光缆技术应知应会1光学基础知识部分ppt课件

1、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTDHuawei Confidential Security Level:内部公开内部公开 第一章第一章 光学根底知识光学根底知识 光缆技术应知应会光缆技术应知应会目录目录第一章 光学根底知识1.1光的直线传播 光速1.1.1光源1.1.2光的直线传播1.1.3光速1.2光的反射,平面镜,球面镜1.2.1反射定律1.2.2平面镜1.2.3球面镜1.3光的折射1.3.1折射定律1.3.2折射率1.4全反射1.4.1全反射1.5棱镜.1.5.1经过棱镜的光线.1.5.2全反射棱镜.1.5.3折射与光的色散1.6光的微粒说和动摇学1.7 光的干涉,

2、衍射景象1.7.1双缝干涉1.7.2薄膜干涉1.7.3波长与频率1.7.4光的衍射.1.8 光的电磁说、电磁、波谱.1.8.1光的电磁说.1.8.2红外线.1.8.3紫外线.1.8.4伦琴射线.1.8.5电磁波谱.1.9 光电效应1.9.1光电效应1.9.2光子说1.9.3光电管1.10光的波粒二象性HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 第一章第一章 光学根底知识光学根底知识l光纤通讯技术的广泛运用大大推进了整个通讯的开展光纤通讯技术的广泛运用大大推进了整个通讯的开展,而在当初研讨而在当初研讨光纤和光纤通讯的过程中光纤和光纤通讯的过程

3、中,分开了光学根底知识是不能够有今天高度分开了光学根底知识是不能够有今天高度开展的光纤通讯技术的开展的光纤通讯技术的,作为一名工程技术人员作为一名工程技术人员,无论从事光缆施工无论从事光缆施工还是维护还是维护,也需求有一定的光学知识也需求有一定的光学知识,才干对在任务中遇到的新问题才干对在任务中遇到的新问题作出准确的判别作出准确的判别,从而可以具备处理问题的才干。从而可以具备处理问题的才干。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1.1 1.1 光的直线传播光的直线传播 光速光速l1.1.1、光源、光源l宇宙间的物体宇宙间的物体,有的

4、是发光的有的是发光的,有的是不发光的有的是不发光的.我们把发光的物体称我们把发光的物体称为光源为光源.太阳太阳,电灯都是光源电灯都是光源.光源发出的光光源发出的光,可以使物体发热可以使物体发热,使照相底使照相底片感光片感光,还能使光电池供电还能使光电池供电(图图1-1),这些景象阐明这些景象阐明,光是有能量的光是有能量的,光能光能可以转化电能可以转化电能,化学能等其他方式的能化学能等其他方式的能.光源本人发光的时候光源本人发光的时候,也在进也在进展着能的转化展着能的转化,即把方式的能转化为光能即把方式的能转化为光能.例如电灯把电能转化为光例如电灯把电能转化为光能能,蜡烛把化学能转变为光能蜡烛把

5、化学能转变为光能,太阳把原子能里面的能转化为光能等太阳把原子能里面的能转化为光能等等等.l1.1.2、光的直线传播、光的直线传播l光可以在其中传播的物质叫媒质。从光源发出的光光可以在其中传播的物质叫媒质。从光源发出的光,在媒质里是怎样在媒质里是怎样向周围传播的呢向周围传播的呢?我们知道我们知道,在任何一种媒质里在任何一种媒质里,光总是沿着直线传播光总是沿着直线传播的的,假设我们从暗室的窗上开一个小孔假设我们从暗室的窗上开一个小孔,让一束阳光从小孔射入让一束阳光从小孔射入,由于由于室内的尘埃微粒对阳光的反射室内的尘埃微粒对阳光的反射,可以清楚地看出这束阳光的传播的道可以清楚地看出这束阳光的传播的

6、道路是笔直的路是笔直的.这就是光沿着直线传播的直接证据。由于光的直线传播这就是光沿着直线传播的直接证据。由于光的直线传播,我们不能看到墙壁后面发生的事情我们不能看到墙壁后面发生的事情,也不能从弯管中看到周围的情景。也不能从弯管中看到周围的情景。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 光的直线传播,使我们在研讨光的行为时,可以用一条表示光束传播方向直线来代表这束光。这样的直线叫做光线.在画图的时候,我们经常给光线标上箭头来表示它的传播方向(图1-1) 。图1-1 光电池和微安表 根据光沿直线传播的性质,假设知道一个发光体S射出的两条光线

7、,只需把这两条光线向相反方向延伸到它们的交点,就能确定发光体的位置(图1-2,甲).在大地丈量中,要确定远处或不能接近的目的位置,就采用了这种方法(图1-2,乙)。 ACB甲乙图1-2 确定物体位置的方法ABMCD人人HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l 人的眼睛在面对察看物体的时候人的眼睛在面对察看物体的时候,根据两只眼睛对根据两只眼睛对物体的视野间夹角可以判别物体的位置物体的视野间夹角可以判别物体的位置,也是这个道理也是这个道理(图图1-3)眼睛眼睛图1-3 眼睛根据光的直线传播确定物体的位置HUAWEI TECHNOLOGI

8、ES CO., LTD.Huawei Confidential l1.1.3、光速、光速l人们曾经知道人们曾经知道,声音的传播是需求时间的声音的传播是需求时间的,在在20的空气中的空气中,声的传播声的传播速度是速度是344米米/秒。因此秒。因此,我们经常根据看到闪电和听到雷声之间的时我们经常根据看到闪电和听到雷声之间的时间间隔间间隔,来估计空气中放电的地点和我们之间的间隔。当我们这样做来估计空气中放电的地点和我们之间的间隔。当我们这样做的时候的时候,是把光的传播看成是不需求时间的。但是是把光的传播看成是不需求时间的。但是,实践上光的传播实践上光的传播也需求时间的也需求时间的,光也是有速度的。只

9、不过是光速比声速大得多光也是有速度的。只不过是光速比声速大得多,与声与声音传播的时间比起来音传播的时间比起来,光传播同样间隔所需求的时间是微缺乏道的光传播同样间隔所需求的时间是微缺乏道的,可以忽略的。经过科学家们的努力可以忽略的。经过科学家们的努力,如今人们曾经知道如今人们曾经知道,光在真空中光在真空中的传播速度为的传播速度为3.00*105千米千米/秒秒.1970年以后年以后,出现了更准确的激光测出现了更准确的激光测速法。根据速法。根据1975年第年第15层国际计量大会决议层国际计量大会决议,真空中光速的最可靠真空中光速的最可靠性的数值是性的数值是:lC=299792.4580.001千米千

10、米/秒秒l在普通的计算中可取在普通的计算中可取C=3.00*105千米千米/秒秒HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1.2 1.2 光的反射光的反射, ,平面镜平面镜, ,球面镜球面镜l121、反射定律、反射定律l 不论透明物体还是不透明物体不论透明物体还是不透明物体,都要反射一部分射到它外表上的光。都要反射一部分射到它外表上的光。实际证明实际证明,光在反射时遵照如下规律光在反射时遵照如下规律:l反射光线跟入射光线和法线在同一平面上,反射光线和入射光线分别位于法线两侧,射角等于入射角。l如图1-4所示,这就是我们原来学过的反射定律。

11、l 根据这个定律,我们知道,假设光线逆着原来反射的方向反射到反射面上,它就要逆着原来入射光线的方向反射出去,所以,在反射景象里,光路是可逆的。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l有一些物体的表现有一些物体的表现,如镜面如镜面,高度抛光金高度抛光金属外表属外表,安静的水面等安静的水面等,它们遭到平行光它们遭到平行光的照射时的照射时,反射光也是平行的反射光也是平行的,如图如图1-5所所示示,这种反射叫镜面反射。所以这种反射叫镜面反射。所以,在镜面在镜面反射中反射中,反射光向前一个方向反射光向前一个方向,其他方向其他方向上没有反射线。上

12、没有反射线。l大多数物体外表是粗糙得大多数物体外表是粗糙得,不光滑的不光滑的,即即使遭到平行光照射使遭到平行光照射,也向各个方向反射也向各个方向反射光光,这种反射叫做漫反射图这种反射叫做漫反射图1-6所示所示,借助借助漫反射漫反射,我们才干从各个方向看到被照我们才干从各个方向看到被照明的物体明的物体,把它跟周围的物体区别开来。把它跟周围的物体区别开来。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l122、平面镜、平面镜l 我们每天照镜子我们每天照镜子,从镜子上可以看到本人的像从镜子上可以看到本人的像,日常生活用的镜子日常生活用的镜子,外表

13、是平的外表是平的,叫平面镜。平面镜构成的像叫平面镜。平面镜构成的像,既不放大既不放大,也不减少也不减少.总是正总是正立的立的,像和物体的不同点像和物体的不同点,只是左右相反只是左右相反,当他举起右手的时候当他举起右手的时候,镜子的镜子的像却举起左手。像却举起左手。l 平面镜是怎样成像得呢平面镜是怎样成像得呢?图图1-7甲中直线甲中直线A.B表示图纸面垂直的平表示图纸面垂直的平面镜面镜,点点S表示物体上的一点表示物体上的一点,从从S出发画出的两条光线出发画出的两条光线,其中一条光线其中一条光线SA与与ABl垂直垂直,这条光线在这条光线在A点沿点沿AS的方向被反射回去的方向被反射回去;另一条光线另

14、一条光线SB在在B点的点的反射光线是反射光线是BC,两条反射线沿反方向延伸交于镜子后方的一点两条反射线沿反方向延伸交于镜子后方的一点S.根据根据反射定律和平面几何知识反射定律和平面几何知识,图图1-7中的中的SB S是等腰三角形是等腰三角形,所以所以SA=SAl 我们在得出我们在得出SA=SA时时,并没有特别规定光线并没有特别规定光线SB的入射角的大小的入射角的大小.不不论论i取什么值取什么值,点点B的位置怎样改动的位置怎样改动,三角形三角形SB S总是等腰的总是等腰的,并且并且SA是是等于等于SA.这样这样,一切从点一切从点S发出的光发出的光,经过平面镜反射后经过平面镜反射后,都好似是从点都

15、好似是从点S发出的发出的(图图1-7,乙乙),我们把点我们把点S称为点称为点S的像的像.像像S在镜面的后方在镜面的后方,位于由位于由S向镜面所作垂线的延伸线上向镜面所作垂线的延伸线上,离镜面的间隔等于离镜面的间隔等于S与镜面的间隔与镜面的间隔.也也就是说就是说,点点S和它的像和它的像S.对于平面镜来讲是对称的对于平面镜来讲是对称的,在镜前方的察看来在镜前方的察看来看看,虽然好似在镜子后面虽然好似在镜子后面S处有一个发光点处有一个发光点,但是实践上这样的发光点但是实践上这样的发光点并不存在并不存在,所以这个像叫做虚像所以这个像叫做虚像.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.H

16、uawei Confidential HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l根据同样推论根据同样推论,我们可以求出图我们可以求出图1-8中的物体中的物体AB在平面镜中的像在平面镜中的像AB.物体上物体上每一点跟它的像位置都是对称的每一点跟它的像位置都是对称的,因此像的大小也跟物体的大小一样因此像的大小也跟物体的大小一样.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l123、球面镜、球面镜l在实践运用中在实践运用中,除了平面镜之外除了平面镜之外,还经常用到球面镜还经常用到球面镜,球

17、面镜有两种球面镜有两种,一一种是用球面的里面做反射面的叫做凹镜种是用球面的里面做反射面的叫做凹镜;另一种是用球面的外面做反另一种是用球面的外面做反射的叫做凸镜射的叫做凸镜.衔接镜面顶点衔接镜面顶点O和球面中心和球面中心C的直线叫做镜的主轴的直线叫做镜的主轴.图图1-9表示出了凹镜为主轴表示出了凹镜为主轴.l 从图从图1-10可看出可看出,跟主轴平行的光线射到凹镜上跟主轴平行的光线射到凹镜上,反射后会聚于主轴反射后会聚于主轴上的一点上的一点,这个点叫做凹镜的焦点这个点叫做凹镜的焦点.跟主轴平行的光线射到凸镜上反跟主轴平行的光线射到凸镜上反射后被发散射后被发散.但是但是,反射光线向反方向延伸时反射

18、光线向反方向延伸时,将交于镜面后方的一点将交于镜面后方的一点,看起来反射光好似是从这点射出来的一样看起来反射光好似是从这点射出来的一样.这个点也在镜的主轴上这个点也在镜的主轴上,叫做凸镜的虚焦点叫做凸镜的虚焦点.由于它不是光线的实践聚焦点由于它不是光线的实践聚焦点. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1.3 1.3 光的折射光的折射l131、折射定律、折射定律l 当光从一种媒质进入到另一种媒质当光从一种媒质进入到另一种媒质,例如从空气

19、进入玻璃中时例如从空气进入玻璃中时,在两种媒在两种媒质的界面处质的界面处,一部分光进入到后一种媒质中去一部分光进入到后一种媒质中去,并且改动原来传播的方向并且改动原来传播的方向,这种景象叫做光的折射这种景象叫做光的折射.在图在图1-11里里,入射光线与法线间夹角入射光线与法线间夹角i叫做入射角叫做入射角,折射光线与法线间夹角折射光线与法线间夹角r叫做折射角叫做折射角.l我们曾经学过,折射光线跟入射光线和法线在同一平面上,并且分别位于法线的两侧,但是入射角跟折射角终究有什么关系呢?l这个问题,在很长的时间内不断使人们感到困惑,人类从积累入射角与折射角的数据到找出两者之间的定量关系,阅历了一千多年

20、的时间,直到1621年,荷兰数学家菲涅尔终于找到了入射角与折射角之间的规律.l这就是入射角的正弦跟折射角的正弦成正比的关系.假设用n来表示这个比例常数,就有sin i/sin r=nl 这就是有名的折射定律,也叫做菲涅尔定律. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l132、折射率、折射率l光从空气射入玻璃和射入水中的时候光从空气射入玻璃和射入水中的时候,算出入射角的正法和跟折射角算出入射角的正法和跟折射角的正弦之比都是常数的正弦之比都是常数,但是这两个常数的数值不同但是这两个常数的数值不同.射入玻璃时射入玻璃时,这个这个常数约为常数

21、约为15,射入水中时这个常数约为射入水中时这个常数约为133,可见这个常数是跟媒可见这个常数是跟媒质有关的一个物理量质有关的一个物理量.l光从真空射入某种媒质所发生折射的时候光从真空射入某种媒质所发生折射的时候,入射角入射角i的正弦跟折射角的正弦跟折射角r的正弦之比的正弦之比n,叫做这种媒质的折射率叫做这种媒质的折射率.ln=sin i /sin rl实际和实际都证明实际和实际都证明,某种物质的折射率某种物质的折射率,等于光在真空中的速度等于光在真空中的速度C跟光跟光在这种媒质中的速度之比在这种媒质中的速度之比.ln=c /vl由于光在真空中的速度由于光在真空中的速度C大于光在任何媒质中的速度

22、大于光在任何媒质中的速度V,所以任何媒质所以任何媒质的折射率都大于的折射率都大于1.光在真空中的速度和跟在空气里的速度相差很小光在真空中的速度和跟在空气里的速度相差很小,所以以为光从空气里进入某种媒质时的折射率就是那种媒质的折射所以以为光从空气里进入某种媒质时的折射率就是那种媒质的折射率率.l根据光可逆性根据光可逆性,当光线逆着原来的折射光线当光线逆着原来的折射光线,以入射角以入射角r从折射率是从折射率是n的媒质射入真空的媒质射入真空(或空气或空气)的时候的时候,折射光线就会逆着原来的入射光线折射光线就会逆着原来的入射光线,折射角等于原来的入射角折射角等于原来的入射角i,由于由于r小于小于i,

23、所以光从某种媒质射入真空所以光从某种媒质射入真空(或空气或空气),折射角大于入射角折射角大于入射角.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1 14 4 全反射全反射l141、全反射、全反射l 在各种不同的媒质中在各种不同的媒质中,光的折射率不同光的折射率不同,我们把折射率小的我们把折射率小的媒质叫做光疏媒质媒质叫做光疏媒质,折射率大的媒质叫做光密媒质折射率大的媒质叫做光密媒质.光疏媒质和光疏媒质和光密媒质是相对的光密媒质是相对的.例如水例如水,水晶和金刚石三种物质相比较水晶和金刚石三种物质相比较,水晶水晶对水来讲是光密媒质对水来讲是光

24、密媒质,对金刚石来讲是光疏物质对金刚石来讲是光疏物质.根据折射定律根据折射定律可知可知,当光线从光密媒质进入光疏媒质时当光线从光密媒质进入光疏媒质时,(例如从水进入空气例如从水进入空气时时)折射角大于入射角折射角大于入射角.入射角不断增大入射角不断增大,折射角也不断增大折射角也不断增大.可可以预料以预料,当入射角增大一定程度时当入射角增大一定程度时,折射角就会增大到折射角就会增大到90o。假。假设入射角再增大又会出现什么情况呢设入射角再增大又会出现什么情况呢?也就是讲也就是讲,当入射角增大当入射角增大到某一角度到某一角度,使折射角到达使折射角到达90o时时,折射光线就会完全消逝折射光线就会完全

25、消逝.只剩只剩下反射回玻璃中的光线下反射回玻璃中的光线,这种景象叫做全反射这种景象叫做全反射.l折射角变成折射角变成90o时的入射角叫做临界角时的入射角叫做临界角,当光线从光密物质射当光线从光密物质射到两种媒质的临界面上时到两种媒质的临界面上时,假设入射角大于临界角假设入射角大于临界角,就会发生全就会发生全反射景象反射景象.l怎样求出光从折射率为怎样求出光从折射率为n的某种媒质进入真空空气时的临界角的某种媒质进入真空空气时的临界角C呢呢?由于临界角由于临界角C是折射角等于是折射角等于90o时的入射角时的入射角,根据折射定律根据折射定律可得可得:lSinC/sin90o=1/nlSine=1/n

26、l从折射率表中查出物资的折射率从折射率表中查出物资的折射率,就可以用上式求出光从这种就可以用上式求出光从这种媒质射到它跟空气媒质射到它跟空气(或真空或真空)的临界角的大小的临界角的大小.用这种方法求出用这种方法求出的水的临界角的水的临界角48.5 o.各种玻璃的临界角为各种玻璃的临界角为30 o-42 o.金刚石的金刚石的临界角为临界角为24.5 o.l全反射景象是自然界常见的景象全反射景象是自然界常见的景象,例如例如,水中或玻璃中的气泡水中或玻璃中的气泡,看看起来特别的亮起来特别的亮,就是由于一部分射到气泡界面上的光发生了全就是由于一部分射到气泡界面上的光发生了全反射的缘故反射的缘故.HUA

27、WEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1 15 5 棱镜棱镜l151 经过棱镜的光线经过棱镜的光线l 光学上常用一种横截面为三角形的三棱镜光学上常用一种横截面为三角形的三棱镜,简称棱镜简称棱镜,来改动光的来改动光的传播方向传播方向.光从玻璃棱镜的一个侧面光从玻璃棱镜的一个侧面AB射入射入,从另一个侧面从另一个侧面AC射出射出,射射出的方向跟射入的方向相比出的方向跟射入的方向相比,明显地向着棱镜地底面偏折明显地向着棱镜地底面偏折(图图1-13),这这是由于光在棱镜的两个面上发生了折射是由于光在棱镜的两个面上发生了折射,每次折射都使光线向底面偏

28、每次折射都使光线向底面偏折的缘故折的缘故.假设隔着棱镜看一个物体假设隔着棱镜看一个物体,就可以看到物体的虚像就可以看到物体的虚像,这个虚这个虚像的位置比物体的实践位置向顶角方向偏移像的位置比物体的实践位置向顶角方向偏移(图图1-14)HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l152、全反射棱镜、全反射棱镜l横截面是等腰三角形的棱镜叫全反射棱镜横截面是等腰三角形的棱镜叫全反射棱镜,图图1-15中的等腰直角三角中的等腰直角三角形形ABC就是一个全反射棱镜的横截面就是一个全反射棱镜的横截面,它的两个直角边它的两个直角边AB和和BC,代表代表了

29、棱镜上两具相互垂直的镜面了棱镜上两具相互垂直的镜面,假设光线垂直地射到假设光线垂直地射到AB面上面上,就会沿就会沿原来地方向进入棱镜原来地方向进入棱镜,射到射到A C 面上面上.由于入射角由于入射角(45o)大于光从玻璃进大于光从玻璃进入空气地临界角入空气地临界角(42o),这条光线会在这条光线会在AC面上发生全反射面上发生全反射,沿着垂直于沿着垂直于BC的方向从棱镜射出的方向从棱镜射出(图图1-15甲甲),假设光线垂直地射到假设光线垂直地射到AC面上面上(图图1-15乙乙)沿原方向进入棱镜后沿原方向进入棱镜后,在在AB,BC两个面上都会发生全反射两个面上都会发生全反射.最后沿着最后沿着与入射

30、时相反地方向从与入射时相反地方向从AC面上射出面上射出.在光学仪器里在光学仪器里,常用全反射棱镜常用全反射棱镜来改动光线的方向来改动光线的方向.450 HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l153、折射与光的色散、折射与光的色散l 一束白光经过三棱镜后会发生色散构成白一束白光经过三棱镜后会发生色散构成白,赤赤,黄黄,绿绿,蓝蓝,青定青定,紫各色组紫各色组成的光带成的光带(图图1-16),我们把这种按一定次序陈列的彩色光带叫做光谱我们把这种按一定次序陈列的彩色光带叫做光谱.光谱光谱的产生阐明白色是由各种单色光组成的变色光的产生阐明白色

31、是由各种单色光组成的变色光,而各种单色光经过棱镜而各种单色光经过棱镜时偏折的角度是不同的时偏折的角度是不同的. 各色光经过棱镜时的偏折角度不同,阐明各色光以一样的入射角射入棱镜时产生的折射角不同,可见棱镜资料对于不同的色光有不同的折射率.这些折射率可以从实验中测出. 我们知道,媒质的折射率n等于光在真空中的速度C跟光在这种媒质中的速度V之比,即n=C/V.在真空中各种色光的速度一样,都是C.各种色光在同一媒质中的折射率不同,是由于它们在同一媒质中的传播速度不同.紫光的传播速度最小,它的折射率就最大,红光的传播速度最大,它的折射率就最小.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.

32、Huawei Confidential l16 光的微粒说和动摇学光的微粒说和动摇学l 我们曾经知道我们曾经知道,光在均匀媒质中沿着直线传播光在均匀媒质中沿着直线传播,在两种媒质的界面在两种媒质的界面处会发生全反射和折射处会发生全反射和折射;光在真空或空气中传播速度约为光在真空或空气中传播速度约为3.00*108米米/秒秒;光具有能量光具有能量,但是光的本质终究是什么呢但是光的本质终究是什么呢?这是一个很重要的问这是一个很重要的问题题,很早就引起了人们的留意很早就引起了人们的留意.不过这个问题并不简单不过这个问题并不简单,人类对光的本人类对光的本质性的认识阅历了漫长而又曲折的过程质性的认识阅历

33、了漫长而又曲折的过程.l 古代学者古代学者,对于对于“什么是光什么是光“的最初观念是非常幼稚的的最初观念是非常幼稚的,古希腊的学古希腊的学者以为光是从眼睛里射出的特别细的能源者以为光是从眼睛里射出的特别细的能源,用能源触摸的物体就引起用能源触摸的物体就引起觉得觉得.有的学者不赞同这种看法有的学者不赞同这种看法,以为光是沿着直线高速传播的粒子以为光是沿着直线高速传播的粒子流流.人的视觉就是光粒子进入人的眼睛引起的人的视觉就是光粒子进入人的眼睛引起的,这是一种原始的微粒这是一种原始的微粒学说学说.l 以后的许多世纪以后的许多世纪,即即17世纪荷兰物理学家世纪荷兰物理学家,惠更斯提出的动摇学说惠更斯

34、提出的动摇学说,他以为光是某种振动他以为光是某种振动,以波的方式向外传播以波的方式向外传播,但是但是,物理学家牛顿反对物理学家牛顿反对这种学说这种学说,却支持微粒学说却支持微粒学说.l 光的微粒学和动摇学各有胜利的一面光的微粒学和动摇学各有胜利的一面,但不能圆满地解释但不能圆满地解释.l 到了到了19世纪初世纪初,人们胜利地在实验室中找到了光的干涉衍射景象人们胜利地在实验室中找到了光的干涉衍射景象,这这是波的特征是波的特征,无法用微粒说来解释无法用微粒说来解释,因此明显地证明了动摇说是正确因此明显地证明了动摇说是正确的的.l 到了到了19世纪末世纪末,又发现了用动摇说无法解释的新景象又发现了用

35、动摇说无法解释的新景象,证明了光确实证明了光确实具有动摇性具有动摇性,又具有粒子性又具有粒子性. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1 17 7 光的干涉光的干涉, ,衍射景象衍射景象l171、双缝干涉、双缝干涉l我们知道我们知道,干涉景象是波的主要特征之一干涉景象是波的主要特征之一,光假设是一种波光假设是一种波,就必然会就必然会察看到了光波的干涉景象察看到了光波的干涉景象. l1881年年,英国物理学家托马斯英国物理学家托马斯-相在实验室中察看到了光的干涉景象相在实验室中察看到了光的干涉景象.如图如图1-17和图和图1-18所示

36、所示.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l172、薄膜干涉、薄膜干涉l 用薄膜也可以察看到光的干涉用薄膜也可以察看到光的干涉,点燃一盏酒精灯点燃一盏酒精灯,在酒精灯火焰里在酒精灯火焰里洒上一些路氯化钠洒上一些路氯化钠,使火焰发出黄色光使火焰发出黄色光.把酒精灯放在金属丝圈上的把酒精灯放在金属丝圈上的肥皂薄膜前肥皂薄膜前(图图1-19),就可以在薄膜上看到火焰的反射像就可以在薄膜上看到火焰的反射像,像上出现了像上出现了明暗一样的条纹明暗

37、一样的条纹.l竖立的肥皂液薄膜,由于重力的作用,成了上薄下厚的楔形.酒精灯火焰的光照射到薄膜上时,从膜的前外表和后外表分别反射出来,构成两列波.这两列波频率一样,所以能产生干涉.在薄膜的某些地方,两列波反射回来时,恰是波峰和波峰叠加,波谷和波谷叠加,使光波的振动加强,构成黄色的条纹波;另在外一些地方,两列波的波峰和波谷叠加,使光波的振动相互抵消,构成暗条纹. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l173、波长与频率、波长与频率l 根据察看与研讨，在双缝干涉景象里根据察看与研讨，在双缝干涉景象里,明条纹或暗条纹之间的间明条纹或暗条纹之

38、间的间隔总是相等的隔总是相等的.定量研讨通知我们定量研讨通知我们,光波的波长越长光波的波长越长,干涉条纹之间的干涉条纹之间的间隔越大间隔越大,条纹之间距跟光波成正比条纹之间距跟光波成正比.所以所以,不同色光的波长也不同不同色光的波长也不同.l 我们知道我们知道,波长与频率和乘积等于波速波长与频率和乘积等于波速,这个关系对于一切波都是这个关系对于一切波都是适用的适用的.不同色光在真空中的传播速度一样不同色光在真空中的传播速度一样,而波长不同而波长不同,因此它们的因此它们的频率也不同频率也不同.l 波长的常用单位有微米波长的常用单位有微米(m)和纳米和纳米(nm)l 1纳米纳米=10-9米米,1微

39、米微米=10-6米米 HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l174、光的衍射、光的衍射l 取一个不透光的屏取一个不透光的屏,在它们中在它们中间装一个宽度可以调理的狭缝间装一个宽度可以调理的狭缝,用用平行的单色光照射平行的单色光照射,在缝后适当的在缝后适当的间隔处放一个光屏间隔处放一个光屏(图图1-20),我们可我们可以看到以看到,当缝比较宽时当缝比较宽时,光沿着直线光沿着直线方向经过缝方向经过缝,在光屏上产生一条跟在光屏上产生一条跟缝的宽度相当的亮线缝的宽度相当的亮线.但是但是,当缝调当缝调到很窄时到很窄时,光经过缝后就明显地偏光经

40、过缝后就明显地偏离了直线传播方向离了直线传播方向,照到了屏上相照到了屏上相当宽地地方当宽地地方,并出现了明暗一样的并出现了明暗一样的条纹条纹.l 用点光源照射较大地园孔AB的屏(图1-21甲),在后一个屏MN上就得到一个光亮的图(图1-21,乙).图的大小跟按光沿直线传播计算出来的结果是一致的.减少园孔,亮图也跟着减少,但是,园孔减少到一定程度时,在屏MN上就得到一些明暗相间的园环,这些园环到达的范围远远超越了根据光直线传播所应照明的面积(图1-21,丙)HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l上面讲的景象,都无法用光的直线传播来解释

41、,我们看到了光分开直线途径,绕到妨碍物阴影里去的景象,这种景象叫做光的衍射景象.衍射时产生的明暗条纹或光环,叫做衍射图样.l衍射景象研讨阐明,我们在前面学过的光沿着直线传播的只是一种景象或一种近似的规律.只需在光的波长比妨碍物小得多得情况下,光才可以看作是直线前进的,在妨碍物的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小的时候,衍射景象就十清楚显了.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1.8 1.8 光的电磁说光的电磁说, ,电磁电磁, ,波谱波谱l1.8.1、光的电磁说、光的电磁说l 到了到了19世纪中期世纪中期,光的动摇说曾经得到

42、了公认光的动摇说曾经得到了公认,但是光波本质问题但是光波本质问题依然没有处理依然没有处理,人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性媒质里传播的振动种弹性媒质里传播的振动.到到19世纪世纪60年代年代,英国物理学家麦克斯韦英国物理学家麦克斯韦提出了电磁波的实际提出了电磁波的实际,以为变化的电场和变化的磁场联络在一同构成以为变化的电场和变化的磁场联络在一同构成的的,一致的电磁场以波的方式从它产生的地方向周围传播一致的电磁场以波的方式从它产生的地方向周围传播,并且从实并且从实际上得出了电磁波的传播速度跟实验测得光速一样际上得出了电磁波的传播速

43、度跟实验测得光速一样.在这个根底上在这个根底上,麦克斯韦提出了光是一种电磁波麦克斯韦提出了光是一种电磁波,这就是光的电磁说这就是光的电磁说.l 1886年年,赫兹用实验证明了电磁波的存在赫兹用实验证明了电磁波的存在,并且证明了电磁波也跟并且证明了电磁波也跟光波一样光波一样,具有反射具有反射,折射折射,干涉干涉,衍射等性质衍射等性质.还经过了干涉实验还经过了干涉实验,测出测出了一定频率的电磁波波长了一定频率的电磁波波长,算出了电磁波的波速算出了电磁波的波速,结果跟麦克斯韦关结果跟麦克斯韦关于电磁波的波速等于光速的预言符合得相当好于电磁波的波速等于光速的预言符合得相当好.这就证明了麦克斯韦这就证明

44、了麦克斯韦得光的电磁实际是正确的得光的电磁实际是正确的. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l1.8.2、红外线、红外线l 在电磁波中在电磁波中,可以作用于我们的眼睛并不引起视觉的部分可以作用于我们的眼睛并不引起视觉的部分,只是一只是一段很窄的波段段很窄的波段,通常也叫做可见光通常也叫做可见光.在可见光的范围外还存在着看不在可见光的范围外还存在着看不见的红外线和紫外线见的红外线和紫外线.l红外线是英国物理学家赫谢耳在红外线是英国物理学家赫谢耳在1880年发现的年发现的,他用灵敏度温度计研他用灵敏度温度计研讨光谱各种色光的热作用时讨

45、光谱各种色光的热作用时,把温度计移到光谱的红光区域外侧把温度计移到光谱的红光区域外侧,它它的温度计上升得更高的温度计上升得更高,阐明哪里有看不见的射线到温度计上阐明哪里有看不见的射线到温度计上.这种热这种热线后来叫做红外线线后来叫做红外线.红外线最显著的作用是热作用红外线最显著的作用是热作用,所以可以利用红所以可以利用红外线来加热物体外线来加热物体,烘干油漆和谷物以及进展医疗等烘干油漆和谷物以及进展医疗等.红外线的波长比红外线的波长比红光还长红光还长,因此因此,衍射景象比较显著衍射景象比较显著,容易透过云雾烟尘容易透过云雾烟尘,所以所以,利用红外利用红外线敏感的底片可以进展远间隔摄影和高空摄影

46、线敏感的底片可以进展远间隔摄影和高空摄影,这种摄影还受白天和这种摄影还受白天和黑夜的限制黑夜的限制.由于一切物体都在不停辐射红外线由于一切物体都在不停辐射红外线,并且不同的物体辐并且不同的物体辐射的红外线的波长和强度不同射的红外线的波长和强度不同,利用红外线探测器吸收物体发出的红利用红外线探测器吸收物体发出的红外线外线,然后用电子仪器对接纳到的信号进展处置然后用电子仪器对接纳到的信号进展处置,就可以察知被测物就可以察知被测物体的特征体的特征.这种技术叫红外线遥感这种技术叫红外线遥感.红外线遥感技术上运用正在迅速红外线遥感技术上运用正在迅速开展中开展中. HUAWEI TECHNOLOGIES

47、CO., LTD.Huawei Confidential l1.8.3、紫外线、紫外线l 紫外线是德国物理学家里特紫外线是德国物理学家里特,在在1801年发现的年发现的,假设在光谱的紫外假设在光谱的紫外线区域放一张照相底片线区域放一张照相底片,底片就会感光底片就会感光.紫外线的波长比紫光还短紫外线的波长比紫光还短,一一切高温物体切高温物体,如太阳如太阳,弧光灯弧光灯,发出的光都会有紫外线发出的光都会有紫外线,紫外线的主要作紫外线的主要作用是化学作用用是化学作用,紫外线还有杀菌作用紫外线还有杀菌作用. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidentia

48、l l1.8.4、伦琴射线、伦琴射线l 比紫外线还短的电磁波比紫外线还短的电磁波,有伦琴射线有伦琴射线,也叫也叫X射线射线,是德国物理学家是德国物理学家伦琴在伦琴在1895年发现的年发现的,它的穿透身手非常大它的穿透身手非常大,可以使色在黑纸的照片可以使色在黑纸的照片底片感光底片感光.高速电子流射到任何固体上高速电子流射到任何固体上,都会产生这种射线都会产生这种射线.l此外此外,还有比伦琴射线更短的电磁波还有比伦琴射线更短的电磁波,那就是放射性元素放出的那就是放射性元素放出的射线射线.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l1.8.5

49、、电磁波谱、电磁波谱l 无线电磁波无线电磁波,红外线红外线,可见光可见光,紫外线紫外线,x射线射线, 射线合起射线合起来来,构成了范围非常宽广的电磁波谱构成了范围非常宽广的电磁波谱(图图1-22),其中最长的其中最长的波长是最短的波长的波长是最短的波长的1021倍以上倍以上,不同的电磁波产生的机不同的电磁波产生的机理不同理不同.无线电波是根据电路中自在电子的周期性运动产无线电波是根据电路中自在电子的周期性运动产生的生的.红外线红外线,可见光可见光,紫外线是原子的外层电子遭到激发紫外线是原子的外层电子遭到激发后产生的后产生的.x射线是原子的内层电子遭到激发后产生的射线是原子的内层电子遭到激发后产

50、生的. 射线是原子核遭到激发后产生的射线是原子核遭到激发后产生的.但是但是,从图中可以看出从图中可以看出,长波段的红外线和微波曾经重叠长波段的红外线和微波曾经重叠,短波的紫外线曾经进入短波的紫外线曾经进入X射线的区域射线的区域.所以所以,它们之间的区别并无绝对意义它们之间的区别并无绝对意义.总的说总的说来来,从无线电波到从无线电波到射线都是本质上一样的电磁波射线都是本质上一样的电磁波,它们的它们的行为服从一样的规律行为服从一样的规律,但另一方面但另一方面,由于它们的频率或波由于它们的频率或波长不同长不同,而又表现出不同的特性而又表现出不同的特性. HUAWEI TECHNOLOGIES CO.

51、, LTD.Huawei Confidential 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 频率赫104 102 100 102 104 106 108 1010 波长米 图 122 电磁波谱HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential 1.9 1.9 光电效应光电效应l 光的电磁说光的电磁说,使光的动摇实际开展到相当完美地步使光的动摇实际开展到相当完美地步,获得了宏大的成就获得了宏大的成就.但但是是,这个学说并不能完美地解释一切的光景象这个学说并不能完美地解释一切的光景象.还在赫兹用实验论证明了光的还在赫兹

52、用实验论证明了光的电磁说的时候电磁说的时候,就曾经发现了光电效应的景象就曾经发现了光电效应的景象,使光的电磁说遇到了无法抑制使光的电磁说遇到了无法抑制的困难的困难.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l1.9.1、光电效应、光电效应l 把一块擦得很亮得锌板衔接在灵敏度验电器上把一块擦得很亮得锌板衔接在灵敏度验电器上,用弧光灯照锌板用弧光灯照锌板(图图1-23),验电器得指针就张开一个角度验电器得指针就张开一个角度,表示锌板曾经带了电表示锌板曾经带了电,进一步验证进一步验证知道锌板带的是正电知道锌板带的是正电,这阐明在弧光灯的照射下这

53、阐明在弧光灯的照射下,锌板有一部分自在电子锌板有一部分自在电子从里面飞了出去从里面飞了出去,锌板中短少了电子锌板中短少了电子,于是带了正电荷于是带了正电荷.l在光(包括不可见光)的照射下,从物体发射出的电子的景象叫做光电效应,发射出来的电子叫光电子.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.Huawei Confidential l对于光电效应的研讨对于光电效应的研讨,得到如下结果得到如下结果:l1,任何一种金属都有一个极限频率任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必需大于这个极限频率入射光的频率必需大于这个极限频率,才干产生光才干产生光电效应电效应;低于这个频率的光不能产

54、生光电效应低于这个频率的光不能产生光电效应.l2,光电子的最初动能与入射光强度无关光电子的最初动能与入射光强度无关,只随着入射光频率的增大而增大只随着入射光频率的增大而增大.l3,入射光照到金属上时入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的光电子的发射几乎是瞬时的,普通不超越普通不超越10-9秒秒.l4,当入射光的频率大于极限频率时当入射光的频率大于极限频率时,光电子流的强度与入射光的强度成正比光电子流的强度与入射光的强度成正比.l这就是光电效应的规律这就是光电效应的规律.这些规律前三条这些规律前三条,都无法用经典的动摇实际来解释都无法用经典的动摇实际来解释.l 金属中的自在电子金属中的自在

55、电子,由于遭到带正电的原子核的吸引由于遭到带正电的原子核的吸引,必需从外部获得足够的能量才必需从外部获得足够的能量才干从金属中溢出干从金属中溢出.例如例如,在电子管中在电子管中,必需给灯丝加热必需给灯丝加热,才干发射电子才干发射电子.在光电效应中在光电效应中,这种这种能量要由入射光来提供能量要由入射光来提供.l 按照动摇实际按照动摇实际,光的能量是由光的强度来决议的光的能量是由光的强度来决议的.而光的强度又是由光波的振幅决议而光的强度又是由光波的振幅决议的的,跟频率无关跟频率无关.因此因此,无论光的频率如何无论光的频率如何,只需光的强度足够大只需光的强度足够大,或照射的时间足够长或照射的时间足够长,都都能使电子获得足够的能量产生光电效应能使电子获得足够的能量产生光电效应.然而这跟实验结果是直接矛盾的然而这跟实验结果是直接矛盾的.l极限频率的存在极限频率的存在,即频率低于某一数值的光不论强度如何都不能产生光电效应即频率低于某一数值的光不论强度如何都不能产生光电效应,是动摇是动摇实际不能解释的实际不能解释的.同样同样,动摇实际也不能解释光电子的最大初动能只与光的频率有关动摇实际也不能解释光电子的最大初动能只与光的频率有关,而与光的强度无关而与光的强度无关.产生光电效应的时间之短产生光电效应的时间之短,也跟动摇