高中物理教程

目錄

第一章透鏡................................3

第一節(jié)眼睛......................................3

第二節(jié)放大鏡....................................6

第三節(jié)門鏡的原理.................................7

第四節(jié)凸透鏡的反射成像.............................9

第二章光的波粒二象性.............................12

第一節(jié)光色的互補(bǔ)與物體的顏色.....................12

第二節(jié)光的增透膜.................................15

第三節(jié)從玻璃涂膜到鏡面建筑.......................18

第四節(jié)海水為什么是藍(lán)色的.........................20

第五節(jié)瑰麗的極光.................................21

第三章現(xiàn)代科技光學(xué).........................23

第一節(jié)絕妙的激光清洗............................23

第二節(jié)全息三維顯示技術(shù).........................25

第四章基礎(chǔ)電子線路.........................27

第一節(jié)晶體二極管................................27

第二節(jié)晶體三極管...............................36

第五章簡(jiǎn)單電子制作........................40

第一節(jié)微波自動(dòng)節(jié)電開關(guān).....................40

第二節(jié)聲光控節(jié)能開關(guān)的制作...................42

第三節(jié)移動(dòng)電話手機(jī)場(chǎng)強(qiáng)儀.....................44

第四節(jié)新穎感應(yīng)臺(tái)燈控制電路.....................48

第六章納米技術(shù)的發(fā)展.........................49

第一節(jié)納米技術(shù)................................49

第二節(jié)納米技術(shù)風(fēng)光無(wú)限........................51

第三節(jié)“超級(jí)纖維”碳納米管發(fā)展記..............53

第四節(jié)納米碳管儲(chǔ)氫............................54

第七章狹義相對(duì)論.............................55

第一節(jié)參考系和運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性....................55

第二節(jié)光速和時(shí)間的相對(duì)性.....................65

第三節(jié)黑洞之迷.........................73

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第一章透鏡

第一節(jié)眼睛

一、眼睛的結(jié)構(gòu)

人的眼睛為一個(gè)直徑為2cm的球體。眼球的前部凸出的透明

部分，稱為角膜。眼球里有一個(gè)含有纖維膠質(zhì)的透明液體，稱

為晶狀體。晶狀體與角膜之間充滿無(wú)色透明液體——水樣液，

晶狀體與視網(wǎng)膜之間充滿無(wú)色透明膠狀物質(zhì)一一玻璃體。角膜、

水樣液、晶狀體和玻璃體的共同作用相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡。從物

體射進(jìn)眼里的光經(jīng)過這個(gè)凸透鏡折射后，在視網(wǎng)膜上成一倒立

的縮小的實(shí)象，刺激分布在視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞，視覺神經(jīng)將

這種刺激傳給大腦視覺中樞，從而使我們產(chǎn)生視覺一一看見了

眼前的物體。

二、眼睛的調(diào)節(jié)

正常的眼睛眺望遠(yuǎn)方時(shí)，遠(yuǎn)處物體的像成在視網(wǎng)膜上。在觀

看近處物體時(shí)，物距縮短了，像仍然成在視網(wǎng)膜上。這是因?yàn)?/p>

晶狀體本身是有彈性的，可以靠周圍肌肉的運(yùn)動(dòng)改變它的表面

的彎曲程度，在觀看遠(yuǎn)方物體時(shí)，晶狀體由于周圍肌肉的作用，

表面彎曲程度最小，這時(shí)眼睛的焦距最大。在觀看較近處物體

時(shí)，也是由于周圍肌肉的作用，晶狀體表面彎曲程度變大，焦

距縮短。因此，正常眼無(wú)論是看遠(yuǎn)處物體還是看較近處物體，

像都能成在視網(wǎng)膜上。可見眼睛是精巧的變焦距系統(tǒng)，當(dāng)物距

改變時(shí)，它能靠改變晶狀體表面的彎曲程度改變眼睛的焦距。

這種作用叫做眼睛的調(diào)節(jié)。

眼睛的調(diào)節(jié)作用是有一定限度的。當(dāng)晶狀體表面彎曲程度最

小，眼睛的焦距最大，人眼能看到的最遠(yuǎn)點(diǎn)，成為眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)。

正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處。當(dāng)晶狀體表面彎曲程度最大，眼

-3-

睛的焦距最小，人眼能看到的最近點(diǎn)，成為眼睛的近點(diǎn)。正常

眼睛的近點(diǎn)約在離眼睛10cm處。也就是說(shuō)靠眼睛的調(diào)節(jié)作用，

正常眼睛看清物體的范圍是從離眼10cm處到無(wú)窮遠(yuǎn)。在合適照

明的情況下，正常眼睛觀看距眼睛25cm處的物體，不容易疲勞,

通常把25cm稱為明視距離。

三、近視眼和遠(yuǎn)視眼

近視眼的視網(wǎng)膜距晶狀體過遠(yuǎn)，或者晶狀體比正常眼睛的

晶狀體凸一些，因此從無(wú)窮遠(yuǎn)處射來(lái)的平行光不能會(huì)聚在視網(wǎng)

膜上，而會(huì)聚于視網(wǎng)膜前（圖27-20甲）.所以近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)不在

無(wú)窮遠(yuǎn)處，而在某個(gè)有限距離處,近視眼的進(jìn)點(diǎn)也比正常眼近.

近視眼的明視距離小于25cm。配戴適當(dāng)?shù)陌纪哥R做眼睛，可矯

正近視眼視力（圖27-20乙）。

遠(yuǎn)視眼的視網(wǎng)膜距晶

狀體過近，或者晶狀體比正常眼睛的晶狀體扁平

些，平行光的會(huì)聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜后（圖27-21甲），即到達(dá)視網(wǎng)膜

上的會(huì)聚光尚未成像，必須調(diào)節(jié)晶狀體再凸一些，才能使平行

光會(huì)聚在視網(wǎng)膜上。遠(yuǎn)視眼的近點(diǎn)比正常眼遠(yuǎn)寫。遠(yuǎn)視眼的明

視距離大于25cm,配戴適當(dāng)?shù)耐雇哥R做眼睛，可矯正遠(yuǎn)視眼的

視力（圖27-21乙）。

四、眼鏡的焦度和屈光度

透鏡焦距的倒數(shù)，稱為透鏡的焦度。我們知道，對(duì)凸透鏡

（或凹透鏡）來(lái)說(shuō)，焦距f越小，對(duì)光的會(huì)聚（或發(fā)散）作用

-4-

越大，焦距的倒數(shù)（1/f）即焦度的數(shù)值也越大。因此用焦度的

大小反映其對(duì)光的會(huì)聚（或發(fā)散）能力的大小更為直接。即焦

度這個(gè)物理量反映了透鏡對(duì)光的聚集能力。焦度的單位叫屈光

度，人們規(guī)定，f=lm的透鏡焦度為1屈光度。同凸透鏡和凹透

鏡焦距正負(fù)的規(guī)定一樣，凸透鏡的焦度為正，凹透鏡的焦度為

負(fù)。眼鏡的焦度通常用“度”作單位，1度等于1屈光度的百

分之一，即1屈光度=100度。例如，一付用焦距為50cm的凸

透鏡制作的眼鏡，它的焦度為l/0.5cm=2屈光度，即200度。

另一付用焦距為-40cm的凹透鏡制作的眼鏡，它的焦度為

1/-0.4m=-2.5屈光度,即-250度.

練習(xí)一

1、正常眼睛從看遠(yuǎn)處物體變?yōu)橛^看近處物體時(shí)（）

A、晶狀體表面彎曲程度變大,眼睛的焦距變大

B、晶狀體表面彎曲程度變大,眼睛的焦距變小

C、晶狀體表面彎曲程度變小,眼睛的焦距變大

D、晶狀體表面彎曲程度變小,眼睛的焦距變小

2、造成近視眼的缺陷原因是（）

A、晶狀體比正常眼睛扁一些,或者晶狀體距視網(wǎng)膜過近

B、晶狀體比正常眼睛扁一些,或者晶狀體距視網(wǎng)膜過遠(yuǎn)

C、晶狀體比正常眼睛凸一些,或者晶狀體距視網(wǎng)膜過近

D、晶狀體比正常眼睛凸一些,或者晶狀體距視網(wǎng)膜過遠(yuǎn)

3、平行光進(jìn)入近視眼中（）

A、會(huì)聚于視網(wǎng)膜前，可配戴凸透鏡作的眼鏡矯正視力

B、會(huì)聚于視網(wǎng)膜前，可配戴凹透鏡作的眼鏡矯正視力

C、會(huì)聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜后，可配戴凸透鏡作的眼鏡矯正視力

D、會(huì)聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜后，可配戴凹鏡作的眼鏡矯正視力

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第二節(jié)放大鏡

一、視角

用眼睛觀看物體時(shí)，能否看清楚物體與物體在視網(wǎng)膜上成

像的大小有關(guān)。視網(wǎng)膜上像的大小決定與眼睛的光心對(duì)物體所

張的角度，即眼睛的光心0向物體兩端所引的兩條直線所夾的

角，如圖27-22所示，這個(gè)角稱為視角。

要使兩個(gè)物體或一個(gè)物體上的兩個(gè)點(diǎn)能被眼睛區(qū)分開，必

須使他們的像能夠落在兩個(gè)不同的感光細(xì)胞上，為此觀看它們

的視角必須大于一定的數(shù)值，由實(shí)驗(yàn)可知，正常眼睛能夠分辨

清楚兩個(gè)點(diǎn)的最小視角約為1，

為了分辨清楚物體的細(xì)節(jié)，就需要增大觀看物體的視角。

將物體向眼睛移近可以增大視角，如圖27-23所示。單靠這種

方法來(lái)增大視角，不僅有其局限性（如有的物體不能象眼睛移

近），而且是有一定限度的。所以在觀看微小物體時(shí)，常常是利

用放大鏡、顯微鏡，觀看很遠(yuǎn)處的物體時(shí)用望遠(yuǎn)鏡，以增大視

角。

二、放大鏡

通過凸透鏡觀看放于焦點(diǎn)內(nèi)的物體，可以增大視角。所以

通常把凸透鏡又稱作放大鏡。下面我們來(lái)說(shuō)明放大鏡的視角放

大作用。

如圖27-24所示，用眼睛直接觀看放在明視距離上AB時(shí)，

視角為a1。若用放大鏡來(lái)觀看物體AB,AB經(jīng)放大鏡的成像光

路圖，當(dāng)把像A，B，也調(diào)到眼睛的明視距離上（忽略眼睛與放

大鏡的距離），觀看像A'B，的視角a2。不難a2比a?要大許

多倍。這就是利用放大鏡來(lái)增大視角的原理。

顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡也是以增大視角為目的的光學(xué)儀器，有興

趣的同學(xué)可以查閱這方面的資料。

A

一個(gè)物體在離透鏡20cm處，當(dāng)他向外移動(dòng)時(shí)，其倒立的像

移動(dòng)速度小于物體移動(dòng)速度，可見此透鏡是（）

A、凸透鏡，焦距fWlOcm

B、凸透鏡，焦距f>10cm

C、凹透鏡,焦距f<10cm

D、凹透鏡，焦距f>10cm

第三節(jié)門鏡的原理

裝在門上的家用觀察鏡，俗稱“貓眼室內(nèi)人通過門鏡可

看清門外來(lái)訪者的面貌，而門外人通過它卻看不清室內(nèi)的人或

物。門鏡的光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)同軸透鏡所組成。其中兩個(gè)是相同

的平凹透鏡，它們凹面相對(duì)密接在一起，相當(dāng)于是一個(gè)凹透鏡,

面向門外，稱作物鏡。第三個(gè)透鏡是平凸透鏡，面向門內(nèi)，稱

-7-

作目鏡。透鏡的直徑一般小于1cm,分別固定在一個(gè)金屬管的

兩端，構(gòu)成門鏡。

物鏡的后焦點(diǎn)F'l和目鏡的前

焦點(diǎn)F2重合，重合點(diǎn)在物鏡的外

側(cè)。從室內(nèi)向外看時(shí)，門鏡相當(dāng)

于是一個(gè)反向使用的伽里略望遠(yuǎn)

鏡，它對(duì)門外物成虛象，像的視

角小于物的視角。它有較大的視

場(chǎng)，其視場(chǎng)角約為120°。這樣，

通過它可看到室外較大范圍內(nèi)得人和物，從而可辨認(rèn)來(lái)訪者。

從室外向內(nèi)看時(shí)，門鏡相當(dāng)于是一個(gè)伽里略望遠(yuǎn)鏡，對(duì)室內(nèi)物

成虛象，像的視角大于物的視角。它的視場(chǎng)范圍很小，于是只

能看到室內(nèi)人或物很小的局部，無(wú)法由此辨認(rèn)室內(nèi)的人或物。

而且，由于室內(nèi)光照度小，物鏡和目鏡之間的距離又是固定不

變的，加之像差的存在，因此對(duì)大部分的物而言，像還是模糊

不清的。

門鏡的目鏡焦距一般約為物鏡的4至6倍，即從室外看，

它是一個(gè)視角放大率（放大倍數(shù)）為4至6倍的伽里略望遠(yuǎn)鏡。

門鏡是裝在厚度為3~5cm的門上的，故物鏡和目鏡之間的距離

應(yīng)小于此值。由以上兩個(gè)要求可知，物鏡和目鏡都應(yīng)是短焦距

的。例如，一種市售門鏡的數(shù)據(jù)如下：物鏡焦距為-0.4cm,目

鏡焦距為2.6cm,間距為2.2cm。為降低門鏡的價(jià)格，在不影響

辨認(rèn)來(lái)訪者的條件下，鏡片可用塑料制成，亦允許存在像差。

實(shí)踐題

研究實(shí)踐題目：《了解望遠(yuǎn)鏡原理》

實(shí)踐要求：制作簡(jiǎn)易望遠(yuǎn)鏡。

主要器材：以可樂桶和光學(xué)元件為主要制作器材。

-8-

第四節(jié)凸透鏡的反射成像

幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，利用自準(zhǔn)直原理測(cè)量透鏡之焦距是一種

場(chǎng)單而方便的測(cè)量方法。原理如圖1所

Zjxo

測(cè)量時(shí)，只要前后移動(dòng)透鏡，當(dāng)物與

透鏡之間的距離恰為透鏡之焦距時(shí)，物

平面處會(huì)出現(xiàn)與原物等大而倒立的實(shí)

象?？墒?，當(dāng)取掉M,前后移動(dòng)透鏡，物

平面處仍然會(huì)出現(xiàn)與原物體等大而倒立的實(shí)象，但此時(shí)物與透

鏡間的距離并非所測(cè)透鏡之焦距。那么，這個(gè)像是怎樣形成的

呢？

我們知道，透鏡的成像是通過組成透鏡的兩個(gè)折射面對(duì)物

光的折射而形成的，實(shí)際上，當(dāng)物光經(jīng)過第一個(gè)折射面到達(dá)第

二折射面時(shí)會(huì)受到第二折射面的反射，反射的光線再經(jīng)第一折

射面折射而在空間成像。若不斷改變物體與透鏡之間的距離，

就會(huì)在物與透鏡之間得到一系列縮小的倒立實(shí)像，這些像，就

是所測(cè)凸透鏡的反射成像。而當(dāng)反射所成之像與原物等大而倒

立時(shí)，像面的位置恰與物面重合，這就形成了前所提到非焦面

處存在的等大而倒立的實(shí)像。

由于凸透鏡反射像的形成總共經(jīng)過了折射-----反射一一

——折射三次成像。為了方便地確定各次成像的位置，首先應(yīng)

規(guī)定物距、像距的符號(hào)法則。這里我們規(guī)定：從物點(diǎn)到反射面

或折射面的方向順光線物距為正，逆光線為負(fù)；從反射面或折

射面到像面的方向，與此面反射或折射光方向相同像距為正,

反之為負(fù)。

現(xiàn)在，我們就來(lái)詳細(xì)討論凸透鏡的反

射成像及它與透鏡的曲率半徑hR2和折

射率n的關(guān)系。

一、第一折射面的折射成像

如圖2,透鏡的前表面發(fā)生折射，在圖2

-9-

與物的同側(cè)產(chǎn)生一正立虛象，其物、像關(guān)系為：

1n_n-1

(1)

W]V)&

像的橫向放大率為：-上

nu]

二、第二面的反射成像

如圖3,第一折射面所成的虛象OR

為第二面反射的物,成像為02P2,物、像

-zr4112

天東為：一+—=——（2）圖3

V1匕R2

橫向放大率為:

匕

三、第一折射面的第二次折射成像

如圖4所示，第二折射面的反射像02P2作為第一折射面再

次折射時(shí)的物，在同側(cè)成像為03P3,物、像關(guān)系為:

n11-71

———_----（3）

匕&

橫向放大率為:

將上面(1),(2),(3)式聯(lián)立求解

ZB112n—22〃/\

得：一+—=F—+封(4)圖4

u}v3%R2

從上面的分析可見，對(duì)于形成透鏡自反射像這一光學(xué)系統(tǒng),

其橫向放大率為：kc；,=ki?k2?k3=-—

Mi

對(duì)于物、像共面處，有k總=-1,所以有：

1n-1n

—=---1--⑸

〃?&&

同理，若以R2面為第一折射面時(shí)，物、像共面處物與透鏡

之間距U1為：

1n-1n

—-=---1--（6）

uiR2&

由(5),(6)式可見，對(duì)于物、像共面處的反射成像位置,

只取決于透鏡的曲率半徑和折射率。

由于透鏡的焦距為：

聯(lián)立(5),(6),(7)三式解之得：

H="]一%%+%Rfu\Rfu]

n力，'|一2〃"]+力，|'2/-M|

式中的f,5,U，I可利用圖1所示的光路很方便地測(cè)

得。這樣，我們就可以通過上面所列出的關(guān)系式來(lái)求得所測(cè)

透鏡的曲率半徑和折射率。

利用上述方法,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中對(duì)普通薄透鏡的曲率半徑

進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，此方法的測(cè)量值是可靠的，并且比干

涉法測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際比較偏差略小，這就肯定了此方法對(duì)

于透鏡曲率半徑的測(cè)量簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確，并且不受曲率半

徑大小的限制。

練習(xí)四

單色細(xì)光束射到折射率n=Q的透明球表面，光束在過

球心的平面內(nèi)，入射角產(chǎn)45°。研究經(jīng)折射進(jìn)入球內(nèi)后又經(jīng)內(nèi)表

面反射一次，再經(jīng)球面折射后射出的光線，如圖。

1、在圖上大致畫出光線在球內(nèi)的路徑和方向；

2、求入射光與出射光之間的夾角；

3、如果入射的是一束白光，透明球的色散情況與玻璃相

仿，問哪種顏色光的a角最大？哪種顏色光的a角最

?。?/p>

-11-

第二章光的波粒二象性

第一節(jié)光色的互補(bǔ)與物體的顏色

關(guān)于物體的顏色，在教學(xué)活動(dòng)中往往有人說(shuō)“物體是什么

顏色就反射（或透射）什么顏色的光”甚至有的說(shuō)“物體所以

呈某種顏色，是因?yàn)樗哑渌伾墓舛嘉樟说木壒省?。我認(rèn)

為，這兩種說(shuō)法是不妥乃至是錯(cuò)誤的。

非發(fā)光物體的顏色取決于施照光源的顏色和被照物體對(duì)光

的吸收特性。在沒有光源的黑暗環(huán)境內(nèi)，任何物體都不會(huì)呈現(xiàn)

其顏色。只有在光照射下，物體才可呈現(xiàn)一定顏色。同一物體

在顏色不同的光源照射下呈現(xiàn)著不同的顏色，而在同一光源照

射下的不同物體一般也呈現(xiàn)著不同顏色。通常所謂物體的顏色

是指這種物體在白光（陽(yáng)光、白熾燈光、日光燈光等）照射下

的顏色。眾所周知，白光是有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七

色光組成的。在科學(xué)技術(shù)上，人們還制造了各種單色光源，單

色光源只有一種顏色，從波動(dòng)理論講，單色光就是波長(zhǎng)單一的

光。迄今波長(zhǎng)最為單純，顏色最為鮮艷的光應(yīng)推激光。

平常人們熟知的白光可由七色光復(fù)合而成，卻很少了解白

光也可以有較少顏色的光復(fù)合而成。實(shí)驗(yàn)表明，如果把適當(dāng)顏

色的兩種單色光按一定的強(qiáng)度比例混合，可以形成白光。這樣

的兩種顏色就成為互補(bǔ)色。圖1是互補(bǔ)

色示意圖，圖中每條直徑兩端的單色為

互補(bǔ)色。如紅光與青光為互補(bǔ)色光，等

等。

當(dāng)白光照射不透明的物體時(shí)，由于物

體對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收、反射的程度不

同，而使物體呈現(xiàn)了不同的反射顏色。

若物體對(duì)各種波長(zhǎng)的光都完全吸收，則

物體呈現(xiàn)黑色；若完全反射，則呈現(xiàn)白

-12-

色；若對(duì)各種波長(zhǎng)的光吸收程度差不多，自呈現(xiàn)灰色；如果物

體有選擇地吸收某一或某些波長(zhǎng)的光，那么這種物體的顏色就

由他所反射的光的顏色來(lái)決定，即反光物體的顏色是與其選擇

吸收光成互補(bǔ)色的顏色。例如，樹葉由于吸收了陽(yáng)光中紫色而

呈綠色。

當(dāng)白光照射透明或部分透明物體時(shí)，因其對(duì)不同波長(zhǎng)的光

吸收、透射的程度不同而使物體呈現(xiàn)了不同的透射顏色。若物

體對(duì)各種波長(zhǎng)的光透過的程度相同，這種物體就是無(wú)色透明的;

若只讓一部分波長(zhǎng)的光透過，其他波長(zhǎng)的光被吸收，則這種部

分透光物體顏色就由透過光的顏色來(lái)決定，即透光的物體呈現(xiàn)

的是與其選擇吸收光成互補(bǔ)色的透光顏色。例如，高鎰酸鉀溶

液吸收了白光中的綠色光而呈現(xiàn)紫色的透光顏色。

總之，物體反光和透光所呈現(xiàn)的顏色都是由于物體選擇吸

收光成互補(bǔ)色的光而決定的顏色。當(dāng)然，如果物體選擇吸收的

不只是一種顏色的光，那么物體（反光或透光）的顏色就將由

幾種吸收光的互補(bǔ)光復(fù)合而成。下表列出了物體吸收光的波長(zhǎng)

與呈現(xiàn)顏色的關(guān)系。

物體顏色與吸收光顏色的關(guān)系表：

物體顏色吸收光

顏色波長(zhǎng)/nm

黃綠紫400^450

黃藍(lán)450~480

橙青藍(lán)480~490

紅青490~500

紫紅綠500~560

紫黃綠560~580

藍(lán)黃580~600

青藍(lán)橙600~650

青紅650^700

假定白光有一對(duì)互補(bǔ)色光構(gòu)成，用它照射某物體，若該物體

恰好能完成吸收這兩種色光中的一種，則此物體就呈現(xiàn)著另一

-13-

種光的鮮艷的顏色。如果白光有兩對(duì)以上互補(bǔ)色的光構(gòu)成，用

以照射物體時(shí)，當(dāng)物體僅選擇吸收一種顏色的光時(shí)，物體將呈

現(xiàn)著該吸收光的互補(bǔ)色的顏色，而其他互補(bǔ)色所復(fù)合的白光則

作為此物體呈現(xiàn)顏色的背景光，此時(shí)物體的顏色就不是鮮艷的。

猶如對(duì)白光下的白色物體，再用紅色激光照射，其反射紅色是

以白光為背景的，這種紅色也不是純凈的。而在黑暗中用紅色

激光照射該物體，這時(shí)的反光顏色就成為最純凈的紅色。

根據(jù)上述分析，不難解釋本文開頭提及的說(shuō)法的不妥及錯(cuò)

誤。說(shuō)“物體是什么顏色就反射什么顏色的光”是不托的。因

為反射的光往往不只是一種顏色的光，其中尚有一對(duì)或幾對(duì)互

補(bǔ)色的光。至于說(shuō)“物體所以呈現(xiàn)某種顏色，是因?yàn)樗哑渌?/p>

顏色的光都吸收的緣故”則是錯(cuò)誤的。根據(jù)組成物體的原子的

能級(jí)理論，通常物體只是有限地選擇吸收某一或某幾種光，一

般不會(huì)將一種顏色之外的所有其它光都吸收殆盡。剩余的反射

（或透射）光中，有的是互成補(bǔ)色而復(fù)合成白色光作為背景，

從而呈現(xiàn)其與吸收光成互補(bǔ)色的光的顏色。

練習(xí)一

1、下列光譜中，屬于發(fā)射光譜的有：（）

A、太陽(yáng)光譜；

B、白熾燈泡發(fā)光形成的光譜；

C、霓虹燈光形成的光譜；

D、白光通過低溫鈉蒸汽形成的光譜。

2、以下各段電磁波中由原子最外層電子受激發(fā)而產(chǎn)生的

有：（）

A、藍(lán)光；B、無(wú)線電波；

C、紫外線；D、倫琴射線。

-14-

第二節(jié)光的增透膜

現(xiàn)代光學(xué)裝置，如攝影機(jī)和電影放映機(jī)的鏡頭，潛水艇的

潛望鏡等，都是由許多光學(xué)元件-----透鏡、棱鏡等組成的。

一般說(shuō)來(lái)，組成光學(xué)系統(tǒng)的透鏡片數(shù)多，消除像差的情況就好,

成像質(zhì)量也就高。但是，由于鏡面對(duì)光有反射作用，鏡片越多,

光的損失就越嚴(yán)重，光通量就越少。同時(shí)，發(fā)生在鏡頭內(nèi)部的

反射光線經(jīng)多次反射和折射，便會(huì)以雜散光形式到達(dá)像面，從

而降低了影像的清晰度和反差，使影像的質(zhì)感和層次受到損失,

甚至?xí)a(chǎn)生暈光現(xiàn)象，使畫面影像增加灰霧。那么，如何克服

這一缺點(diǎn)，提高成像質(zhì)量嗎？

現(xiàn)行高級(jí)中學(xué)物理（必修）第二冊(cè)（人民教育出版社1995

年版）第233頁(yè)指出：“可以在透鏡的表面涂上一層薄膜（一般

用氟化鎂）。當(dāng)薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長(zhǎng)的1/4時(shí)，在

薄膜的兩個(gè)面上反射的光，路程差恰好等于半個(gè)波長(zhǎng)，因而互

相抵消。這就大大減少了光的反射損失增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度，

這種薄膜叫做增透膜。''也就是說(shuō)，當(dāng)在光學(xué)系統(tǒng)中所有與空氣

接觸的透鏡表面上度增透膜后，根據(jù)能量守恒定律，在入射光

強(qiáng)度一定時(shí)，通過干涉相消使反射光的強(qiáng)度大大減弱，從而增

加了透射光的強(qiáng)度，達(dá)到“增透”的目的。

一、單層1/4增透膜

在一塊平整的玻璃基底表面上，利用鍍膜的方法，鍍一層

均勻的透明介質(zhì)薄膜，如圖1所示，n。為入射介質(zhì)的折射率，

a為膜的折射率，ri2為基底的折射率，d為膜的幾何厚度。任意

兩相鄰反射光由于光程差所引起的位心山今

相差皆為20*cos，（1）丙S號(hào)黑

入。為入射光的波長(zhǎng)，Y為光在膜fflI

層中的折射角。由光的干涉理論可知，當(dāng)垂直入射，且5=n時(shí),

由（1）式可得膜的光學(xué)厚度為：nd=入。/4

由光的電磁理論可導(dǎo)出單層膜的反射率為：

-15-

(2\2

〃/2一〃I

R=2⑵若R=0,貝ij有：%=后

l〃"〃2+〃l)

即在玻璃基底上鍍的介質(zhì)膜，若滿足折射率為師T，且光

學(xué)厚度nd=入。/4的條件時(shí)，就能使反射光干涉相消，此膜稱

為單層1/4增透膜。

由上述分析可知，膜系對(duì)指定波長(zhǎng)入。的反射率為零，也就

是對(duì)入。的光有100%的透射率。但是對(duì)其他波長(zhǎng)，由于給定膜層

的光學(xué)厚度不是它們的1/4,增透效果就差些。因此對(duì)自視儀

器的單層增透膜，常把控制波長(zhǎng)入。選在人眼最敏感的綠光波長(zhǎng)

（500nm處），而在遠(yuǎn)離該波長(zhǎng)的紅光和紫光就有較大的反射率,

這就是光學(xué)鏡頭通常呈紫紅色的原因。

對(duì)于一般折射率在1.5左右的光學(xué)玻璃，為使單層膜達(dá)到

100%的增透效果，由（3）式要求m=L22,折射率如此低的鍍

膜材料至少目前還沒有找到。現(xiàn)在一般都用折射率為1.38的氟

化鎂（MgF2）鍍制單層增透膜，對(duì)最常用的冕牌玻璃（n=L51）,

仍有約1.3%的剩余反射，在許多情況下，這種反射仍嫌太大，

必須進(jìn)一步減少，為此需采用雙層增透膜，以使增透效果得到

改善。

二、雙層增透膜

1、V形增透膜（入。/4~入。/4膜）

如圖2中，no、ni>ri2和ru分別是入射介質(zhì)、第一層膜、第

二層膜和基底的折射率，&和d2分別是第一層和第二層膜的幾

何厚度。在垂直入射且兩層膜的光學(xué)厚度nidi=n2d2=A0/4時(shí)，

雙層1/4膜的反射率為：

（2

%%2―2\

K~2.2

顯然反射率為零的條件是：

〃2=祖1，選擇適當(dāng)?shù)膍和n2

-16-

能極近似地達(dá)到理想的增透效果。

對(duì)雙層1/4增透膜，也不可能使可見光譜的所有波長(zhǎng)同時(shí)實(shí)

現(xiàn)理想的增透效果，即對(duì)指定波長(zhǎng)入?？蛇_(dá)約100%的增透效果，

而對(duì)其他波長(zhǎng)則不能，雙層1/4膜的反射率隨波長(zhǎng)的變化曲線

圖3圖4

呈V形，如圖3所示，故稱之為V形增透膜。

2、W形增透膜（入。/4~入。/2膜）

某些光學(xué)儀器如彩色電視、彩色電影的攝像鏡頭，彩色電影

的放映鏡頭等，并不要求在某一波長(zhǎng)處有100%的透射率，而希

望在較寬的波段范圍內(nèi)反射率都較低，這就需要所謂的寬帶增

透膜。最簡(jiǎn)單的一種寬帶增透膜是讓第一層膜的光學(xué)厚度

nd=入。/4,第二層膜的光學(xué)厚度n2d2=入。/2,即第一層為1/4膜,

第二層為1/2膜。入。/2膜層對(duì)入。來(lái)說(shuō)，如同不存在一樣，即

對(duì)入。處的反射率由光學(xué)厚度為入。/4的第一層膜決定，但是兩

層膜的有機(jī)結(jié)合，改善了其它波長(zhǎng)處的透射率特性，使膜系在

較寬的波段有良好的增透效果。由于這種膜系的反射率隨波長(zhǎng)

的變化曲線形如W,如圖4所示，W形增透膜。

練習(xí)二

光學(xué)鏡頭涂一層叫增透膜的薄膜，關(guān)于增透膜，下列說(shuō)法

正確的是（）

A、增透膜是為了減少光的反射損失，增強(qiáng)透射光的強(qiáng)

度；

B、增透膜的厚度等于入射光在真空中波長(zhǎng)的L

4

C、增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波長(zhǎng)的L

4

D、因?yàn)樵鐾改ず穸纫话氵x為適合綠光反射時(shí)相互抵消，

紅光，紫色反射不能完全抵消，所以涂有增透膜的鏡

頭呈淡紫色。

第三節(jié)從玻璃涂膜到鏡面建筑

現(xiàn)在各大中小城市里，許多商廈、大樓等高大建筑墻面鑲上

了平整輕巧的涂膜玻璃，不僅制作規(guī)整，室內(nèi)光線柔和明亮，

而且又有一定的藝術(shù)風(fēng)格，華貴而大方，稱之為鏡面建筑。

鏡面建筑最早由美國(guó)著名建筑大師米斯于1945年設(shè)計(jì)建造,

但那時(shí)的墻面用的不是涂上透明薄膜的玻璃而是普通玻璃。當(dāng)

他幾經(jīng)周折煞費(fèi)苦心為女主人造出一棟新穎華貴的玻璃幕墻的

“水晶宮”后，誰(shuí)知女主人驚喜過后卻大發(fā)雷霆，直到控告法

庭。原來(lái)，這座“水晶宮”不僅夏季酷熱冬季苦寒，而且室內(nèi)

的一切都象是一座展覽廳一樣一覽無(wú)遺，使她覺得受到莫大的

戲弄一樣。

米斯受到莫大的打擊后并沒有氣餒，到1958年，他與人合

作用染色玻璃造出了38層高的紐約西格拉姆大廈，這是最早的

大型玻璃墻建筑。

西格拉姆大廈用的是染色玻璃，它能阻止一部分光通過，但

實(shí)際效果并不理想，因此選擇理想的特殊玻璃作墻面成了鏡面

建筑的重點(diǎn)，恰好當(dāng)時(shí)解決了鏡面涂膜技術(shù)。

光學(xué)理論指出，透明的玻璃鏡片可以容許任意色光透過和反

-18-

射，如果在鏡片表面涂上適當(dāng)厚度的透明薄膜，當(dāng)光照射時(shí)，

前后兩表面產(chǎn)生兩列光波，引起光的干涉，當(dāng)薄膜厚度是入射

光在薄膜中波長(zhǎng)的1/4時(shí)，在薄膜的兩個(gè)面上反射的光，路程

差恰好等于半個(gè)波長(zhǎng)或n倍半波長(zhǎng)，就互相抵消，大大減少了

光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度，這種薄膜叫增透膜；反

之，涂的膜上產(chǎn)生的兩列光波路程差為1個(gè)波長(zhǎng)或n倍，那么，

增強(qiáng)了反射光的強(qiáng)度，這種膜叫反射膜。

如照相機(jī)鏡頭表面涂一層厚約997A（1A=1（T°米）的氟化鎂

薄膜，其厚度約為黃綠光波長(zhǎng)的1/4,那么，感光作用最好的

黃綠光就能幾乎全部透過鏡頭，而反射出來(lái)的很少，大大改善

了相機(jī)的性能。

在西格拉姆大廈建造的時(shí)候，照相機(jī)和許多光學(xué)儀器的鏡頭

上已涂上增透膜，由于黃綠光的大量透射，光譜邊緣部分的紅

光和紫光并沒有顯著削弱，所以眼睛看鏡頭呈藍(lán)紫色。

同樣道理，把涂過增透膜的玻璃作為墻面，就比染色玻璃好

多了。現(xiàn)在，可以利用加熱、噴涂、離子交換、化學(xué)鍍膜等一

系列技術(shù)將金屬及其化合物按一定厚度和排列方式鍍到玻璃表

面上，制作大塊這樣的玻璃也并不比幾十年前制作一塊幾平方

厘米的照相機(jī)鏡頭來(lái)得困難，于是，鏡面建筑在各大中城市普

及起來(lái)。由于涂膜的作用，黃綠光能暢通無(wú)阻地進(jìn)入室內(nèi)，其

余色光則被反射，建筑物內(nèi)的人可以對(duì)外面景物一覽無(wú)余，而

外面的人只能從藍(lán)紫色的反射光看到天上的云影，而對(duì)建筑物

內(nèi)部的情況卻難窺一斑。另外，多數(shù)鏡面建筑還把涂膜玻璃與

普遍玻璃結(jié)合使用，構(gòu)成中空夾心墻壁，就象熱水瓶膽那樣，

夾心空氣層起到優(yōu)良的隔熱保溫作用，建筑物內(nèi)冬暖夏涼，四

季如春。

思考題

研究思考題目

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1、照相機(jī)光圈環(huán)上的數(shù)字代表什么

2、照相機(jī)光圈環(huán)上的數(shù)字是怎樣制定的

第四節(jié)海水為什么是藍(lán)色的

我們所看到的大海是藍(lán)色的。然而，當(dāng)我們用手捧起一些

海水時(shí)卻發(fā)現(xiàn)它本身并沒有顏色。

大家都知道，太陽(yáng)的白光可以色散出紅、橙、黃、綠、藍(lán)、

靛、紫七種單色光，而七種單色光的波長(zhǎng)并不同，從紅光到紫

光波長(zhǎng)越來(lái)越短，波長(zhǎng)越短的光就越不容易發(fā)生衍射。在海水

中存在大量的微粒：小到分子、離子，大到懸浮的泥土沙粒，

這些微粒之間形成了十分微小的空隙。

當(dāng)陽(yáng)光從空氣射到海面上時(shí)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅、橙、黃、綠

等光在海水的這些微粒之間形成的空隙上產(chǎn)生衍射，進(jìn)入海里;

其能量被海水吸收，而波長(zhǎng)較短的藍(lán)、靛、紫等光則被海水反

射回到空氣中。本質(zhì)上說(shuō)，就是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光容易繞過微粒進(jìn)

入海中，波長(zhǎng)較短的光則易被微粒阻擋而返回。

海洋越深的地方，被反射的藍(lán)、紫光越多。

所以我們看到的海水是藍(lán)色的。在海水越深的地方，海水

的顏色就會(huì)越深。

思考題

研究思考題目：《為什么拍岸的海浪是白頭的》

-20-

第五節(jié)瑰麗的極光

在地球南北極附近或高緯度地區(qū)，有時(shí)在晚上會(huì)看到一種

燦爛美麗的彩色光帶，有時(shí)如縷縷微云；有時(shí)像一彎弧光；有

時(shí)如龍蛇游動(dòng)；有時(shí)如多彩帷幔自高空垂下，這種瑰麗的自然

美景就是極光。

我們的祖先早在2000多年前就開始觀測(cè)北極光，并留下豐

富的觀測(cè)記錄。公元前950年《竹書紀(jì)年》記：“周昭王末年，

夜清，五色光貫紫微?！薄稘h書》也有更為精確、生動(dòng)的有關(guān)極

光的記錄。

1957年3月2日，在我國(guó)黑龍江北部的漠河地區(qū)以及新疆

北部的阿爾泰地區(qū)，幾乎同時(shí)發(fā)生持續(xù)一小時(shí)左右的極光現(xiàn)象。

1958年2月11日，還出現(xiàn)過一次橫跨東西半球的極光，涉及

到中國(guó)、日本、加拿大、美國(guó)等地方，其范圍之廣為歷史罕見。

我國(guó)可觀察的地區(qū)在大興安嶺北部。當(dāng)時(shí)觀察到，天剛黑不久,

萬(wàn)里無(wú)云的天空先出現(xiàn)紅色的光幕，光幕上閃耀著淡黃色的光

帶。半小時(shí)后，光帶亮度增強(qiáng)，宛如一條黃色綢緞飄揚(yáng)在紅色

的天空中。

這神奇的極光是誰(shuí)點(diǎn)燃？為什么只有在地球兩極附近的人

才能有幸看到呢？

18世紀(jì)以前，生活在極區(qū)附近的居民雖然時(shí)常目睹這蔚為

壯觀的景色，卻誤認(rèn)為是遠(yuǎn)處發(fā)生的火災(zāi)，或者是以為極地的

冰雪把遠(yuǎn)處的太陽(yáng)光反射到了天穹上，更有人迷信說(shuō)這是女神

在揚(yáng)袖起舞或者是精靈在空中繪圖。

18世紀(jì)中期，瑞典的烏普薩拉地球物理現(xiàn)象臺(tái)的塞爾厄斯

和希爾奧特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該臺(tái)觀測(cè)到極光的時(shí)候，地面上羅盤的指

針會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的方向變化，變化范圍達(dá)1度之多。與此同時(shí),

倫敦的格拉漢姆地磁臺(tái)也觀察到類似的現(xiàn)象。因此，他們認(rèn)為

極光的出現(xiàn)與地磁場(chǎng)有密切的關(guān)系。

20世紀(jì)末，人造衛(wèi)星和宇宙探測(cè)器的應(yīng)用使人們有幸觀察

到極光環(huán)，了解到磁場(chǎng)分布的特點(diǎn)，從而揭開了極光之迷。

-21-

如圖1所示，地磁場(chǎng)的分布并非像條形磁鐵的磁場(chǎng)那樣規(guī)

則對(duì)稱，而是受太陽(yáng)影響呈現(xiàn)非對(duì)稱分布。當(dāng)太陽(yáng)輻射射線中

的帶電粒子進(jìn)入地磁場(chǎng)后，由于洛侖茲力的作用，帶電粒子沿

地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線做螺旋線運(yùn)動(dòng)（如圖2）,最終被地磁場(chǎng)“俘

獲”落到地球兩極上空的大氣層中，與大氣中的原子、分子碰

撞，使大氣層中的分子電離發(fā)光，極光的顏色由氣體分子受激、

電離的具體情況而決定。受激的氧原子發(fā)出波長(zhǎng)為557.7nm的

綠光、和波長(zhǎng)為656.3nm的紅光；電離了的氮分子發(fā)射出波長(zhǎng)

在391.4nm"470.Onm的紫色光和藍(lán)色光以及650nm~680nm的深

紅色光。因此，通常肉眼看到的極光是綠色、藍(lán)色并帶有粉紅

色或紅色的邊緣。

極光中蘊(yùn)藏著巨大的能量。有時(shí)，十幾分鐘的極光的能量就

足以供給全世界所需的能源。這或許能稱為21世紀(jì)人類可以開

發(fā)利用的又一新能源。

-22-

第三章現(xiàn)代科技光學(xué)

第一節(jié)絕妙的激光清洗

一提到清洗人們很容易想到用水沖、用氣噴或用超聲波振

動(dòng)的方法，很少有人把清洗與激光聯(lián)系起來(lái)。在工業(yè)生產(chǎn)和科

學(xué)研究中，器件的清洗一直是使人頭痛的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在半

導(dǎo)體生產(chǎn)中，大約有50%的損失來(lái)源于等離子體蝕刻及噴度工

藝中的微塵污染。在超大規(guī)模集成電路的芯片上，大約只有小

米粒大小的一塊地方就有1萬(wàn)多個(gè)晶體管，芯片上的膜厚僅有

0.1微米，而上面的引線只有半個(gè)微米粗，引線和引線之間的

空隙也與引線的粗細(xì)差不多。這樣一來(lái)，哪怕是只有一顆微塵

?？诉M(jìn)去，也會(huì)造成斷路或使短路，使整個(gè)芯片報(bào)廢。隨著

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子器件的尺寸及精密機(jī)械的配合間隙

越來(lái)越小，僅僅亞微米級(jí)的微粒的污染，就會(huì)帶來(lái)很大的危害,

這無(wú)疑對(duì)清洗技術(shù)提出了更苛刻的要求。事實(shí)上，為了消除各

種污染，人們已經(jīng)作了很大的努力，想出了不少的方法，如發(fā)

展了超聲清洗、高壓噴射清洗、化學(xué)溶液清洗、真空熱清洗等。

然而這些傳統(tǒng)的清洗方法，已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

迄今為止，國(guó)際公認(rèn)的潔凈環(huán)境是每立方米的空氣中半微米以

上的微塵不能超過3.5顆，這樣高的清潔度標(biāo)準(zhǔn)是傳統(tǒng)的清洗

技術(shù)很難達(dá)到的。如果說(shuō)用傳統(tǒng)的方法很難把漂浮在空氣中的

微塵清除干凈，那么要清除亞微米大小的吸附粒子就更是難上

加難了。此外，傳統(tǒng)的清洗技術(shù)都是通過溶解、化學(xué)反應(yīng)或施

加機(jī)械力的方法進(jìn)行清洗的，這些方法往往會(huì)造成更大范圍的

新污染。顯然，清洗技術(shù)要想適應(yīng)現(xiàn)代科技的要求，必須跳出

原來(lái)的老圈子。激光技術(shù)的發(fā)展，為清洗技術(shù)的革新提供了機(jī)

遇。

本世紀(jì)90年代，一種神奇的激光清洗技術(shù)發(fā)展了起來(lái)，它

是利用激光與物質(zhì)的相互作用進(jìn)行清洗的。為了了解激光清洗

-23-

的原理，我們先來(lái)看一看污染物質(zhì)是如何吸附在物質(zhì)表面的。

污染物質(zhì)表面的微塵粒與一般的大塊物體不同，要想把一個(gè)放

在桌面上的物體移開，只需克服它的重力即可，然而要想移開

微塵?？删屠щy的多了，因?yàn)槌酥亓ν?，微塵粒還被其他幾

種力吸附。其中一種吸附力叫做范德華力，這是一種微塵粒與

基底表面分子間的吸引力。若微塵是一個(gè)小球，它與平面基底

的范德華力為：Fv=Hd/16nz2其中H是與材料有關(guān)的常數(shù)，z

是小球與基底的最近距離，d為小球的半徑。由于平面與小球

的接觸面會(huì)畸變，實(shí)際上，范德華力要比上式給出的值大的多。

除了范德華力以外，還有一種毛細(xì)力。毛細(xì)力來(lái)源于空氣的

濕度。由于空氣的濕度，使小球與基底的表面間有一層液體薄

層，毛細(xì)力就來(lái)源于這個(gè)液體薄層的凝聚作用。這個(gè)力也很頑

強(qiáng)，他的大小為：

F°=2JIvd其中Y是液體的單層表面能。

微粒在固體表面上吸附時(shí)的三種基本力示意圖

-24-

第二節(jié)全息三維顯示技術(shù)

人們對(duì)物體的三維立體視覺是由雙眼視差產(chǎn)生的，一切能

使人眼產(chǎn)生雙眼視差的光學(xué)裝置或結(jié)構(gòu)就能產(chǎn)生三維立體視覺,

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,三維立體顯示技術(shù)越來(lái)越豐富多彩。現(xiàn)在

常用的立體顯示光學(xué)裝置有紅綠眼鏡、利用全反射原理的柱面

光柵、專用光學(xué)立體圖像觀察裝置以及最近出現(xiàn)的層析復(fù)合圖

像立體顯示器等，其他實(shí)現(xiàn)立體顯示的技術(shù)還有由高速電子快

門實(shí)現(xiàn)左右眼圖象分離的屏幕立體顯示、人眼光軸調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙

眼視差的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)立體圖片等等。在諸多的三維顯示技術(shù)中，

全息技術(shù)不同與以上提及的立體顯示，它在全息記錄材料上記

錄的事物光波的振幅和位相信息，全息圖的再現(xiàn)是物光波的再

現(xiàn)，隨著全息技術(shù)的不斷發(fā)展，全息顯示技術(shù)正以其獨(dú)特的風(fēng)

姿向人們展現(xiàn)出三維世界的魅力。

激光再現(xiàn)全息圖

圖1顯示的是激光再現(xiàn)全息圖的記錄光路。BS將激光分為

兩束，一束由反射鏡蛇反射并經(jīng)擴(kuò)束鏡SR擴(kuò)束后照明被攝物

體0,這束光稱為物光，另一束光由反射鏡M2反射并經(jīng)擴(kuò)束鏡

SF2擴(kuò)束后直接照明感光記錄材料H,這束光稱為參考光。圖la

記錄的是漫反射物體，圖1b記錄的是透明物體，其中S是散射

毛玻璃。在光路的安排上映使從分?jǐn)?shù)器開始，物光和參考光到

達(dá)H處的光程接近相等（光程差小于激光器的相干長(zhǎng)度）。兩束

光在H處相遇形成干涉條紋，感光記錄材料H將此條紋感光記

-25-

錄，經(jīng)顯影處理后的全息記錄材料就成了一幅全息照片。由于

全息記錄介質(zhì)的感光靈敏度較低，曝光一般需數(shù)秒鐘至數(shù)分鐘,

而且干涉條紋密度相當(dāng)高，每毫米達(dá)上千條，光路系統(tǒng)需要高

圖2圖3

度穩(wěn)定，一般情況下，全息記錄在特殊的全息隔震平臺(tái)上進(jìn)行。

圖2視全息照片的再現(xiàn)光路，以與參考光發(fā)散位置和方向

一致的再現(xiàn)光照明全息照片時(shí)，全息照片上記錄的條紋將再現(xiàn)

光衍射，衍射光與原物光僅查一個(gè)比例常數(shù)，人眼看到的衍射

光波就猶如真實(shí)物體發(fā)出的物光波，透過全息照片看到的圖像

栩栩如生，完美逼真。激光再現(xiàn)全息圖可記錄大場(chǎng)景物體，場(chǎng)

景面積可達(dá)幾平方米，在特殊條件下面積達(dá)到上百平方米。用

連續(xù)激光器全息記錄的物體一般為靜物，如果用脈沖激光器作

為光源，可對(duì)生物或其他運(yùn)動(dòng)物體全息記錄，這是由于一個(gè)脈

沖的寬度相當(dāng)窄，一般為納秒量級(jí)，在極短的時(shí)間內(nèi)曝光可以

對(duì)震動(dòng)因素忽略。所以，用脈沖激光也能對(duì)人進(jìn)行全息記錄。

激光再現(xiàn)全息圖的缺點(diǎn)是再現(xiàn)光源只能用激光，這給觀察

全息圖帶來(lái)很大的不便。如果用白光照明全息照片，不同波長(zhǎng)

的光被全息圖上的條紋衍射成不同方向，各種顏色的像重疊在

一起形成嚴(yán)重的色模糊，如圖3所示。白光再現(xiàn)全息圖制作技

術(shù)也已不斷地發(fā)展起來(lái)，市場(chǎng)上見到的許多全息包裝材料、商

品的防偽標(biāo)識(shí)都采用了這項(xiàng)技術(shù)。

思考題

研究思考題目：《白光再現(xiàn)全息圖的常用基本制作方法》

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第四章基礎(chǔ)電子線路

第一節(jié)晶體二極管

一、根據(jù)構(gòu)造分類

半導(dǎo)體二極管主要是依靠PN結(jié)而工作的。與PN結(jié)不可分

割的點(diǎn)接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極管的范圍內(nèi)。

包括這兩種型號(hào)在內(nèi)，根據(jù)PN結(jié)構(gòu)造面的特點(diǎn)，把晶體二極管

分類如下：

1.點(diǎn)接觸型二極管

點(diǎn)接觸型二極管是在楮或硅材料的單晶片上壓觸一根金

屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PN結(jié)的靜電容量小,

適用于高頻電路。但是，與面結(jié)型相比較，點(diǎn)接觸型二極管正

向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大電流和整流。因

為構(gòu)造簡(jiǎn)單，所以價(jià)格便宜。對(duì)于小信號(hào)的檢波、整流、調(diào)制、

混頻和限幅等一般用途而言，它是應(yīng)用范圍較廣的類型。

2.鍵型二極管

鍵型二極管是在錯(cuò)或硅的單晶片上熔接或銀的細(xì)絲而形成

的。其特性介于點(diǎn)接觸型二極管和合金型二極管之間。與點(diǎn)接

觸型相比較，雖然鍵型二極管的PN結(jié)電容量稍有增加，但正向

特性特別優(yōu)良。多作開關(guān)用，有時(shí)也被應(yīng)用于檢波和電源整流

（不大于50mA）o在鍵型二極管中，熔接金絲的二極管有時(shí)被

稱金鍵型，熔接銀絲的二極管有時(shí)被稱為銀鍵型。

3.合金型二極管

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在N型錯(cuò)或硅的單晶片上，通過合金錮、鋁等金屬的方法

制作PN結(jié)而形成的。正向電壓降小，適于大電流整流。因其

PN結(jié)反向時(shí)靜電容量大，所以不適于高頻檢波和高頻整流。

4.擴(kuò)散型二極管

在高溫的P型雜質(zhì)氣體中，加熱N型錯(cuò)或硅的單晶片，使

單晶片表面的一部變成P型，以此法PN結(jié)。因PN結(jié)正向電壓

降小，適用于大電流整流。最近，使用大電流整流器的主流已

由硅合金型轉(zhuǎn)移到硅擴(kuò)散型。

5.臺(tái)面型二極管

PN結(jié)的制作方法雖然與擴(kuò)散型相同，但是，只保留PN結(jié)

及其必要的部分，把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部

分便呈現(xiàn)出臺(tái)面形，因而得名。初期生產(chǎn)的臺(tái)面型，是對(duì)半導(dǎo)

體材料使用擴(kuò)散法而制成的。因此，又把這種臺(tái)面型稱為擴(kuò)散

臺(tái)面型。對(duì)于這一類型來(lái)說(shuō)，似乎大電流整流用的產(chǎn)品型號(hào)很

少，而小電流開關(guān)用的產(chǎn)品型號(hào)卻很多。

6.平面型二極管

在半導(dǎo)體單晶片（主要地是N型硅單晶片）上，擴(kuò)散P型

雜質(zhì)，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅

選擇性地?cái)U(kuò)散一部分而形成的PN結(jié)。因此，不需要為調(diào)整PN

結(jié)面積的藥品腐蝕作用。由于半導(dǎo)體表面被制作得平整，故而

得名。并且，PN結(jié)合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認(rèn)為是

穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng)的類型。最初，對(duì)于被使用的半導(dǎo)體材料是

采用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。對(duì)平面型

二極管而言，似乎使用于大電流整流用的型號(hào)很少，而作小電

流開關(guān)用的型號(hào)則很多。

7.合金擴(kuò)散型二極管

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它是合金型的一種。合金材料是容易被擴(kuò)散的材料。把難

以制作的材料通過巧妙地?fù)脚潆s質(zhì)，就能與合金一起過擴(kuò)散，

以便在已經(jīng)形成的PN結(jié)中獲得雜質(zhì)的恰當(dāng)?shù)臐舛确植肌４朔ㄟm

用于制造高靈敏度的變?nèi)荻O管。

8.外延型二極管

用外延面長(zhǎng)的過程制造PN結(jié)而形成的二極管。制造時(shí)需

要非常高超的技術(shù)。因能隨意地控制雜質(zhì)的不同濃度的分布，

故適宜于制造高靈敏度的變?nèi)荻O管。

9.肖特基二極管

基本原理是：在金屬（例如鉛）和半導(dǎo)體（N型硅片）的

接觸面上，用已形成的肖特基來(lái)阻擋反向電壓。肖特基與PN結(jié)

的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V左右。

其特長(zhǎng)是：開關(guān)速度非常快：反向恢復(fù)時(shí)間trr特別地短。因

此，能制作開關(guān)二極和低壓大電流整流二極管。

二、根據(jù)用途分類

1.檢波用二極管

就原理而言，從輸入信號(hào)中取出調(diào)制信號(hào)是檢波，以整流

電流的大小（100mA）作為界線通常把輸出電流小于100mA的叫

檢波。錯(cuò)材料點(diǎn)接觸型、工作頻率可達(dá)400MHz,正向壓降小，

結(jié)電容小，檢波效率高，頻率特性好，為2Ap型。類似點(diǎn)觸型

那樣檢波用的二極管，除用于檢波外，還能夠用于限幅、削波、

調(diào)制、混頻、開關(guān)等電路。也有為調(diào)頻檢波專用的特性一致性

好的兩只二極管組合件。

2、整流用二極管

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就原理而言，從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整

流電流的大小(100mA)作為界線通常把輸出電流大于100mA的

叫整流。面結(jié)型，工作頻率小于KHz,最高反向電壓從25伏至

3000伏分A?X共22檔。分類如下：①硅半導(dǎo)體整流二極管2cz

型、②硅橋式整流器QL型、③用于電視機(jī)高壓硅堆工作頻率近

lOOKHz的2CLG型。

3.限幅用二極管

大多數(shù)二極管能作為限幅使用。也有象保護(hù)儀表用和高頻

齊納管那樣的專用限幅二極管。為了使這些二極管具有特別強(qiáng)

的限制尖銳振幅的作用，通常使用硅材料制造的二極管。也有

這樣的組件出售：依據(jù)限制電壓需要，把若干個(gè)必要的整流二

極管串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)整體。

4.調(diào)制用二極管

通常指的是環(huán)形調(diào)制專用的二極管。就是正向特性一致性

好的四個(gè)二極管的組合件。即使其它變?nèi)荻O管也有調(diào)制用途,

但它們通常是直接作為調(diào)頻用。

5.混頻用二極管

使用二極管混頻方式時(shí)，在500?10,000Hz的頻率范圍內(nèi)，

多采用肖特基型和點(diǎn)接觸型二極管。

6.放大用二極管

用二極管放大，大致有依靠隧道二極管和體效應(yīng)二極管那

樣的負(fù)阻性器件的放大，以及用變?nèi)荻O管的參量放大。因此,

放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應(yīng)二極管和變?nèi)荻O

管。

7.開關(guān)用二極管

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有在小電流下（10mA程度）使用的邏輯運(yùn)算和在數(shù)百毫安

下使用的磁芯激勵(lì)用開關(guān)二極管。小電流的開關(guān)二極管通常有

點(diǎn)接觸型和鍵型等二極管，也有在高溫下還可能工作的硅擴(kuò)散

型、臺(tái)面型和平面型二極管。開關(guān)二極管的特長(zhǎng)是開關(guān)速度快。

而肖特基型二極管的開關(guān)時(shí)間特短，因而是理想的開關(guān)二極管。

2AK型點(diǎn)接觸為中速開關(guān)電路用；2CK型平面接觸為高速開關(guān)電

路用；用于開關(guān)、限幅、鉗位或檢波等電路；肖特基（SBD）硅

大電流開關(guān)，正向壓降小，速度快、效率高。

8.變?nèi)荻O管

用于自動(dòng)頻率控制（AFC）和調(diào)諧用的小功率二極管稱變

容二極管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電

壓，使其PN結(jié)的靜電容量發(fā)生變化。因此，被使用于自動(dòng)頻

率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。通常，雖然是采用硅

的擴(kuò)散型二極管，但是也可采用合金擴(kuò)散型、外延結(jié)合型、雙

重?cái)U(kuò)散型等特殊制作的二極管，因?yàn)檫@些二極管對(duì)于電壓而言,

其靜電容量的變化率特別大。結(jié)電容隨反向電壓VR變化，取代

可變電容，用作調(diào)諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視

機(jī)高頻頭的頻道轉(zhuǎn)換和調(diào)諧電路，多以硅材料制作。

9.頻率倍增用二極管

對(duì)二極管的頻率倍增作用而言，有依靠變?nèi)荻O管的頻率

倍增和依靠階躍（即急變）二極管的頻率倍增。頻率倍增用的

變?nèi)荻O管稱為可變電抗器，可變電抗器雖然和自動(dòng)頻率控制

用的變?nèi)荻O管的工作原理相同，但電抗器的構(gòu)造卻能承受大

功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復(fù)二極管，從導(dǎo)通切換到關(guān)

閉時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間trr短，因此，其特長(zhǎng)是急速地變成關(guān)閉

的轉(zhuǎn)移時(shí)間顯著地短。如果對(duì)階躍二極管施加正弦波，那么，

因tt（轉(zhuǎn)移時(shí)間）短，所以輸出波形急驟地被夾斷，故能產(chǎn)生

很多高頻諧波。

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10.穩(wěn)壓二極管

是代替穩(wěn)壓電子二極管的產(chǎn)品。被制作成為硅的擴(kuò)散型或

合金型。是反向擊穿特性曲線急驟變化的二極管。作為控制電

壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓使用而制作的。二極管工作時(shí)的端電壓(又稱齊

納電壓)從3V左右到150V,按每隔10%,能劃分成許多等級(jí)。

在功率方面，也有從200mW至100W以上的產(chǎn)品。工作在反向擊

穿狀態(tài)，硅材料制作，動(dòng)態(tài)電阻RZ很小，一般為2CW型；將兩

個(gè)互補(bǔ)二極管反向串接以減少溫度系數(shù)則為2DW型。

11.PIN型二極管(PINDiode)

這是在P區(qū)和N區(qū)之間夾一層本征半導(dǎo)體(或低濃度雜質(zhì)

的半導(dǎo)體)構(gòu)造的晶體二極管。PIN中的I是“本征”意義的

英文略語(yǔ)。當(dāng)其工作頻率超過100MHz時(shí)，由于少數(shù)載流子的存

貯效應(yīng)和“本征”層中的渡越時(shí)間效應(yīng)，其二極管失去整流作

用而變成阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零

偏置或直流反向偏置時(shí)，“本征”區(qū)的阻抗很高；在直流正向

偏置時(shí)，由于載流子注入“本征”區(qū)，而使“本征”區(qū)呈現(xiàn)出

低阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。

它常被應(yīng)用于高頻開關(guān)(即微波開關(guān))、移相、調(diào)制、限幅等

電路中。

12、雪崩二極管(AvalancheDiode)

它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生

高頻振蕩的工作原理是欒的：利用雪崩擊穿對(duì)晶體注入載流子,

因載流子渡越晶片需要一定的時(shí)間，所以其電流滯后于電壓，

出現(xiàn)延遲時(shí)間，若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r(shí)間，那么，在電流和電壓

關(guān)系上就會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應(yīng)用于

微波領(lǐng)域的振蕩電路中。

13.江崎二極管(TunnelDiode)

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它是以隧道效應(yīng)電流為主要電流分量的晶體二極管。其基

底材料是碎化錢和錯(cuò)。其P型區(qū)的N型區(qū)是高摻雜的（即高濃

度雜質(zhì)的）。隧道電流由這些簡(jiǎn)并態(tài)半導(dǎo)體的量子力學(xué)效應(yīng)所

產(chǎn)生。發(fā)生隧道效應(yīng)具備如下三個(gè)條件：①費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶

和滿帶內(nèi)；②空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；簡(jiǎn)

并半導(dǎo)體P型區(qū)和N型區(qū)中的空穴和電子在同一能級(jí)上有交疊

的可能性。江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數(shù)有峰谷

電流比（IP/PV）,其中，下標(biāo)“P”代表“峰”；而下標(biāo)“V”

代表“谷”。江崎二極管可以被應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高

頻振蕩器中（其工作頻率可達(dá)毫米波段），也可以被應(yīng)用于高

速開關(guān)電路中。

14.快速關(guān)斷（階躍恢復(fù)）二極管（StepRecovary

Diode）

它也是一種具有PN結(jié)的二極管。其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：在

PN結(jié)邊界處具有陡峭的雜質(zhì)分布區(qū)，從而形成“自助電場(chǎng)”。

由于PN結(jié)在正向偏壓下，以少數(shù)載流子導(dǎo)電，并在PN結(jié)附近

具有電荷存貯效應(yīng)，使其反向電流需要經(jīng)歷一個(gè)“存貯時(shí)間”

后才能降至最小值（反向飽和電流值）。階躍恢復(fù)二極管的“自

助電場(chǎng)”縮短了存貯時(shí)間，使反向電流快速截止，并產(chǎn)生豐富

的諧波分量。利用這些諧波分量可設(shè)計(jì)出梳狀頻譜發(fā)生電路。

快速關(guān)斷（階躍恢復(fù)）二極管用于脈沖和高次諧波電路中。

15.肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode）

它是具有肖特基特性的“金屬半導(dǎo)體結(jié)”的二極管。其正

向起始電壓較低。其金屬層除材料外，還可以采用金、鋁、銀、

鈦等材料。其半導(dǎo)體材料采用硅或神化鐵，多為N型半導(dǎo)體。

這種器件是由多數(shù)載流子導(dǎo)電的，所以，其反向飽和電流較以

少數(shù)載流子導(dǎo)電的PN結(jié)大得多。由于肖特基二極管中少數(shù)載流

子的存貯效應(yīng)甚微，所以其頻率響僅為RC時(shí)間常數(shù)限制，因而，

它是高頻和快速開關(guān)的理想器件。其工作頻率可達(dá)100GHzo并

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且，MIS(金屬一絕緣體一半導(dǎo)體)肖特基二極管可以用來(lái)制作

太陽(yáng)能電池或發(fā)光二極管。

16.阻尼二極管

具有較高的反向工作電壓和峰值電流，正向壓降小，高頻

高壓整流二極管，用在電視機(jī)行掃描電路作阻尼和升壓整流用。

17.瞬變電