第二章 光伏原理

1、第二章 太陽能光伏發(fā)電光學原理2.1 光的反射和折射2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射2.3 光的散射2.4 光的輻射2.5 到達地面的太陽輻射2.6 光電學說2.1 光的反射和折射n光的傳播：nA 、光在同一種均勻介質中沿直線傳播。nB、光到達兩種介質的界面，發(fā)生反射和折射。nC、光在不均勻介質中傳播時光線發(fā)生彎曲。一、光源能夠自行發(fā)光的物體月亮不是光源光的直線傳播 一、光線用來表示光的傳播方向的直線。 注意理解幾點： 1)畫光線時必須有表示光的傳播方向的箭頭。 2)光線只代表光的傳播方向 ，并不是實際存在的東西，而光是實際存在的。 3)光線可代表很窄、平行光束的傳播路徑。 4)兩條光線可代

2、表一條光束的邊緣。 5)用光線可代表光的會聚、發(fā)散或平行的性質。 PBSa)影是由發(fā)自光源并與投影物體的表面相切的光線所形成的。b)影子的大小決定于點光源物體和光屏的相對位置。三、實際的光現(xiàn)象1、影點光源發(fā)出的光，照到不透明的物體時，在物體背后形成一個光照不到的黑暗區(qū)域，這就是物體的影。c)偽半影光源中心部分照不到的區(qū)域。ABCD2、若光源的發(fā)光面較大，發(fā)光面上的每個發(fā)光點，都可以看作一個點光源，它們都在物體背后造成影區(qū)，分別為：a)本影完全不受到光照射的區(qū)域。(影共有的范圍)b)半影本影的周圍還有一個能受到光源發(fā)出的一部分光照射的區(qū)域。月球太陽地球太陽月球地球ABBAA：本影區(qū) 看到日全食

3、B：半影區(qū) 看到日偏食C：偽半影區(qū) 看到日環(huán)食BBc2.1.1 光的反射定律n 反射定律“三線同面，法線居中，兩角相等三線同面，法線居中，兩角相等”BOAN）（光的反射反射光線、入射光線和法線在同一平面上反射角等于 入射角反射光線和入射光線反射光線和入射光線分居法線的分居法線的兩側兩側練習練習1：（1）（2）（3）漫反射漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光雖為平行光束，反射光卻四向分散。無論單向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。問題：n一束太陽光斜射到平面鏡的表面，平面鏡的另一束太陽光斜射到平面鏡的表面，平面鏡的另一側可以看到耀眼的白光；如果太陽光斜射到一側可以看到耀眼的白光；如果太陽光斜射到粗糙

4、的木板表面，則無論從哪個方向觀察，都粗糙的木板表面，則無論從哪個方向觀察，都看不到耀眼的亮光，為什么？看不到耀眼的亮光，為什么？平面鏡平面鏡會發(fā)生全反射全反射現(xiàn)象， 而粗糙的木板木板的只能發(fā)生漫反射漫反射現(xiàn)象。練習：練習：光的反射現(xiàn)象。迎著月光走，光水人，光線這樣入眼。 背著月光走，光線沒有射入人眼，路面存在漫反射。所以，發(fā)暗處是水。漫反射：是指一束平行光線射向凹凸不平的面時，每條光線都遵循光的反射定律。鏡面反射：平行光射到光滑的平面，反射光依然平行。水洼，鏡面反射。路面，漫反射 。60 1200相反相反130065000練習：練習：2.1.2 光的折射定律光的折射光由一種介質傳入另一種介質時

5、（非垂直射入），前進方向會改變的現(xiàn)象。原因：光在不同介質中，由于速率的不同，使得前進方向改變。光的折射定律（1）入射線、折射線與法線在同一平面上。（2）光自光速快的介質，傳入光速慢的介質時，其折射線偏向法線。即折射角小于入射角。（3）光自光速慢的介質，傳入光速快的介質時，其折射線偏離法線，及折射角大於入射角。入射光與反射光及折射光的比較：入射光與反射光的比較：相同：不同：光速、頻率、波長振幅、方向入射光與折射光的比較：相同：不同：頻率光速、波長、振幅、方向面鏡與透鏡面鏡 應用光的反射原理透鏡 應用光的折射原理 平面鏡 凸面鏡 凹面鏡凸透鏡 凹透鏡平面鏡的成像成像性質：（1）為一正立虛像 （2）

6、物距 = 像距 （3）物長 = 像長 （4）左右向反，上下不顛倒凸透鏡的成像凸透鏡各部分的名稱及繪圖：（1）主軸 （2）鏡心（3）焦點 （4）焦距（1）平行主軸的光線通過異側焦點（2）通過鏡心的光線不偏折（3）通過焦點的光線平行主軸凸透鏡成像.tw/demolab/index.html物位置無窮遠2F外2F上2FFF上F內像位置異側F上異側F2F異側2F上異側2F外無窮遠同側像性質一點實像倒立縮小實像倒立相等實像倒立放大實像不成像正立放大實像凹透鏡成像凹透鏡各部分名稱及繪圖：（1）主軸 （2）鏡心（3）焦點 （4）焦距（1）平行主軸的光線向外發(fā)散，其

7、延長線通過同側焦點（2）通過鏡心的光線不偏折（3）通過異側焦點的光線平行主軸凹透鏡成像.tw/demolab/index.html物位置無窮遠2F外2F上2FFF上F內像位置同側焦點與物同側與物同側與物同側與物同側與物同側像性質一點虛像正立縮小虛像正立縮小虛像正立縮小虛像正立縮小虛像正立縮小虛像面鏡與透鏡成像性質的歸納平面鏡正立虛像、與物等大，左右相反。物靠近面鏡，像靠近面鏡且大小不變。凹面鏡正立放大虛像凸面鏡正立縮小虛像凸透鏡焦點外為倒立實像；物靠近透鏡，像原理透鏡且像逐漸變大。焦點內為正立虛像；物靠近透鏡，像靠近透鏡起逐漸變小（仍為放大虛像）凹透

8、鏡任何位置皆為正立縮小虛像；物靠近透鏡，像靠近透鏡且逐漸變大（仍為縮小虛像）面鏡與透鏡的應用凸面鏡照后鏡、旋轉道路旁所架設的凸面鏡凹面鏡手電筒的燈頭、車前燈平面鏡萬花筒、鏡子等凸透鏡凹透鏡投影機、放大鏡、相機、望遠鏡、遠視眼鏡、電影放映機、顯微鏡近視眼鏡2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射n光的漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光雖為平行光束，反射光卻四向分散。無論單向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。練習：練習：黑板本來是會發(fā)生漫反射現(xiàn)象的，這樣坐在任意的角落的學生都能看得清黑板。但時間用久了。黑板就會很光滑，就產生全反射。坐在兩邊的學生就只能看見亮光，看不清黑板啦。2.2.2 光的干涉光的干涉1

9、 1光的干涉現(xiàn)象光的干涉現(xiàn)象 1 1）定義：兩列光波相遇時疊加，在某些地方光被加強而）定義：兩列光波相遇時疊加，在某些地方光被加強而 某些地方減弱的現(xiàn)象。某些地方減弱的現(xiàn)象。 2 2）干涉條件：相干光束）干涉條件：相干光束（光源上同一點分出來的兩個光源）光源上同一點分出來的兩個光源） 注：注：不同光源或同一光源上不同部分發(fā)出的光不會產生干涉現(xiàn)象。不同光源或同一光源上不同部分發(fā)出的光不會產生干涉現(xiàn)象。 相干條件：相干條件：頻率相同；振動方向相同；位相差恒定。頻率相同；振動方向相同；位相差恒定。單色光單色光屏屏楊氏雙縫干涉（楊氏雙縫干涉（托馬斯托馬斯楊楊）相當于兩個相當于兩個完全相同的光源完全相同

10、的光源S1S2S1S2S*單色激光束單色激光束擋板擋板屏屏亮暗相間等距的條紋亮暗相間等距的條紋雙縫干涉示意圖雙縫干涉示意圖你觀察到了什么？你觀察到了什么？S1S2亮條紋的中心線亮條紋的中心線亮條紋的中心線亮條紋的中心線暗條紋的中心線暗條紋的中心線暗條紋的中心線暗條紋的中心線S1S2P1SP1S2P1S1= S光程差相當于完全相同的波源相當于完全相同的波源S1、S2雙縫干涉雙縫干涉亮條紋亮條紋暗條紋暗條紋單色激光束單色激光束相干光束相干光束.)2 , 1 , 0( kkS.)2 , 1 , 0(2) 12(kkS dDxxxkk 1(1)明暗相間的條紋明暗相間的條紋對稱分布于中心對稱分布于中心O

11、 O點兩側點兩側。 dxDxx1 干涉干涉條紋特點條紋特點：(2)相鄰明相鄰明條紋條紋和相鄰暗條紋和相鄰暗條紋等間距等間距，與干涉級，與干涉級k k無關無關。兩兩相鄰明（或暗）條紋間的距離稱為相鄰明（或暗）條紋間的距離稱為條紋間距條紋間距。若用復色光源，則干涉條紋是彩色若用復色光源，則干涉條紋是彩色的。的。1k2k1k3k3k2k雙縫間距雙縫間距d，屏到擋板間距離，屏到擋板間距離D，光的波長，光的波長。各色光在真空中的波長各色光在真空中的波長光的光的顏色顏色波長波長nm光的光的顏色顏色波長波長nm紅紅770620綠綠580490橙橙620600藍靛藍靛490450黃黃600580紫紫45040

12、0紅光波長最大，紫光波長最小紅光波長最大，紫光波長最小dLx 白光用白光做雙縫干涉實驗，在屏上會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？用白光做雙縫干涉實驗，在屏上會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？紅光700nm紅藍光470nm蘭亮暗相間彩色條紋亮暗相間彩色條紋楊氏干涉牛頓環(huán)牛頓環(huán)(Newton rings)牛頓環(huán)牛頓環(huán)(Newton rings)eoRr2 , 1 , 02) 12(3 , 2 , 122kkkke空氣薄層中，任一厚度空氣薄層中，任一厚度e處上下表面反射光的干涉條件：處上下表面反射光的干涉條件：明條紋明條紋暗條紋暗條紋eoRr22222eeRRr Re)(eR 略去略去e2Rre22 各級明、暗干涉條紋的半徑各級明、暗

13、干涉條紋的半徑：3 , 2 , 12) 12(kRkr2 , 1 , 0kkRr隨著牛頓環(huán)半徑的增大，條紋變得越來越密。隨著牛頓環(huán)半徑的增大，條紋變得越來越密。e=0, ,兩反射光的光程差兩反射光的光程差 = /2，為為暗斑暗斑。明條紋明條紋暗條紋暗條紋牛頓環(huán)牛頓環(huán) (Newton rings) erRoc 波長為波長為 的單色光垂直入射到的單色光垂直入射到平凸透鏡與平晶間的平凸透鏡與平晶間的空氣層空氣層( (n n=1)=1)上，入射光從透鏡的球面上和平上，入射光從透鏡的球面上和平晶晶的上的上表面反射出來的光發(fā)生干涉表面反射出來的光發(fā)生干涉兩束光的光程差兩束光的光程差:22 e暗環(huán)暗環(huán) o分

14、束鏡分束鏡M顯微鏡顯微鏡.S平凸透鏡平凸透鏡平晶平晶牛頓環(huán)裝置簡圖牛頓環(huán)裝置簡圖2) 12(22 ke暗暗環(huán)環(huán)條件條件：明明環(huán)環(huán)條件條件： ke 22第第k個個明明環(huán)半徑：環(huán)半徑：2) 12( Rkrk ),2, 1( k kRrk 第第k個個暗暗環(huán)半徑：環(huán)半徑：), 2 , 1 , 0( k條紋特點：條紋特點：1.中心是暗斑；中心是暗斑；eReRRr2)(222 eRr2 由幾何關系可知：由幾何關系可知：)(eR ), 2 , 1( k), 2 , 1 , 0( k2.隨著條紋級次隨著條紋級次k的增大的增大,條紋間距條紋間距 r 減小減小e =0, r =0 kRRkrrrkk )1(1牛頓

15、環(huán)的應用牛頓環(huán)的應用 mRrrkmk 22 測透鏡球面的半徑測透鏡球面的半徑R： 已知已知 , 測測 m、rk+m、rk，可可得得R ; 測波長測波長： 已知已知R，測出測出m 、 rk+m、rk， 可可得得。 檢驗透鏡球表面質量檢驗透鏡球表面質量標準驗規(guī)標準驗規(guī)待測透鏡待測透鏡暗紋暗紋 2.2.3 光的逆向反射n光的逆向反射，又稱再歸反射，和鏡面反射、漫反射不同，能使光線沿原來路徑反射回去。n例如：自行車紅色尾燈。n 公路兩旁的交通標志。2.3光的散射光的散射 當光束通過均勻的透明介質時，從側面是難以看到光的。但當光束通過不均勻的透明介質時，則從各個方向都可以看到光，這是介質中的不均勻性使光

16、線朝四面八方散射的結果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。 例如，當一束太陽光從窗外射進室外內時，我們從側面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。 光的散射現(xiàn)象光的散射現(xiàn)象衍射衍射：波在傳播過程中經過：波在傳播過程中經過障礙物邊緣障礙物邊緣或或孔隙孔隙時所發(fā)生的時所發(fā)生的傳傳播方向彎曲現(xiàn)象播方向彎曲現(xiàn)象?？紫对叫。ㄩL越大，這種現(xiàn)象就越顯著。孔隙越小，波長越大，這種現(xiàn)象就越顯著。 小障礙物使波發(fā)生散射，較大物體使波發(fā)生反射，邊緣小障礙物使波發(fā)生散射，較大物體使波發(fā)生反射，邊緣部分發(fā)生衍射。部分發(fā)生衍射。 按不均勻團塊的性質、散射可分為兩大類：按不均勻團塊的性質、散射可分為兩大類： （

17、1 1）懸浮質點的散射：如膠體、乳濁液、含有煙、霧、灰塵）懸浮質點的散射：如膠體、乳濁液、含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射必于此類。的大氣中的散射必于此類。 （2 2）分子散射：即使十分純凈的液體或氣體，也能產生比較）分子散射：即使十分純凈的液體或氣體，也能產生比較微弱的散射，這是由于微弱的散射，這是由于分子熱運動造成密度的局部漲落分子熱運動造成密度的局部漲落引起引起的，這種散射，稱為分子散射，物質處臨界點時的，這種散射，稱為分子散射，物質處臨界點時密度張落密度張落很很大，光線照射在其上，就會發(fā)生強烈的分子散射，這種現(xiàn)象大，光線照射在其上，就會發(fā)生強烈的分子散射，這種現(xiàn)象叫做叫做臨界乳光臨界乳光

18、。區(qū)別、區(qū)分散射、反射和衍射散射、反射和衍射n大氣對不同色光的散射作用不會“機會均等”的，波長短的光受到的散射最厲害。n波長：紅紅大于紫紫色。把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleigh scattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。問：天空為什么是藍的？旭日和夕陽為什么是紅的？云為什么是白的？答：首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的答：首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到結果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空光輝奪目的

19、太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射向觀察者，見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（藍紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）強烈得多，散射（藍紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）強烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍色。瑞利曾對天空中各種波長的光乃因短波的富集而呈蔚藍色。瑞利曾對天空中各種波長的相對光強作過測量，發(fā)現(xiàn)與反比律頗相吻合。相對光強作過測量，發(fā)現(xiàn)與反比律頗相吻合。大氣的散射一大氣的散射一部分來自懸浮的塵埃部分來自懸浮的塵

20、埃，大部分是密度漲落引起的分子散射大部分是密度漲落引起的分子散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明顯。后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明顯。所以每當大雨澄清了塵埃的時候，天空總是藍得格外美麗可所以每當大雨澄清了塵埃的時候，天空總是藍得格外美麗可愛，其道理就在這里愛，其道理就在這里. .一天天空變化由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長波成分直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經歷大氣層的厚度要比中午時大得多，從經歷大氣層的厚度要比中午時大得多，從而大氣的散射效應也要強烈得多，這便是而大氣的散射效應也要強烈得多，這便是旭日初升時顏色顯得特別殷紅的原因。旭日初升時顏色顯得特別殷紅的原因。 白白云是大氣中的水滴組成的，