第108講-光學(xué)——物理光學(xué)知識(shí)提要1.光的直線傳播

（1）光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播.小孔成像，影的形成，日食和月食都是光直線傳播的例證.（2）影是光被不透光的物體擋住所形成的暗區(qū).影可分為本影和半影，在本影區(qū)域內(nèi)完全看不到光源發(fā)出的光，在半影區(qū)域內(nèi)只能看到光源的某部分發(fā)出的光.點(diǎn)光源只形成本影，非點(diǎn)光源一般會(huì)形成本影和半影.本影區(qū)域的大小與光源的面積有關(guān)，發(fā)光面越大，本影區(qū)越小.（3）日食和月食:

人位于月球的本影內(nèi)能看到日全食，位于月球的半影內(nèi)能看到日偏食，位于月球本影的延伸區(qū)域（即“偽本影”）能看到日環(huán)食;當(dāng)月球全部進(jìn)入地球的本影區(qū)域時(shí)，人可看到月全食.月球部分進(jìn)入地球的本影區(qū)域時(shí)，看到的是月偏食.光線入射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，其中一部分光線在原介質(zhì)中改變傳播方向的現(xiàn)象.

（1）光的反射定律:

①反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)，反射光線和入射光線分居于法線兩側(cè).②反射角等于入射角.（2）反射定律表明，對(duì)于每一條入射光線，反射光線是唯一的，在反射現(xiàn)象中光路是可逆的.——光由一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的界面上將發(fā)生光的傳播方向改變的現(xiàn)象叫光的折射.（1）光的折射定律①折射光線，入射光線和法線在同一平面內(nèi)，折射光線和入射光線分居于法線兩側(cè).

②入射角的正弦跟折射角的正弦成正比，即sini/sinr=常數(shù).（2）在折射現(xiàn)象中，光路是可逆的.——光從真空射入某種介質(zhì)時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的折射率，折射率用n表示，即n=sini/sinr.某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c跟光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比，即n=c/v，因c>v，所以任何介質(zhì)的折射率n都大于1.兩種介質(zhì)相比較，n較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，n較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì).——橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡。選擇適當(dāng)?shù)娜肷潼c(diǎn)，可以使入射光線經(jīng)過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉(zhuǎn)90o（右圖1）或180o（右圖2）。要特別注意兩種用法中光線在哪個(gè)表面發(fā)生全反射。玻璃磚——所謂玻璃磚一般指橫截面為矩形的棱柱。當(dāng)光線從上表面入射，從下表面射出時(shí)，其特點(diǎn)是：出光線和入射光線平行；各種色光在第一次入射后就發(fā)生色散；射出光線的側(cè)移和折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關(guān)；可利用玻璃磚測(cè)定玻璃的折射率。6、光的干涉光的干涉的條件是：有兩個(gè)振動(dòng)情況總是相同的波源，即相干波源。（相干波源的頻率必須相同）。形成相干波源的方法有兩種：用激光（因?yàn)榧す獍l(fā)出的是單色性極好的光）。法將同一束光分為兩束（這樣兩束光都來源于同一個(gè)光源，因此頻率必然相等）。下面4個(gè)圖分別是利用雙縫、利用楔形薄膜、利用空氣膜、利用平面鏡形成相干光源的示意圖。SSS/bdacSS1S27.干涉區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的亮、暗紋⑴亮紋：屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即δ=nλ（n=0，1，2，……）⑵暗紋：屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，即δ=（n=0，1，2，……）相鄰亮紋（暗紋）間的距離。用此公式可以測(cè)定單色光的波長(zhǎng)。用白光作雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于白光內(nèi)各種色光的波長(zhǎng)不同，干涉條紋間距不同，所以屏的中央是白色亮紋，兩邊出現(xiàn)彩色條紋。——光通過很小的孔、縫或障礙物時(shí)，會(huì)在屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋，且中央條紋很亮，越向邊緣越暗。⑴各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射。⑵發(fā)生明顯衍射的條件是：障礙物（或孔）的尺寸可以跟波長(zhǎng)相比，甚至比波長(zhǎng)還小。（當(dāng)障礙物或孔的尺寸小于0.5mm時(shí)，有明顯衍射現(xiàn)象。）⑶在發(fā)生明顯衍射的條件下，當(dāng)窄縫變窄時(shí)，亮斑的范圍變大，條紋間距離變大，而亮度變暗。9、光的偏振現(xiàn)象：通過偏振片的光波，在垂直于傳播方向的平面上，只沿著一個(gè)特定的方向振動(dòng)，稱為偏振光。光的偏振說明光是橫波。例題解析【例1】（2016，上海卷）在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，屏上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，則（）（A）中間條紋間距較兩側(cè)更寬（B）不同色光形成的條紋完全重合（C）雙縫間距離越大條紋間距離也越大（D）遮住一條縫后屏上仍有明暗相間的條紋【例2】（2014，江蘇卷）某同學(xué)用單色光進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在屏上觀察到甲圖所示的條紋，僅改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件后，觀察到的條紋如乙圖所示。他改變的實(shí)驗(yàn)條件可能是。A．減小光源到單縫的距離B．減小雙縫之間的距離C．減小雙縫到光屏之間的距離D．換用頻率更高的單色光源【例3】（2016，天津卷）下圖是a、b兩光分別經(jīng)過同一雙縫干涉裝置后在屏上形成的干涉圖樣，則（）A、在同種均勻介質(zhì)中，a光的傳播速度比b光的大B、從同種介質(zhì)射入真空發(fā)生全反射時(shí)a光臨界角大C、照射在同一金屬板上發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，a光的飽和電流大D、若兩光均由氫原子能級(jí)躍遷產(chǎn)生，產(chǎn)生a光的能級(jí)能量差大課后習(xí)題1．列說法中正確的是（）A．光的反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象說明光是橫波B．光的偏振現(xiàn)象說明光是一種縱波C．電子束通過某一晶體時(shí)可能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象D．干涉法檢查被檢測(cè)平面的平整度應(yīng)用了光的雙縫干涉原理2.如圖11是用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備示圖，圖中①②③④⑤依次是光源、濾光片單縫、雙縫、光那，調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置使得像屏上可以見到清晰的干涉條紋，關(guān)于干涉條紋的況，下列敘述哪些是正確的。A．若將光屏向左平移一小段距離，屏上的干涉條紋將變得不清晰B．若將光屏向右平移一小段距離，屏上仍有清晰的干涉條紋C．若將雙縫間的距離d減小，光屏上的兩個(gè)相鄰明條紋間的距離變小D．若將濾光片由綠色換成紅色，光屏上的兩個(gè)相鄰暗條紋間的距離增大3．如圖所示，用三塊完全相同的平板玻璃組成一等邊三角形，一束單色光由AB面入射，由AC面射出，則以下說法正確的是（）A．射出光線方向與入射光線平行B．射出光線向頂角偏折C．射出光線會(huì)發(fā)生色散D．射出光線向底邊偏折4．在研究材料A的熱膨脹特性時(shí)，可采用如圖所示的干涉實(shí)驗(yàn)法,A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一個(gè)透明的平行板B,B與A上表面平行，在它們間形成一個(gè)厚度均勻的空氣膜，現(xiàn)在用波長(zhǎng)為的單色光垂直照射，同時(shí)對(duì)A緩慢加熱，在B上方觀察到B板的亮度發(fā)生周期性地變化，當(dāng)溫度為t1時(shí)最亮，然后亮度逐漸減弱至最暗；當(dāng)溫度升到t2時(shí)，亮度再一次回到最亮，則（）A．出現(xiàn)最亮?xí)r，B上表面反射光與A上表面反射光疊加后加強(qiáng)B.出現(xiàn)最亮?xí)r，B下表面反射光與A上表面反射光疊加后相抵消1升至t2過程中，A的高度增加1升至t2過程中，A的高度增加5.光子具有能量，也具有動(dòng)量。光照射到物體表面時(shí)，會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生壓強(qiáng)，這就是“光壓”。光壓的產(chǎn)生機(jī)理如同氣體壓強(qiáng)：大量氣體分子與器壁的頻繁碰撞產(chǎn)生了持續(xù)均勻的壓力，器壁在單位面積上受到的壓力就是氣體的壓強(qiáng)。設(shè)太陽光每個(gè)光子的平均能量為E，太陽光垂直照射地球表面時(shí)，在單位面積上的輻射功率為P0。已知光速為c，則光子的動(dòng)量為E/c。求：（1）若太陽光垂直照射在地球表面，則時(shí)間t內(nèi)照射到地球表面上半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)太陽光的總能量及光子個(gè)數(shù)分別是多少？（2）若太陽光垂直照射到地球表面，在半徑為r的某圓形區(qū)域內(nèi)被完全反射（即所有光子均被反射，且被反射前后的能量變化可忽略不計(jì)），則太陽光在該區(qū)域表面產(chǎn)生的光壓（用I表示光壓）是多少？（3）有科學(xué)家建議利用光壓對(duì)太陽帆的作用作為未來星際旅行的動(dòng)力來源。一般情況下，太陽光照射到物體表面時(shí)，一部分會(huì)被反射，還有一部分被吸收。若物體表面的反射系數(shù)為ρ，則在物體表面產(chǎn)生的光壓是全反射時(shí)產(chǎn)生光壓的倍。設(shè)太陽帆的反射系數(shù)ρ=0.8，太陽帆為圓盤形，其半徑r=15m，飛船的總質(zhì)量m=100kg，太陽光垂直照射在太陽帆表面單位面積上的輻射功率P0=1.4kW，已知光速c=3.0×108m/s。利用上述數(shù)據(jù)并結(jié)合（2）問中的結(jié)論，求太陽帆飛船僅在上述光壓的作用下，能產(chǎn)生的加速度大小是多少?不考慮光子被反射前后的能量變化。（保留2位有效數(shù)字）課內(nèi)例題答案1.D2.B3.D課后習(xí)題答案CBDACD5．（1）時(shí)間t內(nèi)太陽光照射到面積為S的圓形區(qū)域上的總能量E總=P0St………..2分解得E總=πr2