（a）28個光子

（b）1000個光子（c）10000個光子

（d）數(shù)百萬個光子02光的波粒二象性二、光具有波粒二象性（a）28個光子10303認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性二、激光的應用03認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性10403認識激光一、激光的產(chǎn)生與特性●

(一)激光產(chǎn)生的原理和條件原子是由原子核和繞核高速運動的電子組成，核外電子所處的狀態(tài)不同，原子的狀態(tài)也不同。每個狀態(tài)對應的能量也是不連續(xù)的，這些不連續(xù)的能量值叫作能級。1）自發(fā)輻射原子在不受外界輻射場的影響下，自發(fā)由高能級

躍遷至低能級

，同時放出一個光子的過程叫作自發(fā)輻射，如圖所示。由自發(fā)輻射發(fā)出的光子稱為自發(fā)輻射光子，這些光子不僅波長、頻率不同，而且方向也不相同。普通光源的發(fā)光都是由原子的自發(fā)輻射產(chǎn)生的。1．激光產(chǎn)生的原理（a）自發(fā)輻