中山大学课件-普物-光学

光学概述光学是物理学的一个分支，研究光的性质和行为。光学涉及各种现象，包括光的反射、折射、干涉、衍射和偏振。光的性质11.波粒二象性光具有波动性和粒子性，体现了光的波粒二象性。22.电磁波光是一种电磁波，它以横波的形式传播。33.光速光在真空中传播的速度约为每秒299,792,458米。44.光谱光谱是指不同颜色的光按波长或频率排列而成的图案。光的传播直线传播在均匀介质中，光沿直线传播。反射光遇到障碍物或介质界面时，会改变传播方向，返回原来介质中，这种现象叫反射。折射光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生改变，这种现象叫折射。衍射光在传播过程中遇到障碍物或孔径时，会偏离直线传播的现象，叫做光的衍射。干涉两束或多束光波叠加时，在叠加区域内出现光强加强或减弱的现象，叫做光的干涉。光的直线传播1直线传播光在均匀介质中沿直线传播，这是光的最基本性质之一。2光线为了方便研究光线传播的路径，我们将光传播的方向用一条直线表示，这条直线称为光线。3实例例如，当光束穿过小孔时，它会在墙上形成一个清晰的亮斑，表明光线沿直线传播。光的反射镜面反射光线照射到光滑表面时，反射光线遵循反射定律，反射光线与入射光线和法线在同一平面内，反射角等于入射角。漫反射光线照射到粗糙表面时，反射光线向各个方向散射，这是我们看到物体的基础。反射现象反射现象广泛存在于生活中，例如镜子、水面、墙壁等，都是常见的反射面。光的折射光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变的现象。折射角小于入射角，当光线从空气进入水或玻璃时，光线会弯向法线。折射率是指光在真空中的速度与在该介质中的速度之比，它反映了介质对光的折射能力。全反射光线方向当光线从光密介质进入光疏介质时，入射角大于临界角时，光线将无法从界面射出，而是全部反射回光密介质中。临界角临界角是光线从光密介质进入光疏介质时，折射角为90度时的入射角。应用全反射现象广泛应用于光纤通信、显微镜、望远镜等领域。棱镜棱镜是一种透明的、具有折射光线能力的材料。棱镜通常由玻璃或其他透明材料制成，具有特定形状，例如三角形或多面体。当光线穿过棱镜时，它会发生折射，导致光线偏转。折射量取决于棱镜的材料、形状以及入射光的角度。由于不同颜色光的折射率不同，光线穿过棱镜时会分离成不同的颜色，形成彩虹。凸镜凸面镜的形状凸镜是表面向外凸起的镜面，它具有反射光线的能力。凸镜的应用凸镜可以将光线汇聚，因此常用于望远镜、显微镜等光学仪器。凸镜的成像凸镜成像的特点是虚像、正立、缩小，图像位于镜后。凹镜凹镜也称凹面镜，是指表面向内凹陷的镜面。凹镜可以将平行光线汇聚到一点，这个点称为焦点。凹镜的应用十分广泛，例如汽车的车灯、天文望远镜、太阳能热水器等。凸透镜的成像1倒立放大实像物体在2倍焦距之外2等大倒立实像物体在2倍焦距处3倒立缩小实像物体在1倍焦距和2倍焦距之间4正立放大虚像物体在1倍焦距之内凸透镜成像规律取决于物体到透镜的距离，当物体在2倍焦距之外时，成倒立放大实像；当物体在2倍焦距处时，成等大倒立实像；当物体在1倍焦距和2倍焦距之间时，成倒立缩小实像；当物体在1倍焦距之内时，成正立放大虚像。凹透镜的成像1虚像总是缩小的2正立位于物體和透镜之间3无法投影因为光线不会交汇凹透镜总是形成虚像，它们总是缩小的，并且位于物體和透镜之间。由于光线不会交汇，因此无法投影这些虚像。眼睛的构造人眼是一个精密的光学系统，由眼球和附属结构组成。眼球分为外层、中层和内层，其中外层包括角膜、巩膜和虹膜，中层包括睫状体、脉络膜，内层包括视网膜。角膜是透明的薄膜，起着折射光线的作用。巩膜是眼球外壁的主要部分，保护眼球内部结构。虹膜是眼球的色素层，控制瞳孔的大小，调节进入眼球的光量。睫状体可以调节晶状体的曲率，使眼睛可以看清近处或远处的物体。脉络膜是眼球的中层，为眼球提供营养物质和氧气。视网膜是眼球的内层，包含感光细胞，将光信号转化为神经信号，传递给大脑。视觉形成眼睛是人类重要的感官器官，帮助我们感知周围的世界。通过光线进入眼睛，最终形成视觉。眼睛就像一个精密的光学仪器，拥有多个关键结构，共同协作完成视觉过程。1大脑处理视觉信息2视神经将视觉信息传递到大脑3视网膜接收光线并将其转换为电信号4晶状体聚焦光线5角膜保护眼睛，折射光线视力检查检查目的检查视力情况，评估眼部健康。测试类型视力表测试，色觉测试，眼压测试，眼位测试。专业人士由眼科医生或视光师进行专业检查。光的干涉薄膜干涉薄膜干涉现象，如肥皂泡上的彩色条纹，是由光波在薄膜上下表面反射时发生干涉形成的。杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉实验，是最著名的干涉现象之一，它表明光具有波动性，两束光波在相遇时会发生干涉。干涉条纹干涉条纹是光波干涉的结果，其颜色和形状取决于光波的波长和入射角。薄膜干涉薄膜干涉现象薄膜干涉是指当光线照射到薄膜上时，由于光波在薄膜上下表面反射发生干涉，形成明暗相间的条纹。条件产生薄膜干涉需要满足两个条件：薄膜的厚度要远小于入射光的波长，且薄膜的两个表面必须是平行的。应用薄膜干涉在生活中有着广泛的应用，例如：肥皂泡、油膜、薄膜干涉滤光片等。原理薄膜干涉的原理是光波的干涉现象，当光波在薄膜上下表面反射时，由于光程差的不同，会产生干涉现象，形成明暗相间的条纹。光的衍射光的衍射是光波绕过障碍物或孔隙传播的现象。它与光的直线传播不同，光的衍射表明光具有波动性。衍射现象在生活中随处可见，例如，透过窗帘缝隙的光线会形成条纹图案，这是因为光线在穿过缝隙时发生了衍射。此外，在CD或DVD的光盘表面可以看到彩虹色的光，也是衍射现象的一种表现。衍射光栅衍射光栅原理衍射光栅由许多等间距的平行狭缝组成。当光线照射到光栅上时，光线会发生衍射，并产生一系列的衍射光束。衍射光束的强度和方向取决于光栅的狭缝宽度和间距。偏振偏振光偏振光指电场振动方向保持在某个特定平面内的光波。自然光通常是无偏振的，电场振动方向随机分布。偏振滤光片偏振滤光片是一种可以过滤掉特定方向上振动的光的滤光片。偏振滤光片通常用于摄影、显微镜和太阳镜，以减少眩光和提高图像质量。偏振振动方向偏振光的振动方向是指电场矢量振动方向。自然光中电场矢量的振动方向是随机的，而偏振光中的电场矢量振动方向则在一个特定的平面内。偏振光可以通过多种方式获得，例如通过偏振片或反射。偏振仪器11.偏振片偏振片是一种可以将自然光转换为偏振光的器件，它由具有偏振方向的材料构成。22.偏振棱镜偏振棱镜利用双折射现象，将入射光束分成两束偏振方向不同的光束。33.偏振仪偏振仪器是利用偏振片或偏振棱镜，测量光束的偏振状态或产生偏振光的设备。光的散射光的散射指的是光波在传播过程中遇到障碍物或介质时发生偏离原来传播方向的现象。这种偏离是由于光波与障碍物或介质中的微粒发生相互作用而引起的。散射现象在生活中很常见，例如阳光穿过云层形成的光晕，以及蓝色的天空都是光的散射现象。布氏散射光散射类型布氏散射是一种光散射现象，当光遇到比光波长大的粒子时，发生散射。散射特性与入射光波长无关，各个方向的散射强度相同，但散射光保持光的偏振方向。现实应用在生活中，布氏散射现象是光线在云层、雾气、乳液等介质中的散射现象，导致天空呈现灰白色。瑞利散射小粒子散射当光波遇到比其波长小的粒子时发生散射。波长影响散射光的强度与入射光波长的四次方成反比。天空颜色蓝色光波长较短，更容易被散射，导致我们看到蓝色的天空。人眼的色散光线的色散人眼可以感知不同颜色，这是由于不同波长的光线在眼睛中被折射到视网膜上不同位置的结果，形成不同颜色。虹膜的色散虹膜中的色素会吸收某些波长的光线，反射其他波长的光线，从而影响我们看到的颜色。视网膜的色散视网膜上的感光细胞对不同波长的光线敏感度不同，因此我们能感知到不同的颜色。大气色散大气色散指的是太阳光在大气层中传播时，由于不同波长的光被大气层中的空气分子和气溶胶散射程度不同而导致的光谱分离现象。由于蓝光比红光更容易被散射，所以我们看到的天空是蓝色的。而当太阳光从地平线附近穿过大气层时，光线经过更长的距离，蓝光被散射得更多，所以我们看到的日出和日落时太阳呈现红色。颜色和光谱可见光谱彩虹的颜色正是可见光谱的体现，包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。波长和颜色不同颜色对应不同的波长，红光波长最长，紫光波长最短。光谱分析通过对光谱的分析，可以了解物质的组成和性质，例如元素的种类和含量。光的波动性波动特性光具有波的特征，能发生衍射和干涉现象。波长光波的波长范围很广，从无线电波到伽马射线。光的粒子性1光电效应金属表面在光照射下发射电子的现象，光子能量足够大可以使电子脱离金属束缚，从而产生光电流。2康普顿效应光子与电子发生碰撞，光子损失一部分能量