光学知识汇编教师

1、光学知识汇编一、光的传播1折射和全反射折射定律的各种表达形式： (1为入、折射角中的较大者。)当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角C时，发生全反射。2各种色光性质比较可见光中，红光的折射率n最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。3棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜与其周围的介质相比，都是光密介质。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。（若棱镜的折射率比棱镜外介质的折射率小，则向顶角偏折。）这里所说的底边是指入射光线和射出光线都没有经过的那

2、一边；顶角则是指底边所对的角。由于各种色光的折射率不同，一细束复色光经三棱镜折射后将发生色散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。入射光在第一次发生折射时发生色散，第二次折射时不再发生色散。）本实验证明同种介质对红光的折射率最小，对紫光折射率最大。abM例1如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用n1和n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是 An1<n2，a为红光，b为蓝光 Bn1<n2，a为蓝光，b为红光Cn1>n2，a为红光，b为蓝光 Dn1>n2，a为蓝光，b为红光 解：由图可知，b光线经过三棱镜

3、后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。选B4全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点和入射角，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90º或180º。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。5玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：射出光线和入射光线平行；各种色光在第一次入射时发生色散（第二次折射不再色散）；射出光线的侧移y（入射线和射出线间的距离）与折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。a b例2如图所示，两细束平行的单色光a、b射向同一块玻璃砖的上表面，

4、然后从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a的折射率较小，那么下列说法中正确的有 A进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行C从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同解：进入时入射角相同，折射率不同，因此折射角不同，两束光在玻璃内不再平行，但从下表面射出时仍是平行的。射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同，在厚度从小到大变化时，该距离先减小后增大，有可能和入射前相同（但这时左右关系发生改变）。选D12例3 如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线能从右侧面射出，那么

5、所选的材料的折射率应满足的条件是 A折射率必须大于 B折射率必须小于C折射率可取大于1的任意值 D无论折射率是多大都不可能 解：从图中可以看出，为使上表面射入的光线经两次折射后从右侧面射出，1和2都必须小于临界角C，即1<C，2<C，而1+2=90°，故C>45°，选B 6圆柱形玻璃体光线射到圆柱形界面，法线是过入射点的半径。这点在作图中必须特别注意，一定要先将法线准确地画出来，然后再进行分析。例4如图所示，平行单色光以45º的入射角，射到横截面为半圆形玻璃砖的上表面AB上。横截面的半径为R，折射率为。试判断半圆弧AB上有光线射出的区域的长度。A

6、BOCD解：光线从AB入射后的折射角是30º，但到达半圆弧AB上各点时的入射角是各不相同的。过圆心O的入射光线到达圆弧时的入射角为0º，入射点越远离O，到圆弧时的入射角越大，当大于临界角45º时，将发生全反射而不能射出。对应的=15º，=75º，因此有光线射出的区域长R/2。7光导纤维利用光的全反射，可制成光导纤维。光从光导纤维一端射入后，在传播过程中经过多次全反射，最终从另一端射出。由于发生的是全反射，因此传播过程中的能量损耗非常小。用光导纤维传输信息，既经济又快捷。i例5如图所示，一条长L=500m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束

7、激光由其左端的中心点以i=45º的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：该激光在光导纤维中的速度v是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：由得v=2.1×108m/s；由得折射角r=30º，因此光在光导纤维中传输通过的总路程为m，经历的时间2.7×10-6s。二、光的干涉和衍射关于光的本质，17世纪形成了两种学说：牛顿主张的微粒说和惠更斯主张的波动说。两种学说都能解释一些光现象，但都不能解释所有光现象（波动说不能解释光的直进，微粒说不能解释光射到两种介质界面同时发生折射和反射）。19世纪初，在实验中观察到了光的干涉和衍射现

8、象，证明了波动说的正确性；19世纪60年代，麦克斯韦提出了光的电磁说，并被赫兹实验所证明，使波动说取得重大成功；19世纪末发现光电效应现象用波动说无法解释，20世纪初爱因斯坦提出光子说，认为光具有粒子性，解释了光电效应；现在人们认识到：光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。1光的干涉发生光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。形成相干波源的方法有两种：利用激光（因为激光发出的是单色性、平行度极好的光）。设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。bdacSS´下面分别是利用双缝、利用肥皂膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。S1

9、S2平行光S2干涉区域内的亮、暗纹在两列波都能到达的区域，叠加后加强（亮纹）和减弱（暗纹）的充分必要条件分别是：亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即= n（n=0，1，2，）暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即=（n=0，1，2，）S2S1dlx在空间，以上亮纹和暗纹的集合都是若干组双曲线。设双缝间距离为d，屏到双缝距离为l，屏上某点到中心点距离为x，在l>>d和l>>x的条件下，相邻亮纹或相邻暗纹间的距离x可以认为是相等的。理论推导和实验检测都证明：相邻亮纹（暗纹）间的距离3公式的应用利用此公式可以测定单色光的波长。用同一双缝干涉装置做实验，

10、红光x最大，紫光x最小。由此可知红光的波长最大。由于各种色光在真空中的传播速度是相同的，本实验证明可见光中红光的频率最低。用白光作双缝干涉实验时，由于白光中各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹，其中最靠近中央白色亮纹的是紫色亮纹。例6用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为x。下列说法中正确的有 A如果增大单缝到双缝间的距离，x 将增大B如果增大双缝之间的距离，x 将增大C如果增大双缝到光屏之间的距离，x将增大D如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，x将增大解：公式中，l表示双缝到屏的距离，d表示双缝之

11、间的距离。因此x与单缝到双缝间的距离无关，与单缝、双缝中每条缝本身的宽度也无关。本题选C。例7用太阳光照射竖直放置的肥皂膜，观察肥皂膜的反射光，将会看到彩色条纹。关于这些彩色条纹的说法中正确的有 A所看到的彩色条纹是光的色散形成的 B所看到的彩色条纹的每一条亮线都是竖直线 C每一组完整的彩色亮线中，都是紫光在最上方 D每一组完整的彩色亮线中，都是红光在最上方 解：这是光的干涉现象，不是由色散引起的；竖直放置的肥皂膜从上到下厚度逐渐增大，在同一水平高度，膜的厚度是相同的，因此每一条亮线都是水平的；薄膜干涉出现亮纹的条件是同一束入射光在薄膜前后两个表面分别反射后的光程差等于波长的整数倍。在入射光接

12、近垂直于薄膜表面入射的情况下，光程差是由薄膜的厚度决定的，竖直放置的肥皂膜从上到下厚度逐渐增大，光程差也逐渐增大。由于紫光波长最短，因此每一组亮线中总是紫光的光程差先达到波长整数倍，也就是紫光的亮线在最上方。本题选C。ABCD例8如图是用干涉法检查平面的平整程度的示意图。其中AB是透明的标准样板，CD是被检查的平面。用单色光从上面竖直地照射下来， 从AB上方观察到有明暗相间的条纹。这是由两束反射光叠加形成的。下列说法中正确的是 A两束反射光分别是从AB的上表面和AB的下表面反射的B两束反射光分别是从AB的上表面和CD的上表面反射的C两束反射光分别是从AB的下表面和CD的上表面反D如果将右边BD

13、间垫的薄片再变薄些，观察到相邻亮纹间的距离将减小 解：AB是等厚的透明样板，CD是不透明的，发生干涉的是两者之间的空气膜。本题选C。薄片变薄后，在同一位置，两束反射光的光程差变小，因此相邻亮纹间的距离应增大。这里看到的亮纹（暗纹）实际上是下方空气膜的等厚线。如果亮纹是均匀分布的直线，说明被检测平面是平整的；上图中，如果某些亮纹（暗纹）向左端弯曲，说明该处有凹陷；向右端弯曲，说明该处有突起。4增透膜摄影机、照相机的光学镜头、潜水艇的潜望镜等，都是由许多透镜和棱镜组成的，光进入这些装置时，在每个镜面上都有一部分光被反射，使得通过装置的光强度减弱，造成所成像的亮度不够。为解决这个问题，可以利用光的干

14、涉，在镜面涂上一层厚度适当的透明薄膜，该膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4。这样，从膜的前后两个表面反射的光，光程差恰好等于半个波长，因而叠加后互相抵消，减弱了反射光的强度，使透射光的强度得以增大。这种膜叫增透膜。一般情况下入射光是白光，其中各种色光的波长是不同的。因此在确定薄膜厚度时要使白光中人的视觉最敏感的绿光在垂直入射时完全抵消。这时红光和紫光的反射光不可能完全抵消，因此我们看到的这些镜头的颜色总是呈现淡紫色或兰色。例9登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。你能不能利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤

15、害的眼镜？如果有一种薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？（眼镜片材料的折射率大于1.5。）解：为减少进入眼睛的紫外线，应使从该膜前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。紫外线在真空中的波长是=c/=3.7×10-7m，在膜中的波长是´=/n=2.5×10-7m。因此膜的厚度至少是1.3×10-7m。5光的衍射波在传播过程中绕过障碍物的现象叫做波的衍射。衍射也是波的特性。如果光是一种波，就应该能观察

16、到光的衍射现象。但由于可见光的波长在10-7m数量级，而一般物体的大小比这个尺度大得多，因此很难看到明显的光的衍射现象。发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或比波长小。实验证明：当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，可以观察到明显的衍射现象。在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄（或孔变小）时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。要区分“能否发生衍射”和“能否发生明显衍射”。关于光的直线传播性，准确的说法是：光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的。6泊松亮斑用平行光照射一个很小的不透明的圆盘（尺寸小于0.5mm），在圆盘的阴影中心会出现一

17、个亮斑，这也是波的衍射现象。被称为泊松亮斑。7双缝干涉和单缝衍射的联系与区别双缝干涉和单缝衍射的图样都是明暗相间的条纹。但双缝干涉的条纹间距是等宽的，亮度也是均匀的；而单缝衍射的条纹是中央宽，两边窄，亮度分布也是中央亮两边暗。双缝干涉装置中，入射光从单缝到双缝之间的传播过程中，实际上已经发生了衍射；单缝衍射中的亮、暗纹的形成，可以看成是从单缝不同位置射出的光在光屏处发生干涉，这些干涉条纹叠加后形成的就是单缝衍射的结果。例10平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有 A在小孔衍射图样和泊松亮斑的中心处都是亮斑 B泊松亮斑中心亮点周围的暗环较窄C小孔衍射图样的中心是暗斑，泊松

18、亮斑图样的中心是亮斑D小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的 解：从课本上的图片可以看出：A选项是正确的，B、C、D选项都是错误的。本题选A。例11关于光的衍射的下列说法中正确的是A只有当障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比或者比光的波长小的时候才能发生衍射B如果障碍物的尺寸比光的波长大得太多，就不能发生光的衍射C隔着高墙和墙另一侧的人说话时“听其声而不见其人”，是因为声波发生了明显衍射，而光波的衍射非常微弱D小孔成像就是由光的衍射形成的解：各种障碍物都能使光发生衍射，只是有明显和不明显的区别。小孔成像的原理是光的直线传播，而不是光的衍射。高墙

19、的高度一般是几米，这个尺寸跟声波的波长可以相比，但比光的波长大得多，因此出现“听其声而不见其人”的现象。本题选C。三、光的电磁说1光的电磁说光的干涉和衍射以无可辩驳的事实证明了光是一种波。但它和水波、声波等机械波一样吗？是否也靠弹性介质传播？这个问题一直困扰着光的波动学说。麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，大胆地提出：光在本质上是一种电磁波这就是光的电磁说，20年后，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。2电磁波谱光是电磁波，但它只是电磁波中一个很窄的波段。那么电磁波中除了无线电波和可见光外，还有哪些波段呢？人们陆续发现了红外线、紫外线、X射线和射线等不同的电磁波。红外线、紫外线、X

20、射线的主要性质及其应用举例。种 类产 生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VDX射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤从课本31页图可知：电磁波按照波长从大到小排列，顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。从图中还可以发现：各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的。不同的电磁波，由

21、于波长、频率不同，表现出来的性质也不同。波长最长的无线电波容易表现出干涉、衍射等现象，而波长短的紫外线、X射线、射线，要观察它们的干涉、衍射就越来越困难了（但不能说它们不能发生衍射）。 可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz，波长范围是4.0-7.7×10-7m。要记住以上数量级。例12为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了两个发射台，分别用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为550m，电视台用的电磁波波长为0.566m。为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_信号，这是因为该信号的波长太_，不易发生明显衍

22、射。解：电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性，这时需要在山顶建转发站。与山高相比，电视信号的波长太短了，转发站一定是转发电视信号的。 KEAPQ例13右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，使其发射出热电子。热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极（对阴极）表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有 AP、Q间应接高压直流电，且P接正极 BP、Q间应接高压交流电 C从A发出的X射线是由K到A的高速电子流反射形成的 D从K到A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波 解：为了加速电子，K、A

23、间的电场方向应该始终都是向左的，所以P、Q间应接高压直流电，且Q为正极。从A发出的是X射线，不再是电子流。设P、Q间电压为U，则电子到达对阴极A时的动能为eU。电子的动能部分或全部转化为X射线的能量，从A向外发射，形成频率很高的X射线。本题选D。四、光的偏振1偏振现象在沿同一个方向传播的纵波中，所有介质质点的振动方向都和波的传播方向平行，因此振动总是发生在同一条直线上的；而在沿同一个方向传播的横波中，介质质点的振动方向和波的传播方向是垂直的，而跟波的传播方向垂直的方向有无穷多种可能，沿同一方向传播的横波，质点的振动方向可能是不同的，因此会发生偏振现象。能否发生偏振，是纵波和横波的区别。利用偏振可以判定一种波是横波还是纵波。2光的偏振课本介绍的演示实验证明光是一种横波。太阳、灯泡等普通光源发出的光，包含着在垂直于光的传播方向的沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光的强度是相同的。这种光叫自然光。vEBO自然光通过偏振片（起偏器）后成为偏振光。当检偏器的透振方向跟起偏器的透振方向相同时，通过检偏器的光强度最大；当检偏器