中山大学课件-普物-光学

光学：探索光的奥秘欢迎来到中山大学普通物理学光学课程。我们将深入探讨光的本质、特性及其广泛应用。让我们开始这段激动人心的光学之旅。光的性质波动性光表现出波的特性，如干涉和衍射。粒子性光也具有粒子特性，如光电效应中的光子。直线传播在均匀介质中，光沿直线传播。电磁波光是电磁波的一种，具有电磁场的特性。光的波动性波长光的波长决定了其颜色。可见光的波长范围约为380-780纳米。频率光的频率与波长成反比。频率越高，能量越大。波动特性光表现出干涉、衍射等波动现象，证实了其波动本质。光的直线传播光源发出光线的起点。传播路径在均匀介质中，光沿直线传播。成像利用光的直线传播原理形成影像。光的衍射定义光遇到障碍物边缘时，会绕过障碍物传播的现象。原理基于惠更斯-菲涅耳原理，每个波阵面上的点都可视为次波源。应用光栅光谱仪、X射线晶体结构分析等领域广泛应用衍射原理。光的干涉1相干光源两束光源必须具有相同频率和恒定相位差。2光程差两束光传播路径的光程差决定干涉结果。3干涉条纹形成明暗相间的干涉图样。4应用干涉技术广泛应用于光学测量和薄膜制造。薄膜干涉肥皂泡日常生活中最常见的薄膜干涉现象。镀膜利用薄膜干涉原理制造防反射镀膜。测量用于精密测量微小距离和厚度。有限孔径衍射1菲涅耳衍射2夫琅禾费衍射3艾里斑4分辨率极限有限孔径衍射影响光学仪器的成像质量和分辨率。了解这一现象对优化光学系统至关重要。光的折射定义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。斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，其中n为折射率，θ为入射角和折射角。应用透镜、光纤通信等技术都基于光的折射原理。全反射1临界角2全反射条件3光纤通信4棱镜应用全反射是光从光密介质射向光疏介质时，当入射角大于临界角时发生的现象。它在光纤通信和光学仪器中有重要应用。棱镜色散棱镜可将白光分解成不同颜色的光。全反射利用全反射原理改变光路方向。光谱仪棱镜是构建光谱仪的重要光学元件。透镜成像物体被观察或成像的目标。透镜利用折射原理改变光路。像形成的图像，可能是实像或虚像。成像公式1/u+1/v=1/f，u为物距，v为像距，f为焦距。近视、远视和老视近视远处物体的像落在视网膜前，需要凹透镜矫正。远视近处物体的像落在视网膜后，需要凸透镜矫正。老视晶状体调节能力下降，需要使用双焦或渐进镜片。眼睛的构造眼球结构包括角膜、虹膜、晶状体、视网膜等重要组成部分。视网膜包含感光细胞（视锥细胞和视杆细胞），负责将光信号转化为神经信号。光学系统角膜和晶状体共同构成眼睛的光学系统，将光聚焦在视网膜上。眼球的调节1瞳孔调节虹膜控制瞳孔大小，调节进入眼球的光量。2晶状体调节睫状肌控制晶状体形状，实现对不同距离物体的清晰成像。3暗适应视网膜中的视杆细胞对弱光敏感，需要时间适应黑暗环境。4明适应进入明亮环境时，视锥细胞逐渐接管视觉功能。色散和色差色散不同波长的光在介质中传播速度不同，导致折射率不同。色差由色散引起的光学系统成像缺陷，影响图像质量。校正方法使用消色差透镜组或反射式光学系统来减少色差。光的色散1白光2棱镜3色散4光谱5应用色散现象解释了彩虹的形成原理。它在光谱分析、光学仪器设计等领域有重要应用。通过研究物质的色散特性，我们可以了解其光学性质。色差1轴向色差不同波长的光在光轴上的焦点位置不同。2横向色差不同波长的光在像平面上的放大率不同。3消色差设计通过组合不同材料的透镜来减少色差。4应用考虑在高精度光学系统设计中必须考虑色差影响。光的偏振横波性质光的电磁场振动方向垂直于传播方向。偏振器可以产生或分析偏振光的光学器件。应用广泛用于光学显示、应力分析等领域。偏振光的性质线偏振光电场振动方向在空间保持不变的偏振光。圆偏振光电场振动方向随时间呈圆周运动的偏振光。椭圆偏振光电场振动方向随时间呈椭圆运动的偏振光。偏振光的应用LCD显示液晶显示器利用偏振光控制像素明暗。应力分析通过偏振光观察材料内部应力分布。3D电影利用偏振眼镜实现立体视觉效果。摄影滤镜偏振滤镜可以减少反光，增强色彩饱和度。激光的基本原理1受激辐射2粒子数反转3光学谐振腔4激光输出激光产生的核心是受激辐射过程。通过泵浦实现粒子数反转，在光学谐振腔中形成振荡，最终输出相干性好、方向性强的激光束。激光的特性单色性激光具有极窄的光谱线宽，接近单一波长。相干性激光光波的相位关系保持稳定。方向性激光束发散角很小，可以传播很远距离。高亮度单位立体角内的辐射功率密度很大。激光的应用光的量子性质光子光的基本粒子，具有确定的能量和动量。波粒二象性光同时表现出波动性和粒子性。量子效应光与物质相互作用时表现出量子特性。光电效应定义光照射金属表面时，使电子从金属中逸出的现象。爱因斯坦方程hν=W+Ek，其中hν为光子能量，W为逸出功，Ek为光电子动能。应用光电池、光电传感器等设备的工作原理基于光电效应。康普顿效应入射光子高能X射线光子。碰撞与自由电子发生弹性碰撞。散射光子能量减小，波长增加。电子反冲电子获得动能。玻尔模型1原子核2电子轨道3能级跃迁4光谱线玻尔模型解释了氢原子的光谱线。电子在不同能级间跃迁时吸收或发射特定能量的光子。这一模型为量子力学的发展奠定了基础。电磁波的谱1射线波长最短，能量最高。2X射线用于医学诊断和材料分析。3紫外线杀菌消毒，但过量可能有害。4可见光人眼可见的光波范围。5红外线热成像和远程通信应用。6微波通信和加热食物。7无线电波波长最长，用于广播和通信。电磁波的应用医学诊断X射线用于骨折检查和CT扫描。通信技术无线电波和微波广泛应用于各种