第四章-光学-光本性160312

1光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（3）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应与康普顿效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理12第四章-光学光学——我们看到的，却是我们最不了解的东西光是什么？怎么描述光这种物质，或者说这种现象？2000多年前，亚里士多德认为白光是最纯净的光。阿基米德利用反射镜聚焦原理将罗马战船烧毁。春秋战国时期，墨翟所著《墨经》中有关小孔成像的现象。23光学——光的微粒说能解释的现象：光线的反射定理光线的折射定理。。。。。牛顿提出光的微粒说：不能解释的现象：两束光线能够相互交叉而不互相干扰。。。。。。。直到18世纪末的100多年里，牛顿的微粒说一直占据统治地位。第四章-光学34光学——相对于物体的运动，光更加的神秘简单性原则因果性原则统一性原则真理性原则牛顿的自然哲学观：运动学—质点光学—微粒说化学—原子说Page:39第四章-光学45光学——光的波动说光是一种压力波，类似于声波。早期光的波动说：光在一种称为以太的均匀介质中传播。光是一种纵波。早期的波动说存在很多的缺陷，因此无法和微粒说相抗衡。勒内·笛卡尔，1596-1650，近现代法国哲学家、物理学家、数学家第四章-光学56光学——光的干涉光的干涉托马斯·杨：1773~1829，英国医生、物理学家，光的波动说的奠基人之一。杨氏双缝干涉实验证明光的波动性光的叠加满足波动叠加原理。第四章-光学67光学——光的干涉双缝干涉实验1、在光源前放置一条狭缝；2、再放置具有两条狭缝的屏；3、再在距双缝一定位置处放置一光屏。7第四章-光学8光学——光的绕射现象光波在通过障碍物时，会发生一定程度的绕射现象。这是波所具有的特性之一。比如声音能够绕过墙壁进入教室。为什么日常生活中，光的绕射现象观察不到呢？8第四章-光学波产生明显的绕射现象的条件是：波长要接近或者大于障碍物的尺寸。9光学——光的衍射泊松亮斑当一束光照到一个不透明圆盘上时，会得到一个什么样的图案？观察的泊松亮斑的实验装置光线能绕过圆盘；屏上的黑斑中央出现一个光斑。9第四章-光学10光学——生活中光de干涉与衍射现象马路边的油膜镜头上使用的增透膜光盘表面昆虫翅膀还有吗？。。。金属表面氧化层第四章-光学手机贴膜表面的花纹1011光学——怎么来理解光的波动性光的波动性：绕行现象干涉效应衍射效应。。。。那么问题就来了：怎么来理解光的波动性呢？如何来解释双缝干涉效应如何来计算双缝干涉斑纹的间距如何来理解光栅效应11第四章-光学12§4-1

波动学初步波动学——机械振动生活中，我们观察最多的波动是机械振动。大家能举出几例你所看到的关于机械振动的实例吗？钟摆弹簧象？！1213波动学——振动的描述振动：物体在某一位置附近做来回运动，指一个状态改变的过程，即物体的往复运动。确定性振动随机振动（非确定性振动）周期振动非周期振动13§4-1

波动学初步14波动学——描述振动的参数1、平衡位置在平衡位置物体所受合力为零。平衡位置加速度为零，速度达到最大。14§4-1

波动学初步15波动学——描述振动的参数2、周期T（s）物体从初始状态完成一次振荡，又回到初始状态所需的时间。3、频率f（Hz）单位时间内完成的周期数。§4-1

波动学初步1516波动学——描述振动的参数4、振幅A平衡位置到最大位置的距离，反映了振动的强度。海浪的高度反映了其强度。当振动向外传播时，我们称之为波或者波动。机械波的传播需要媒介，我们称这类媒介为介质。振动产生的波通过水介质向外传播165、相位§4-1

波动学初步相位(phase)反映了一个波，特定的时刻在它振动中的位置。17波动学——描述波的参数6、波速v反映波在介质中传播的速度。与介质性质有关；（密度，弹性等）机械波传播速度与频率无关波速与什么量有关：17§4-1

波动学初步18波动学——色散关系机械波的传播速度只与介质的性质有关，与波动的频率无关。所有频率的声音在空气中的速度相同：约343m/s（室温）。声速与空气温度、气体类别有关，而与空气压力无关。声音在空气中没有色散现象。18§4-1

波动学初步19波动学——描述波的参数7、波长反映波在一个周期内传播的距离。手的振动通过绳子为媒介向外传播机械波。19§4-1

波动学初步20波动学——描述波的参数8、波线、波前和波面波线：反映波的传播方向；波前：波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点构成的面，称为波前；波面：同一时刻具有相同振动状态的质点构成的面。波面上各点的振动具有相位相同的特点。§4-1

波动学初步2021波动学——描述波的参数1、平衡位置O2、周期T3、频率f4、振幅A5、相位6、波速v7、波长8、波线、波前和波面简谐波的数学描述§4-1

波动学初步2122波动学——简谐波的数学描述简谐波是最简单的波动形式。简谐振动可以看成物体做匀速圆周运动在某一方向的投影。如果做机械振动的质点，其位移与时间的关系遵从正弦（或余弦）函数规律，这样的振动叫做简谐运动22§4-1

波动学初步23波动学——简谐振动的应用：钟摆人们早已发现钟摆的摆动周期是固定的，因此可以用来制作精准的计时工具。钟摆的特点：1、摆动周期与摆动幅度无关。2、摆动周期变化很小。。。。。23§4-1

波动学初步24波动学——波的基本性质波根据介质中质点的振动方向可分为两种：横波：质点振动方向与传播方向垂直纵波：质点振动方向与传播方向相同横波纵波介质中质点的振动方向与波的传播方向有必然联系吗？§4-1

波动学初步2425波动学——地震中的波动地震是地壳运动的结果，期间会产生地震波。按传播方式进行分类：横波、纵波等。哪一个是纵波，哪一个是横波？哪一个的破坏力大呢？25§4-1

波动学初步26波动学——波的叠加原理如果两列波相遇，会怎么样呢？26§4-1

波动学初步27波动学——波的叠加原理两列波的合成：两列波同时传到某个质点时，质点的运动是两列波各自波动的线性叠加。两列波各自的性质都不发生变化。（波长，频率，波速等）。两列波的传播方向不发生改变，相遇结束后仍按原先的运动状态离开。波动传播的是能量，或者说是能流，所以不会发生物质的碰撞。§4-1

波动学初步2728波动学——波动的奇异现象：共振现象当振动的频率刚好等于物体的固有频率时，物体会发生剧烈振动，这种现象称为共振现象。鱼洗：盆内注入一定量清水用潮湿双手来回摩擦铜耳鱼洗发出的嗡鸣声如喷泉般的水珠从四条鱼嘴中喷射而出28§4-1

波动学初步29波动学——受迫振动的共振现象共振现象如何来解释呢？假设有一个周期力作用在一个弹簧振子上，则该振动方程可写为：29§4-1

波动学初步荡秋千：怎么推秋千荡的最高？3030波动学——共振现象导致桥梁垮塌当外力的频率与桥梁的固有频率接近时，桥梁就会发生共振。振动幅度极大增强，最终导致垮塌。极大的阵风；整齐踏步的行人；。。。。§4-1

波动学初步31光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（3）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应与康普顿效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理3132§4-2

光的本性波动光学——光是什么？光是一种什么样的波动呢？光波是机械波吗？光波与机械波的异同点是什么？相同点：都具有波的一切性质：反射、折射、干涉和衍射，服从波的叠加原理。波长、波速与频率具有相同的表达式。3233波动光学——光是什么？光波与机械波的不同点：产生机理不同；（举例）光波的传播不需要介质，而机械波必须有介质；光波是横波。光波在真空中速度一定，但在介质中传播会发生色散现象。（不同频率速度不同）；机械波在介质中的速度与频率无关。§4-2

光的本性3334光学——光的波动理论初步惠更斯原理：波面上的每一个点都可以认为是一个新的独立的波源。每一个新波源发出的波的包络面就是下一时刻的该波的波面。波动满足线性叠加原理。惠更斯原理实际上是指波动的线性叠加原理。§4-2

光的本性3435光学——惠更斯原理解释光的反射与折射光的反射原理波传播方向与波面垂直。波面是所有子波源传播的包络面。35§4-2

光的本性36光学——惠更斯原理解释光的反射与折射光的折射原理波在不同介质中传播速度不一样根据波面的概念能够得到折射率公式折射率公式——斯涅尔定律36§4-2

光的本性37光学——惠更斯原理解释光的反射与折射光的全反射光密介质到光疏介质临界条件—折射角等于90°全反射角的计算：§4-2

光的本性3738光全反射——光纤光纤利用光的全反射原理，将光限制在玻璃、石英或者塑料细丝内，可以进行远距离传输。38前香港中文大学校长高锟和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。§4-2

光的本性39光全反射——光纤如图所示，介质Ⅰ为空气，介质Ⅱ折射率为，则下列那种情况是正确的？介质Ⅰ介质Ⅱ30°光线a40°光线bA、光线a和光线b都会发生全反射；B、光线a和光线b都不会发生全反射C、光线a会发生全反射，光线b不会发生全反射D、光线a不会发生全反射，光线b会发生全反射§4-2

光的本性3940光学——光的衍射波经过障碍物时会发生绕行，也被称为光的衍射效应。光线通过小孔时，会原先的传播路径以外的地方出现。传播路径与小孔尺寸有什么关系？光线一矩形小孔时发生衍射效应，从而产生衍射斑纹。利用惠更斯原理解释光线的绕行现象§4-2

光的本性4041光学——神奇的光：费马原理A站在离岸一定距离的地方，看见B落入水中。设A在岸上的跑步速度为10m/s，水中的游泳速度为8m/s。A应该选怎样的路径，才能最快到达B处？耗时最少的路径不是AB之间的直线！41§4-2

光的本性42光学——神奇的光：费马原理光线在选择所有可能路径时，选取了一条所需时间最短的路径。——费马原理光波是怎么知道要沿最短路径走的呢？42光的折射公式！§4-2

光的本性43光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（3）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应与康普顿效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理4344§4-3电磁波光的本性——光波与电磁波的关系麦克斯韦提出了一个重要的假设：光是电磁波的一种，也满足电磁波的波动方程。光波是电磁波中的很小一段范围，是指肉眼可见的电磁波。光波的传播也是电分量与磁分量相互振荡的过程。4445光的本性——电磁波的基本性质电磁波的四个基本性质：1、电磁波是横波。2、偏振性。3、电场与磁场分量始终同相位。4、电磁波的传播速度为c。45§4-3电磁波46光的本性——电磁波谱电磁波包含了很长的波长范围：无线电波微波红外光可见光紫外光x射线射线46§4-3电磁波47光的本性——可见光谱可见光是人肉眼能够直接感知的电磁波。波长范围：380-780nm能够被人眼的感光细胞感知。光度学：光度学是1760年由朗伯建立的，且定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量。在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。色度学：色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。每个人的视觉并不是完全一样的。47§4-3电磁波48光的本性——光源的光谱光谱是物体所发出的光在不同频率上的分布。（不同颜色光所占比重）太阳光谱太阳光谱组成：紫外光：7%可见光：50%红外光：43%§4-3电磁波4849光的本性——光源的光谱常见人造光源的光谱：白炽灯白炽灯光谱49白炽灯的光谱组成：1、可见光；2、大量的红外光；§4-3电磁波白炽灯光效：１２～２４流明／瓦发光效率大概只有15%

50光的本性——光源的光谱常见人造光源的光谱：荧光灯荧光灯光谱50荧光灯光谱组成：1、主要是可见光2、有少量紫外光3、有少量红外光§4-3电磁波荧光灯光效：50～100流明／瓦能量效率大概50%左右

51光的本性——紫外消毒灯紫外消毒灯危害：51紫外消毒灯非常类似日光灯。2004年6月，人大46名研究生就餐被紫外消毒灯照射，全都出现眼肿和脸痛现象，其中11位学生情况更为严重，经医院检查血液发生异常。教室中的紫外消毒灯2004年10月，幼儿园老师忘记关掉宿舍内消毒杀菌的紫外线灯，致使27个孩子午休时被紫外线灼伤。Sundamageinultravioletphotographsin12-year-oldchildren§4-3电磁波52光的本性——光源的光谱新型光源LED灯：全固态照明光源LED光谱LED光源由半导体化合物组成，比如GaN，GaAs等。半导体分为p型和n型，能够组成pn结。在pn结中电子与空穴结合发出光子。LED中电能直接转化为光能，转化效率极高。52LED光效发展曲线。LED照明的亮度不再用瓦数来表示，应为LED光效每年都在大幅提高。衡量LED亮度采用流明/瓦。§4-3电磁波荧光灯光效：110~250流明／瓦

53光的本性——光源的光谱2014年的诺贝尔物理奖授予了三位日本科学家，表彰他们发明了_________.A、白光LEDB、红光LEDC、黄光LEDD、蓝光LED53§4-3电磁波54光的本性——光源的光谱2014年的诺贝尔物理奖授予了三位日本科学家，表彰他们发明和推动了LED照明技术。赤崎勇：日本国籍，日本工程学、物理学家。天野浩：日本国籍，日本工程学家。中村修二：日裔美籍，日裔美籍电子工程学家。赤崎勇天野浩中村修二§4-3电磁波5455LED照明LED白光照明解决方案：1993年，当时在日本NichiaCorporation（日亚化工）工作的中村修二（ShujiNakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的蓝光LED。§4-3电磁波5556光的本性——灯光下物体的颜色色度学和光度学的知识。56§4-3电磁波57光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（3）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应与康普顿效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理5758§4-4

光的干涉与衍射光的本性——光的干涉再探两列波在空间相遇，在有些波的叠加区域的振动始终加强，而有些波的叠加区域振动始终减弱，波在叠加区域形成振动强弱相间的稳定分布，称为干涉现象。☞产生的条件：1、频率相同；2、振动方向相同；3、相位差恒定。5859光的本性——光的干涉再探☑光程差=N*：干涉加强；☑光程差=N*+1/2：干涉相消。d为双缝间距；为P点到狭缝的夹角。明暗条纹是怎么产生的？59§4-4

光的干涉与衍射60光的本性——薄膜干涉薄膜干涉的原理：光线在薄膜上表面和下表面发生反射，两条反射的光线发生干涉。奇数倍半波长，干涉相消。偶数倍半波长，干涉相长。60☑光程差=N*：干涉加强；☑光程差=N*+1/2：干涉相消。§4-4

光的干涉与衍射61光的本性——薄膜干涉增透薄在玻璃镜片表面蒸镀一层透明材料。通过控制这层透明材料的厚度，使反射两束光线相差半波长。反射光干涉相消，透射光增强。眼镜表面的增透膜：增加30%的光线透过率。61§4-4

光的干涉与衍射62光的本性——薄膜干涉生活中有哪些地方应用增透膜？眼镜望远镜。。。。。。。有增透膜，就也有增反膜，原理刚好和增透膜相反。宝石表面，特别是人造宝石表面会镀上一层增反膜，提高宝石的成色。62§4-4

光的干涉与衍射63光的本性——小孔衍射光线通过尺寸与波长相近的小孔时，会发生明显的衍射现象。需要掌握衍射条纹宽度与小孔尺寸之间的关系！63衍射效果与波长大小和小孔尺寸大小都有关系：波长越长，衍射效果越明显；小孔尺寸越小，衍射效果越明显。§4-4

光的干涉与衍射64光的本性——小孔衍射在拍摄夜景的照片中常会出现灯光发出多条光芒的“星芒”图像，这是灯光通过相机小光圈镜头时由于_________产生的效果。A、偏振效应B、干涉效应C、衍射效应D、光电效应§4-4

光的干涉与衍射6465光的本性——星芒效果大家是否看到过带星芒效果的摄影作品？星芒效果实际上就是光的衍射效果。星芒效果实际上是和光圈大小直接相关。65§4-4

光的干涉与衍射66光的本性——星芒效果六芒星十芒星十四芒星§4-4

光的干涉与衍射6667光的本性——圆孔衍射圆孔的衍射图案是一圈圈同心圆，这是由于圆孔的对称性决定的。由于衍射的存在，任何光学元件的成像都不可能完全清晰。光学元件成像的分辨率极限是什么？§4-4

光的干涉与衍射6768光的本性——镜头分辨率光学镜头的极限分辨率是多少呢？一个点经过光学仪器后，由于衍射效应的存在，会变成一个圆斑。当两个圆斑靠近到一定程度时，就无法进行分辨。可分辨的极限情况是一个圆斑的外径刚好通过另一个圆斑的圆心§4-4

光的干涉与衍射6869光的本性——镜头分辨率极限圆孔衍射第一条暗纹所对应的张角：θ是S1与S2到小孔之间的夹角。值越小，分辨能力越高；λ为光波波长；D为小孔直径。§4-4

光的干涉与衍射6970光的本性——镜头分辨率镜头的最小分辨角（分辨率）公式：70为了提高镜头分辨率，减小最小可分辨角：1、可以减小波长；2、增加镜头直径。中国将投资60亿元用于十二项大科学工程的建设，并将在贵州建造世界上最大的望远镜§4-4

光的干涉与衍射71光的本性——镜头分辨率镜头的最小分辨角（分辨率）公式：71一般显微镜镜头不可能做得很大，所以提高显微镜分辨率只有减小其工作波长。1、可见光范围380~780nm，提升效果有限；2、紫外光范围100~250nm，已应用到半导体制造行业；3、电子显微镜：利用电子波的波长与其动能有关，且远小于光学波长。西番莲属植物花粉§4-4

光的干涉与衍射72光的本性——镜头分辨率衍射效应的大幅减小，使得电子显微镜比光学显微镜具有更高的分辨率，这是因为电子显微镜中的电子比可见光子的_______A、波长更大B、波长更小C、电荷更大D、质量更大§4-4

光的干涉与衍射7273光的本性——光的偏振光是横波，电场和磁场的振动方向与波的传播方向垂直。光的偏振方向定义为电场的振动方向。自然光线偏振光圆偏振光部分偏振光。。。73§4-5

光的偏振74光的本性——光的偏振自然光（非偏振光）通过偏振片后，只有偏振方向与偏振片一致的光的分量能够通过。§4-5

光的偏振7475光的起偏自然光（其他偏振光）经过一块偏振片后，就变成线偏振光，其偏振方向与偏振片的偏振方向相同。光学检偏器：1、在光源前放置一块偏振片，是光源发出的光变成线偏振光；2、再在后面放置第二块偏振片，测量光强。3、当两片偏振片相互垂直时，光强为零；当相互平行时，光强最大。§4-5

光的偏振7576光的起偏在杨氏双缝干涉实验中，如果在双缝前面放置两片完全一样的偏振片。当这两片偏振片相互______时，能够在屏上观察到明显的干涉条纹。P1P2干涉条件：1、频率相同2、偏振方向相同3、恒定的相位差平行§4-5

光的偏振7677光的起偏——布儒斯特角1、自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光。2、只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θb表示。3、光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。§4-5

光的偏振7778光的起偏——布儒斯特角当一束光以60°入射角照射到一个透明介质上，反射部分的光为线偏振光，则下列选项哪个是正确的?A、折射角未知，折射光线也为线偏振光；B、折射角为30°，折射光线为部分偏振光；C、折射角未知，折射光线为部分偏振光D、折射角为30°，折射光线为线偏振光§4-5

光的偏振7879光的本性——散射光的偏振太阳光以及一般的照明光源都是非偏振光。散射光、反射光是部分偏振光。防眩目眼镜3d电影技术。。。。79偏振光的应用：§4-5

光的偏振803d电视技术我们的两只眼睛之间存在约5cm的距离。两只眼睛看到的图像经过大脑处理，就形成了三维视觉（物体有了景深）。在了解了人眼产生立体感的原理后，一个问题是如何使显示屏也具有立体感。80§4-5

光的偏振813d电视技术早期的3d技术采用红蓝两种颜色区分左右画面.目前采用偏振片的方法，来区分左右眼的图像。左右眼镜的偏振方向垂直。§4-5

光的偏振8182光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（3）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应与康普顿效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理8283§4-6

光的波粒二象性光的本性——光电效应电子逸出功：光电效应：83电子克服表面吸引力的吸引,从材料表面逸出所需的能量,称为逸出功或者功函数。光电效应：1890年前后，科学家们开始注意到：当可见光和其它电磁辐射照在一块金属表面上时，这些辐射能够从金属表面打出电子，这就是光电效应。84光的本性——光电效应光电效应：电子吸收光能量，增加了动能，克服金属表面的吸引力，从金属表面脱离。84振动的电磁场对金属表面的带电粒子施加一个振动力。电磁场越来越厉害地摇晃这些粒子直到结合最松散的电子被摇下来。电磁波辐射理论对光电效应的定性解释是：§4-6

光的波粒二象性85光的本性——光电效应光电效应：存在截止频率：只有当光频率大于某一最小频率，才能将金属表面电子打出来；产生时间极快：光打到金属表面的瞬间，就有电子飞出来（时间小于1纳秒）；存在遏止电压：只有在金属电极间加一反向电压，才能阻止电子从金属表面跑出。85§4-6

光的波粒二象性86光的本性——光电效应存在截止频率：861、并不是所有的光都能将电子从金属表面打出来；2、存在一个最小频率，只有大于这个频率的光才能发生光电效应。这一频率称为极限频率；3、极限频率只跟金属种类有关，与光强度无关。§4-6

光的波粒二象性87光的本性——光电效应产生速度极快：871、光子打到金属表面的瞬间，电子就跑出来了；2、电子能量的积累不需要时间，非常类似刚性小球间的碰撞；3、这一点与波动过程中小球的能量积累相矛盾。§4-6

光的波粒二象性88光的本性——光电效应存在遏止电压：881、当电子被打出金属表面后，由于有剩余动能，会跑到集电极，产生光电流。2、要使这部分光电流为零，必须加一反向电压，使电子动能为零，这一反向电压称为遏止电压。3、遏止电压与光子频率和金属种类有关。§4-6

光的波粒二象性89光的本性——波粒二象性光子能量：爱因斯坦的光量子理论：891、光即具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性；2、光子的能量只与频率有关，与光强无关。光强：§4-6

光的波粒二象性90901、黄光的波长为570nm，试计算它的频率和组成它的光子能量。（5.26x1014Hz,3.49x10-19J)解：§4-6

光的波粒二象性91光的本性——波粒二象性光电效应方程：电子出射初动能等于光子能量减去材料的逸出功。材料的逸出功是材料固有属性。91§4-6

光的波粒二象性92光的本性——波粒二象性存在极限频率：92极限频率极限波长§4-6

光的波粒二象性93光的本性——光电效应存在遏止电压：931、遏止电压做的功等于电子动能。遏止电压与光子频率f和电子逸出功W有关。§4-6

光的波粒二象性94光的本性——波粒二象性1、对于同一种金属，光子频率一定，遏止电压也固定；2、对于统一频率的光子，光强反映了光子的数量。这解释了为什么光电流趋于饱和：光强一定，则光电子数量有限，所有的电子参与导电了，光电流就饱和了。§4-6

光的波粒二象性949595当紫外线照射某金属表面时有电子逸出，若增加该紫外线的强度，则

。a．逸出电子的初动能增加；b．光电效应的极限频率变小；

c．单位时间内逸出的光电子数增加；d．打出电子所需的时间缩短。§4-6

光的波粒二象性969619、巳知某金属的逸出功为3.2eV，则该金属的极限波长为λmax=

；若用某紫外线照射该金属，其逸出光电子的最大初动能为0.28eV，则该紫外线的波长为λ=

nm。387.5nm356.3§4-6

光的波粒二象性97已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是1.2eV，而钠的红限波长是540nm，那么入射光的波长_____nm。

hc＝1.24纳米.千电子伏特§4-6

光的波粒二象性9798光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（3）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应与康普顿效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理989999当光束通过光学性质不均匀的介质（如：雾、含有悬浮微粒的液体等）时，会发生部分光线偏离原来传播方向的现象，从而从侧面可以看到光的现象，称为光的散射（瑞利散射、正常散射）。光的颜色偏红白光光的颜色偏蓝悬浊液（微粒线度小于波长）如：在清水中加入少量牛奶这能解释为什么大海是蓝色的。§4-6

光的波粒二象性100光的本性——康普顿效应在1922—1923年间，美国科学家康普顿研究了X射线射经过石墨等物质的散射现象，发现：X射线被散射后，除部分波长没有改变外，还有部分波长变长，这种现象称为康普顿效应（康普顿散射）。康普顿因此荣获了1927年Nobel物理学奖。100§4-6

光的波粒二象性101101§4-6

光的波粒二象性102光的本性——康普顿效应康普顿效应反映了光与电子的相互碰撞光子与物质（电子）相互作用应符合：动量守恒能量守恒康普顿效应与光电效应在本质上是相同的，都是光子与电子的相互作用。102§4-6

光的波粒二象性103光的本性与电磁波（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（3）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理103104§4-7

多普勒效应光的本性——多普勒效应当鸣笛的火车开向站台，站台上的观察者听到的笛声变尖，即频率升高；相反，当火车离开站台，听到的笛声频率降低。多普勒效应视频104105光的本性——多普勒效应当波源与观察者有相对于传播介质有运动时，观察者接收到的频率与波源发出的频率有差异的现象称为多普勒效应（

Dopplereffect）固有频率f0：当波源与观察者之间没有相对运动时，观察者接受到的频率称为波源的固有频率；接受频率f’：指单位时间观察者接收到的完整波的数目。§4-7

多普勒效应106光的本性——多普勒效应当波源不动时，观察者以VR速度朝波源移动。2、当观察者相对介质以VR远离波源VR<01、当观察者相对介质以VR靠近波源VR>0§4-7

多普勒效应107光的本性——多普勒效应当观察者不动时，波源以Vs速度朝观察者移动。2、当波源相对介质以VS远离观察者VS<01、当波源相对介质以VS靠近观察者VS>0§4-7

多普勒效应108光的本性——多普勒效应当波源和观察者都移动时，总的多普勒公式：§4-7

多普勒效应108109光的本性——多普勒效应【例题1】声源静止，发出100Hz声波，声速340米/秒。人以3.4米/秒的速度驾车背离声源而去，则人听到声音的频率是____________。§4-7

多普勒效应109110110【例题3】车上一警笛发射频率为1500Hz的声波,该车以20m/s的速度向某方向运动，某人以5m/s的速度跟踪其后，已知空气声速为330m/s。求该人听到的警笛发声频率.§4-7

多普勒效应111111一辆救护车以33.5m/s的速度行驶在高速公路上，它的警笛所发出声波的频率为400Hz,声速是343m/s。一辆客车以24.6m/s的速度向救护车开来，当客车开近和离开救护车时，客车中乘客所听到的警笛声的频率各是多少？当客车开近救护车时，乘客听到的频率为：当客车离开救护车时，乘客听到的频率为：§4-7

多普勒效应112光的本性——多普勒效应的应用多普勒效应具有很多的应用：彩色B超112蝙蝠的回声定位不是多普勒效应。多普勒效应指通过比较反射波的频率判断飞虫的飞行方向和速度。通过声纳判断鱼群的速度§4-7

多普勒效应113光的本性——多普勒效应的应用多普勒效应具有很多的应用（电磁波）113§4-7

多普勒效应114光的本性——多普勒效应光波也有相同的效应，称为光波的多普勒效应。当光源远离观察者时，光源发出的光红移(长波长移动)；当光源靠近观察者时，光源发出的光蓝移(短波长移动)；天文学:来自遥远银河系光的波长变长(红移),频率变小。彼此远离→宇宙膨胀(大爆炸理论)比如：假如一个星体发射550nm的光。如果这颗星体靠近我们时，我们观察到它发的光蓝移，比如变成500nm；如果这颗星体远离我们时，我们观察到它发的光红移，比如，变成600nm§4-7

多普勒效应115物理学的发展——2005年世界物理年下面的三角锥代表过去：逝去的时光总是远离我们，而远离我们的光线则发生了红移；上面的三角锥代表未来：未来的时光总是不断接近我们，而接近我们的光线则发生了蓝移；2005年物理年为了纪念爱因斯坦提出狭义相对论100周年。沙漏的图形表示时间流逝，同时符合爱因斯坦提出的世界线的概念。§4-7

多普勒效应116习题宇宙大爆炸理论始于哈勃的一项观测：所有恒星发出的光的波长都增大了，以此可以推断宇宙在膨胀而所有恒星都在远离我们而去。这个推断是依据___________。A、光速不变原理B、光的干涉效应C、光的衍射效应D、光的多普勒效应§4-7

多普勒效应116117习题医院里通过超声波血流仪测量人体中血液的流速可以诊断心血管疾病，其测速原理是依据了___________。A、波的偏振效应B、波的干涉效应C、波的衍射效应D、波的多普勒效应利用多普勒效应测量血流的速度§4-7

多普勒效应117118什么是激光？激光的英文名称是Laser，音译为“莱塞”，台湾人译为“镭射”。它是由全称“LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation”（受激辐射引起的光放大）每个单词的第一个字母所组成的。

1964年10月我国著名科学家钱学森建议称为“激光”，以明确地表示是光的受激发射，得到采纳，沿用至今。118

自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后，足足经过了40年，直到1958年，两位美国微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw）发表了著名论文《红外与光学激射器》，指出了以受激辐射为主的发光可能性，以及必要条件是实现“粒子数反转”。§4-8

激光原理119119查尔斯.汤森（C.H.Townes，1915—）1951年提出maser（梅塞）（受激发射的微波放大器）的概念；1953年制出世界上第一台maser；1958年论述了laser的基本原理；1964年获诺贝尔物理学奖。照片是2002年6月17日在清华大学举办的前沿科学国际研讨会（庆贺杨振宁先生80华诞）上，汤森教授做学术报告。报告题为“TheLaser:WhatItDoesandHowItHappened”§4-8

激光原理120什么是激光？特点：光谱连续；发光波长随物体温度变化而变化。普通光产生的原理分为两种：1、电子热运动：带电粒子的加速运动会向外辐射电磁波——红外线（热辐射）§4-8

激光原理121什么是激光？特点：光谱分立；发光波长固定，与发光体状态关系很小。121普通光产生的原理分为两种：2、原子辐射：电子在不同占据轨道上跃迁所发出的电磁波。§4-8

激光原理122原子辐射原子辐射分为两种：1、自发辐射2、受激辐射自发辐射：高能级电子自发的向低能级跃迁，同时放出一个光子。122特点：自发的，随机的；各光子之间没有相关性；普通的发光光源；§4-8

激光原理123什么是激光？辐射的逆过程：共振吸收特点：原子中电子能级是分立的；只有能量等于能级差的光子才能被吸收；光子能量必须严格等于两能级间的能量差。§4-8

激光原理123124什么是激光？原子辐射：受激辐射当有大量的电子处于高能级时，一个相同能量的光子会激发其他电子同时发生跃迁。特点：1、所有光子具有相同能量2、相同相位3、相同偏振方向。受激辐射实际上是一个光放大的过程！§4-8

激光原理124125激光的基本原理激光的产生粒子数反转：系统中处于高能级的电子数要多于处于低能级的电子数。存在光学谐振腔：为了使光不停的放大。在激光器两侧安置高反射率的透镜，使光能不断反射增强，达到激射的要求。用电或者光激励等手段将大量电子激发到高能级(激励源)E2E1§4-8

激光原理126什么是激光？粒子数反转：即高能级电子数量多于低能级电子数量。这一点是很难实现的！1、高能级电子会跃迁到低能级，同时放出能量。2、这一跃迁速度非常快，约在1纳秒量级。3、需要存在一个亚稳态，形成三能级系统实现粒子数反转。三能级系统示意图§4-8

激光原理126127世界上第一台激光器—红宝石激光器的工作原理§4-8

激光原理127128128红宝石激光器形成激光的理论解释粒子数反转§4-8

激光原理129习题激光是一种通过受激辐射后形成光放大的新型相干光源，在激光器部件中激励源的主要作用是____A、使原子自发辐射B、使原子受激辐射C、形成粒子数反转

D、受激辐射后形成光放大§4-8

激光原理129130什么是激光？激光的种类：（根据工作物质可分为）气体激光器（氦氖激光器，CO2激光器等），结构简单，输出功率大固体激光器（YAG激光器，光纤激光器等），体积小，输出功率大半导体激光器（GaN激光器，InP激光器等），体积小巧，易于集成染料激光器（用颜色染料作为工作介质)，激发波长可以连续调节§4-8

激光原理130131什么是激光？激光的特点：方向性好单色性好相干性好能量密度大激光具有很好单色性激光具有很高亮度激光具有很好的准直性激光具有很大能量亮度激光测角仪§4-8

激光原理131132光纤激光器激光的用途1、光纤通信（包括信息存储）2、指示用（激光笔，准直器）3、金属切割（大功率激光器）4、激光武器（超大功率激光器）5、医疗手术（去除黑色素）6、。。。。激光不能用来做普通照明光源，为什么？激光武器激光加工激光去色素激光警告标志§4-8

激光原理132133习题1921年诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，主要表彰他提出了______A、狭义相对论B、广义相对论C、光电效应

D、受激辐射理论§4-8

激光原理134习题激光的发光机制是受激辐射，实现受激辐射的前提是激光介质具有亚稳态能级以形成粒子数反转，而亚稳态的存在是_________的理论预言的A、量子论B、相对论C、波尔模型

D、量子力学§4-8

激光原理135习题激光具有广泛的应用，采用不同介质的激光器具有不同的特性，可以连续改变波长的_______A、固体激光器B、气体激光器C、液体激光器

D、半导体激光器(染料激光器)§4-8

激光原理136教学内容（1）振动的基本概念与物理量、波动的基本概念与物理量。（2）光是电磁波，光学与电磁学的统一；电磁波与电磁波谱。（3）牛顿的光的微粒说；惠更斯的光的波动说。（4）光的干涉、衍射和偏振现象,以及它们的实际应用。（5）光电效应（6）多普勒效应及其应用。（7）激光基本原理，激光器的结构以及激光技术应用。§4-9

光学复习137教学要求（1）了解简谐振动的描述及其振幅、频率、相位三要素；了解简谐波的描述及其波速、频率、波长三要素；掌握基本波动方程；了解横波与纵波。波动方程：§4-9

光学复习138教学要求（2）了解麦克斯韦电磁场理论的建立与电磁波的发现，理解光是一种电磁波。了解电磁波谱的分类及其各波段的特性和产生机理。无线电波微波红外光可见光紫外光x射线射线§4-9

光学复习139教学要求（3）了解历史上牛顿的光的微粒说和惠更斯的光的波动说对于光的本性的争论。了解支持光波动说的重要实验。了解解释光具有粒子性的两个重要实验。光的波动性：杨氏双缝干涉实验。珀松圆斑实验。单缝衍射实验。。。。。光的粒子性：光电效应实验康普顿效应实验§4-9

光学复习140教学要求（4）了解波的叠加原理和波的干涉现象，理解波的相干条件；了解惠更斯原理和波的衍射现象，理解波的衍射条件；了解光的偏振现象；了解光的干涉、衍射和偏振在实际生活中的广泛应用。干涉条件：1、频率相同；2、振动方向相同；3、相位差恒定。惠更斯原理光的干涉等现象在生活中的应用§4-9

光学复习141教学要求（5）理解声波的多普勒效应公式；了解多普勒效应在高科技中的应用。声波的多普勒效应分辨清Vob，Vs的正负号。§4-9

光学复习142§4-7

光学复习教学要求（6）了解普通光源的自发辐射与激光的受激辐射的区别；理解激光的基本原理；了解激光器的基本结构及其激光技术的广泛应用。自发辐射：电子随机的从高能级向低能级跃迁，相互之间没有联系。受激辐射：处于高能级的一个电子受到具有相同能量的光子的激发而发生跃迁的过程。受激辐射中产生了两个完全相同的光子，实现光放大。激光器的基本结构：具有粒子数反转的工作介质；光学谐振腔；§4-9

光学复习142143教学要求（7）了解LED照明技术的基本优点；了解LED固态照明与传统照明技术的区别；了解LED的应用范围以及未来的应用前景。光效高，节能。亮度，颜色可调。体积小，可安装在狭小位置。寿命高，不含汞等重金属。光束定向性好。光辐射安全性好。§4-9

光学复习1431441.电磁波主要成员包括哪些？无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线2.电磁波的主要性质是哪些？偏振性、同相性、横波性、光速恒定为c3.在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显著？声波波长远大于光波4.真空波长为560nm的光，其频率是多少？略。5.人眼所能观察的电磁波波长是多少范围？380-780nm§4-9

光学复习1451456、照像机和眼镜的镜片上常常涂上一层增透膜以增加光通量，增透膜是利用了光的。a．干涉现象；

b．衍射现象；

c．偏振现象；

d．光电效应。§4-9

光学复习1461468、电子显微镜可以观察到比细胞更小的物质结构，可以通过

，来提高电子显微镜的放大能力。a．增加电子的数目；b．提高电子的动能；c．增加电磁波的强度；d．提高电磁波的频率。§4-9

光学复习1479、某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增加蓝光的强度，则（A）单位时间内逸出的光电子数增加。（B）逸出的电子的初动能增加。（C）光电效应的红限频率变小。（D）打出电子所需的时间缩短。147§4-9

光学复习14814811、光是电磁波，具有偏振性，因而光波的振动方向与传播方向

。a．互相垂直；

b．互相平行；

c．两者相同；

d．两者相反。§4-9

光学复习14914912、电子显微镜具有比光学显微镜更高的放大能力，电子显微镜能够放大微小物体的关键是利用了

的特性。a．电子线路；

b．电子能量；

c．电磁波；

d．物质波。§4-9

光学复习1