高中物理光學(xué)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

高中物理光學(xué)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)光的微粒說是牛頓提出的，它能夠解釋光的直線傳播和反射等現(xiàn)象，但無法解釋光在兩種介質(zhì)界面上既有反射又有折射的現(xiàn)象。光的波動(dòng)性是惠更斯提出的，對(duì)于光的本性認(rèn)識(shí)有了深化。薄膜干涉、雙縫干涉、光的衍射等現(xiàn)象都能夠用波動(dòng)理論解釋。電磁場理論和光的電磁說則更加深入地探討了光的本質(zhì)。電磁波譜是由低頻到高頻構(gòu)成的廣闊范圍的電磁波，包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、r射線等。光子說是愛因斯坦提出的，它認(rèn)為光在空間傳播不是連續(xù)的，而是由一個(gè)個(gè)光子組成。光子的能量與頻率成正比，普朗克常量則是光子能量與頻率之間的比例系數(shù)。光的直線傳播和反射是幾何光學(xué)中的基本概念。光在同一種均勻透明介質(zhì)中沿直線傳播，而在介質(zhì)中的傳播速度要小于在真空中的速度。光的反射是指光從一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)的界面上再返回原介質(zhì)的現(xiàn)象。反射定律規(guī)定反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)，反射角等于入射角。光滑平面上的反射叫做鏡面反射，而粗糙平面上的反射則是漫反射。所有幾何光學(xué)中的光現(xiàn)象，光路都是可逆的。光的折射是光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。折射定律規(guī)定入射光線、折射光線和法線在同一平面內(nèi)，折射角與入射角的正弦比等于兩種介質(zhì)的折射率之比。全反射是指光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角超過一定角度時(shí)，光將全部反射回原介質(zhì)中，不發(fā)生折射。總的來說，人類對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展不斷深化，從光的微粒說到波動(dòng)說再到波粒二象性的認(rèn)識(shí)歷程，我們逐漸認(rèn)識(shí)到光的本性是多方面的。光的干涉、衍射、折射、全反射等現(xiàn)象都能夠用不同的理論解釋，而光子說更是對(duì)光的本性提出了全新的認(rèn)識(shí)。中心線作為對(duì)稱軸)，便于確定光線的偏折角和折射角。2.光的色散現(xiàn)象光的色散是指不同顏色的光在通過介質(zhì)時(shí)，由于折射率的不同而產(chǎn)生的偏折角不同的現(xiàn)象。一般來說，光的折射率與波長有關(guān)，不同波長的光在介質(zhì)中的折射率不同，因此會(huì)產(chǎn)生色散現(xiàn)象。在三棱鏡中，不同顏色的光線會(huì)被分離出來，形成彩虹色的光譜。光的色散現(xiàn)象在光學(xué)儀器中有著廣泛的應(yīng)用，如光譜儀、分光計(jì)等。3.光的衍射光的衍射是指光通過狹縫或物體邊緣時(shí)，光波會(huì)發(fā)生彎曲和干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生新的波前，使光線發(fā)生偏折和擴(kuò)散的現(xiàn)象。光的衍射是光學(xué)中重要的現(xiàn)象之一，廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)和制造中。光的衍射也是研究光的波動(dòng)性質(zhì)的重要手段之一。4.光的干涉光的干涉是指兩束或多束光波相遇時(shí)，由于波的疊加而產(chǎn)生明暗相間的條紋、彩色環(huán)等現(xiàn)象。光的干涉是光學(xué)中的重要現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)和制造中，如干涉儀、Michelson干涉儀等。光的干涉也是研究光的波動(dòng)性質(zhì)的重要手段之一。光學(xué)中的一個(gè)現(xiàn)象是色散現(xiàn)象，即一束白光經(jīng)過三棱鏡折射后會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏上形成七色光帶。不同顏色的光偏折程度不同，紅光偏折最小，紫光偏折最大。在同一介質(zhì)中，七種顏色的光與折射率、全反射的臨界角、傳播速率、側(cè)移、頻率、波長、雙縫干涉條紋間距和衍射現(xiàn)象等物理量有對(duì)應(yīng)關(guān)系。全反射棱鏡是橫截面為等腰直角三角形的棱鏡，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)90度或180度。需要注意光線在哪個(gè)表面發(fā)生全反射。玻璃磚是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)，會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，并產(chǎn)生側(cè)移，側(cè)移的大小與折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關(guān)?？梢岳貌ＡТu測定玻璃的折射率。光導(dǎo)纖維是利用全反射的應(yīng)用之一，有內(nèi)、外兩層材料，內(nèi)層是光密介質(zhì)，外層是光疏介質(zhì)。光在光纖中傳播時(shí)，每次射到內(nèi)、外兩層材料的界面，都要求入射角大于臨界角，從而發(fā)生全反射。這樣使從一個(gè)端面入射的光，經(jīng)過多次全反射能夠沒有損失地全部從另一個(gè)端面射出。不同的光學(xué)元件對(duì)光路的控制特征不同。光束經(jīng)平面鏡反射后，其會(huì)聚（或發(fā)散）的程度將不發(fā)生改變。光束射向三棱鏡，經(jīng)前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化的特征是向著底邊偏折，若光束由復(fù)色光組成，會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象。光束射向前、后表面平行的透明玻璃磚，經(jīng)前、后表面兩次折射后，其傳播方向不變，只產(chǎn)生一個(gè)側(cè)移。光學(xué)是一門研究光的傳播、反射、折射、干涉等現(xiàn)象的學(xué)科。在光學(xué)中，透鏡是一種重要的光學(xué)元件。光束射向透鏡，經(jīng)前、后表面兩次折射后，其傳播光路變化的特征是：凸透鏡使光束會(huì)聚，凹透鏡使光束發(fā)散。在光學(xué)中，不同的光學(xué)鏡有不同的成像特征。物點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散光束照射到鏡面上并經(jīng)反射或折射后，如會(huì)聚于一點(diǎn)，則該點(diǎn)即為物點(diǎn)經(jīng)鏡面所成的實(shí)像點(diǎn)；如發(fā)散，則其反向延長后的會(huì)聚點(diǎn)即為物點(diǎn)經(jīng)鏡面所成的虛像點(diǎn)。因此，判斷某光學(xué)鏡是否能成實(shí)（虛）像，關(guān)鍵看發(fā)散光束經(jīng)該光學(xué)鏡的反射或折射后是否能變?yōu)闀?huì)聚光束（可能仍為發(fā)散光束）。平面鏡的反射不能改變物點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散光束的發(fā)散程度，所以只能在異側(cè)成等大的、正立的虛像。凹透鏡的折射只能使物點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散光束的發(fā)散程度提高，所以只能在同側(cè)成縮小的、正立的虛像。凸透鏡折射既能使物點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散光束仍然發(fā)散，又能使物點(diǎn)發(fā)出發(fā)散光束變?yōu)榫酃馐运饶艹商撓?，又能成?shí)像。在幾何光學(xué)中，光路問題是重要的研究內(nèi)容。幾何光學(xué)是借用“幾何”知識(shí)來研究光的傳播問題的，而光的傳播路線又是由光的基本傳播規(guī)律來確定。所以，對(duì)于幾何光學(xué)問題，只要能夠畫出光路圖，剩下的就只是“幾何問題”了。而幾何光學(xué)中的光路通常有如下兩類：成像光路和視場光路。光的波動(dòng)性是光學(xué)中的重要內(nèi)容之一。光的干涉現(xiàn)象是光的波動(dòng)性的重要表現(xiàn)形式。兩列波在相遇的疊加區(qū)域，某些區(qū)域使得“振動(dòng)”加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋；某些區(qū)域使得振動(dòng)減弱，出現(xiàn)暗條紋。振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互間隔，出現(xiàn)明暗相間條紋的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫光的干涉現(xiàn)象。產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件是兩列波頻率相同，振動(dòng)步調(diào)一致（振動(dòng)方向相同），相差恒定。兩個(gè)振動(dòng)情況總是相同的波源，即相干波源。產(chǎn)生相干光源的方法有利用激光和分光法。分光法是將一束光分為兩束頻率和振動(dòng)情況完全相同的光，這樣兩束光都來源于同一個(gè)光源，頻率必然相等。下面的四個(gè)圖分別是利用雙縫、楔形薄膜、空氣膜和平面鏡形成相干光源的示意圖。點(diǎn)(或縫)光源分割法：楊氏雙縫(雙孔)干涉實(shí)驗(yàn)；利用反射得到相干光源：薄膜干涉。通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，由同一光源發(fā)出的光經(jīng)過兩個(gè)狹縫后形成兩列光波疊加產(chǎn)生。當(dāng)這兩列光波到達(dá)某點(diǎn)的路程差為波長的整數(shù)倍時(shí)，即δ=kλ，該處的光互相加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)?shù)竭_(dá)某點(diǎn)的路程差為半波長奇數(shù)倍時(shí)，即δ=(2n-1)λ/2，該點(diǎn)光互相消弱，出現(xiàn)暗條紋。條紋間距與單色光波長成正比，即Δx=λd/(2l)，其中λ表示波長，d表示狹縫間距，l表示狹縫到屏幕的距離。因此，用單色光作雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏的中央是亮紋，兩邊對(duì)稱地排列明暗相同且間距相等的條紋。用白光作雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏的中央是白色亮紋，兩邊對(duì)稱地排列彩色條紋，離中央白色亮紋最近的是紫色亮紋。這是因?yàn)椴煌猱a(chǎn)生的條紋間距不同，出現(xiàn)各色條紋交錯(cuò)現(xiàn)象。如果遮住其中一條縫，將出現(xiàn)明暗相間的亮度不同且不等距的衍射條紋。薄膜干涉現(xiàn)象是光照到薄膜上，由薄膜前后表面反射的兩列光波疊加而成。劈形薄膜干涉可產(chǎn)生平行相間條紋。兩列反射波的路程差Δδ等于薄膜厚度d的兩倍，即Δδ=2d。由于膜上各處厚度不同，故各處兩列反射波的路程差不等。若Δδ=nλ(n=1,2…)則出現(xiàn)明紋。若Δδ=(2n-1)λ/2(n=1,2…)則出現(xiàn)暗紋。應(yīng)注意，干涉條紋出現(xiàn)在被照射面(即前表面)，后表面是光的折射所造成的色散現(xiàn)象。單色光明暗相間條紋，彩色光出現(xiàn)彩色條紋。薄膜干涉應(yīng)用包括肥皂膜干涉、兩片玻璃間的空氣膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛頓環(huán)、蝴蝶翅膀的顏色等。透鏡增透膜(氟化鎂)是一種薄膜，其厚度應(yīng)是透射光在薄膜中波長的1/4倍。這使得薄膜前后兩面的反射光的光程差為半個(gè)波長(ΔT=2d=?λ，得d=?λ)，因此反射光疊加后減弱。這大大減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度，因此這種薄膜叫做增透膜。光譜中央部分的綠光對(duì)人的視覺最敏感，通過時(shí)完全抵消，而邊緣的紅、紫光沒有顯著削弱。所有增透膜的光學(xué)鏡頭呈現(xiàn)淡紫色。從能量的角度分析，E入=E反+E透+E吸。在介質(zhì)膜吸收能量不變的前提下，若E反=0，則E透最大。這增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。“用干涉法檢查平面”：通過干涉法可以檢查平面的光滑程度。在兩個(gè)平板之間形成一層空氣膜，通過單色光從上方照射，如果平面光滑，則干涉圖樣會(huì)呈現(xiàn)等間距的條紋。如果某處凸起，則對(duì)應(yīng)的明紋會(huì)提前出現(xiàn)，如果某處凹下，則對(duì)應(yīng)的暗紋會(huì)延后出現(xiàn)。需要注意的是，只有采用特殊方法從同一光源分離出的兩列光疊加才能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。光的波長、波速和頻率的關(guān)系是v=λf。光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，其頻率f不變，其波長λ與光在介質(zhì)中的波速v成正比。色光的顏色由頻率決定，頻率不變則色光的顏色也不變。光的衍射現(xiàn)象是光離開直線路徑而繞到障礙物陰影里的現(xiàn)象。單縫衍射會(huì)呈現(xiàn)中央明亮、兩側(cè)對(duì)稱排列強(qiáng)度減弱的條紋，而圓孔衍射會(huì)呈現(xiàn)明暗相間、不等距的圓環(huán)。泊松亮斑是指當(dāng)光照到不透光的極小圓板上時(shí)，在圓板的陰影中心出現(xiàn)的亮斑。在形成泊松亮斑時(shí)，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，使輪廓模糊不清。產(chǎn)生明顯衍射的條件是障礙物（或孔）的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小。當(dāng)障礙物或孔的尺寸小于0.5mm時(shí)，會(huì)有明顯的衍射現(xiàn)象。當(dāng)Δd=0.1mm=1300λ時(shí)，看到的衍射現(xiàn)象就很明顯了。光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結(jié)果，但存在明顯的區(qū)別。單色光的衍射條紋與干涉條紋都是明暗相間分布，但衍射條紋中間亮紋最寬，兩側(cè)條紋逐漸變窄變暗，干涉條紋則是等間距、明暗亮度相同。白光的衍射條紋與干涉條紋都是彩色的。光的干涉和衍射現(xiàn)象是波的特征，證明了光具有波動(dòng)性。當(dāng)波長較大時(shí)，干涉和衍射現(xiàn)象不太明顯，越容易觀察到這些現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象表明光沿直線傳播只是近似規(guī)律，當(dāng)光波長比障礙物小得多和情況下，光才可以看作直線傳播。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。光的直進(jìn)是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，光的衍射現(xiàn)象并沒有完全否認(rèn)光的直進(jìn)，而是指出光的傳播規(guī)律受一定條件制約的。光的偏振是指波只沿某個(gè)特定方向振動(dòng)的現(xiàn)象，只有橫波才會(huì)出現(xiàn)偏振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，光具有偏振現(xiàn)象，因此光波是橫波。自然光是太陽、電燈等普通光源直接發(fā)出的光，包含垂直于傳播方向上沿各個(gè)方向振動(dòng)的光，而且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同。自然光通過偏振片后成形偏振光。偏振光只沿一個(gè)特定的方向振動(dòng)，自然光射到兩種介質(zhì)的界面上，如果光的入射方向合適，使反射和折射光之間的夾角恰好是90度，這時(shí)，反射光和折射光就都是偏振光，且它們的偏振方向互相垂直。偏振片是由特定材料制成，它上面有一個(gè)特殊方向，只有振動(dòng)方向和透振方向平行的光波才能通過偏振片。光的偏振進(jìn)一步證明了光是一種波，而且是橫波。各種電磁波中電場E的方向、磁場B的方向和電磁波的傳播方向之間，兩兩互相垂直。光波的感光作用和生理作用主要是由電場強(qiáng)度E引起的，因此將E的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。偏振光在立體電影、照相機(jī)的鏡頭、消除車燈的眩光等方面有廣泛應(yīng)用。光的干涉與衍射充分地表明光是一種波，光的偏振現(xiàn)象又進(jìn)一步表明光是橫波。麥克斯韋對(duì)電磁理論的研究預(yù)言了電磁波的存在，并得到電磁波傳播速度的理論值3.11×108m/s，這和當(dāng)時(shí)測出的光速3.15×108m/s非常接近。在此基礎(chǔ)上，麥克斯韋提出了光在本質(zhì)上是一種電磁波，即光的電磁說。赫茲在電磁說提出20多年后，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度確實(shí)等于光速，并測出其波長與頻率，并且證明了電磁波也能產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉、偏振等現(xiàn)象。用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說的正確性。光的電磁本性被揭示，光是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，把光現(xiàn)象和電磁學(xué)統(tǒng)一起來，說明光與電和磁存在聯(lián)系。光能在真空中傳播的原因是電磁場本身就是物質(zhì)，不需要?jiǎng)e的介質(zhì)來傳遞。電磁波譜按波長由大到小的順序排列為：無線電波、紅外線、可見光(七色)、紫外線、X射線、γ射線。不同種類的電磁波產(chǎn)生的基本原理、性質(zhì)和用途各不相同。其中包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線和倫琴射線等。它們的頻率和波長在一定程度上有所重疊和交錯(cuò)，但是它們的特性和用途都是有規(guī)律可循的。無線電波的頻率范圍在104～3×1012Hz之間，波長在3×1014～104m之間。它們主要應(yīng)用于通訊、廣播、導(dǎo)航等領(lǐng)域。通過熱效應(yīng)激發(fā)熒光或利用貫穿本領(lǐng)可以實(shí)現(xiàn)無線電波在LC電路中自原子的外層電子受到激發(fā)的目的?？梢姽馐侨祟惸軌蛑苯佑^察到的電磁波，波長在3.9×1014～7.5×1014m之間。它們的波動(dòng)性較強(qiáng)，可以引起視覺化學(xué)作用、熒光效應(yīng)、殺菌等?？梢姽獾膽?yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括照相、照明、醫(yī)療等。紅外線的波長在7.7×10-7～3.9×10-4m之間，主要性質(zhì)是具有熱效應(yīng)，可以用于加熱、烘干、遙感、測量等領(lǐng)域。黑光燈和日光燈都是利用紅外線的特性來實(shí)現(xiàn)照明的。紫外線的波長在4×10-7～7.5×10-7m之間，可以引起化學(xué)反應(yīng)和熒光效應(yīng)。它們的應(yīng)用領(lǐng)域包括手術(shù)室殺菌消毒、治療皮膚病等。倫琴射線的頻率范圍在1016～3×1020Hz之間，波長在10-11～10-15m之間。它們具有貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)的特性，可以用于探測、治療等領(lǐng)域。除了可見光外，其他電磁波的特性和應(yīng)用也各不相同。例如，激光是人工產(chǎn)生的相干光，具有平行度和方向性非常好的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于光纖通信、激光測距雷達(dá)、激光切割等領(lǐng)域。吸收光譜可以反映出物質(zhì)的化學(xué)組成，可用于光譜分析等領(lǐng)域。總之，電磁波是一種非常重要的物理現(xiàn)象，對(duì)于人類的生產(chǎn)生活和科學(xué)研究都有著重要的意義。紅外線可以被任何物體發(fā)出，并產(chǎn)生熱效應(yīng)。它在遙感、遙控和加熱方面有著廣泛的應(yīng)用。紫外線則可以被高溫物體發(fā)出，并產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，如熒光、殺菌和合成V等。X射線和陰極