5光学

知识点01 光的反射和折射

一、光的反射现象:

1.定义：光线入射到两种介质的界面上时，其中一部分光线在原介质中改变传播方向的现象. 

2.光的反射定律: 

①反射光线、入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居于法线两侧. 

②反射角等于入射角. 

【技巧点拨】反射定律表明，对于每一条入射光线，反射光线是唯一的，在反射现象中光路是可逆的. 

二、光的折射

1.定义：光由一种介质射入另一种介质时，在两种介质的界面上将发生光的传播方向改变的现象叫光的折射.

2.光的折射定律

①内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比.

②表达式：（为比例常数）.

【技巧点拨】在折射现象中，光路是可逆的.如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线发生折射．

3.折射率：光从真空射入某种介质时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的折射率，折射率用n表示，即.

【技巧点拨】

①某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比，即，因，所以任何介质的折射率n都大于1.两种介质相比较，n较大的介质称为光密介质，n较小的介质称为光疏介质.在光密介质中，光的折射率相对较大，光速相对较小.

②折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小.

③折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关．

Ⅰ、同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小．

Ⅱ、同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同

4.光路的可逆性：在光的折射现象中，光路是可逆的．如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线发生折射．

三、全反射和临界角

1、全反射:光从光密介质射入光疏介质，或光从介质射入真空（或空气）时，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射.

2、全反射的条件

①光从光密介质射入光疏介质，或光从介质射入真空（或空气）.

②入射角大于或等于临界角

③临界角:折射角等于90°时的入射角叫临界角，用C表示

2、规律

①同一种介质对红光折射率小，对紫光折射率大.

②在同一种介质中，红光的速度最大，紫光的速度最小.

③由同一种介质射向空气时，红光发生全反射的临界角大，紫光发生全反射的临界角小.

3、应用

^o（图1）或180^o（图2）。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。

②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：Ⅰ、射出光线和入射光线平行；Ⅱ、各种色光在第一次入射后就发生色散；Ⅲ、射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；Ⅳ、可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。

③光导纤维：原理是利用光的全反射，光导纤维简称“光纤”,它是非常细的特制玻璃丝(直径在几微米到一百微米之间),由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大.光在内芯中传播时,在内芯与外套的界面上发生全反射,使反射光的能量最强,实现远距离传送,因此光信号能携带着数码信息、电视图像、声音等沿着光纤传输到很远的地方,实现光纤通信.

四、平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点

知识点02光的色散、衍射、干涉及偏振

一、光的色散

1、定义：白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光的光束，这种现象叫做光的色散.

2、成因：含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质，由于介质对不同色光的折射率不同，各种色光的偏折程度不同，所以发生光的色散．

二、衍射

1、定义：光通过很小的孔、缝或障碍物时，会在屏上出现明暗相间的条纹，且中央条纹很亮，越向边缘越暗。

2、规律

①各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。

②发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。（当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，有明显衍射现象。）

③在发生明显衍射的条件下当窄缝变窄时亮斑的范围变大条纹间距离变大，而亮度变暗。

【技巧点拨】

①衍射是波的特征,波长越长,衍射现象越明显.在任何情况下都可以发生衍射现象,只是明显与不明显的差别.

②衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况,只有在光的波长比障碍物小得多时,光才可以看作是沿直线传播的

3、泊松亮斑

①定义：当单色光照射在直径恰当的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑

②产生原因：是由于光的衍射

三、光的干涉

1、定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象．

2、光的干涉的条件：两束光的频率相同、相位差恒定.

3、形成相干波源的方法有两种：

①利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。

②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）。下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。

4、双缝干涉图样特点：单色光照射时，形成明暗相间的等间距的干涉条纹；白光照射时，中央为白色亮条纹，其余为彩色条纹．

5、干涉区域内产生的亮、暗纹

条纹间距：：，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，干涉条纹的间距越大．

①亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即δ= nλ（n=0，1，2，……）

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，……）

【技巧点拨】相邻亮纹（暗纹）间的距离。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，由于白光内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。

①现象：如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．光照射到薄膜上时，从膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，相叠加，形成明暗相间的条纹．

②应用

Ⅰ、检查精密零件的表面是否平整：如所示,将被检查平面和放在上面的透明标准样板的一端之间垫一薄片,使标准样板的平面与被检查平面间形成一个楔形空气薄层,单色光从上面照射,入射光在空气层的上表面a和下表面b反射出的两列光波叠加,形成干涉条纹,根据干涉条纹的形状来确定工件表面的情况.

若被检查平面平整则干涉图样是等间距明暗相间的平行直条纹.若某处凹下,则对应亮(暗)条纹提前出现,如图甲所示;若某处凸起,则对应亮(暗)条纹延后出现,如图乙所示.

Ⅱ、增透膜：在光学元件(透镜、棱镜)的表面涂上一层薄膜(如氟化镁),当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的时,在薄膜的两个面上的反射光的路程差恰好等于半个波长,因而相互抵消,达到减小反射光、增大透射光强度的目的.

7、几种现象的对比

四、单缝衍射与双缝干涉的比较

五、干涉图样与衍射图样

1.光的干涉现象：双缝干涉、薄膜干涉(油膜、空气膜、增透膜、牛顿环)；

光的衍射现象：单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射、圆盘衍射(泊松亮斑).

2.条纹宽度的区别：双缝干涉条纹的宽度相同，而单缝衍射的中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄.

3.条纹亮度的区别：双缝干涉条纹，从中央亮条纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗.

【技巧点拨】光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的．

六、光的偏振

1、自然光：包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同．

2、偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光．

3、偏振光的形成

①让自然光通过偏振片形成偏振光．

②让自然光在两种介质界面发生反射和折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光．

4、偏振光的应用：加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等．

5、光的偏振现象说明光是一种横波．

七、各种色光的比较