光学理论

第五章光学基础光的直线传播光源：宇宙中的物体，有的是发光的，有的是不发光的．我们把发光的物体叫做光源．太阳、电灯、蜡烛等，都是光源．我们能够看见树木、房屋，能够看见舞台上的人物，也是由于光从那里射入了我们的眼睛，但是，这些物体本身不能发光，光源发出的光照到这些物体上，这些物体又把光反射到我们的眼睛里，才使我们看见了它们。光的直线传播点光源光的直线传播研究某个光学问题时，如果光源很小，而它到我们的距离很大，这时可以把光源看做一个能发光的点，叫做点光源．在室内做手影游戏时，白炽灯泡可以看做点光源，而日光灯管就不能看做点光源。光具有能量，它可以使物体变热，使照相底片感光，使光电池供电．这时光能分别转化成内能、化学能、电能．光源发光要消耗其他形式的能，把其他形式的能转化成光能．电灯发光消耗电能，蜡烛发光消耗化学能，太阳发光消耗太阳内部的核能。光的直线传播光线光能够在空气、水、玻璃透明物质中传播，这些物质叫做介质．在小学自然和初中物理中我们已经学过，光在一种均匀介质中是沿直线传播的．自然界的许多现象，如影、日食、月食、小孔成像等，都是光沿直线传播产生的．如果有一杯盐水，下面的浓度大，上面的浓度小，这就不能算是均匀介质，这时光的传播规律就比较复杂了．由于光沿直线传播，因此可以沿光的传播方向作直线，并在直线上标出箭头，表示光的传播方向，这样的直线叫做光线．物理学中常常用光线表示光的传播方向．平行光线有的光源，例如白炽灯泡，它发出的光是向四面八方传播的；但是有的光源，例如激光器，它产生的光束可以射得很远，宽度却没有明显的增加．在每束激光中都可以作出许多条光线，这些光线互相平行，所以叫做平行光线．光速光的传播速度很快．地球上的光源发出的光，到达我们眼睛所用的时间很短，根本无法觉察，所以历史上很长一段时间里，大家都认为光的传播是不需要时间的．直到17世纪，人们才认识到光是以有限的速度传播的．光速是物理学中一个非常重要的基本常量，科学家们一直努力更精确地测定光速．目前认为真空中光速的最可靠的值为c＝299792458m/s在通常的计算中可取c＝3.00×108m/s玻璃、水、空气等各种物质中的光速都比真空中的光速小．阳光能够照亮水中的鱼和水草，同时我们也能通过水面看到烈日的倒影；这说明光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分光被反射，回到空气中．一般说来，光从一种介质射到它和另一种介质的分界面时，一部分光又回到这种介质中的现象叫做光的反射；而斜着射向界面的光进入第二种介质的现象，叫做光的折射。光的反射与折射光的反射定律实验表明，光的反射遵循以下规律图18－8中，过入射光线和界面的交点作界面的垂线ON，这条垂线就是法线．i是入射角，r是反射角．(1)反射光线和入射光线、界面的法线在同一个平面内，反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；(2)反射角等于入射角．这就是我们在初中学过的光的反射定律．由于反射角跟入射角总是相等的，所以如果使光线逆着原来的反射光线入射到两种介质的界面上，反射后会沿着原来的入射光线射出．这表明，在反射现象中光路是可逆的(图18－9)．光的折射定律在图18－10中，折射光线和法线的夹角r叫做折射角；入射光线和法线的夹角i叫做入射角．如果一种介质对光的吸收能力不强，光能够穿过，我们就说这种介质是“透明”的，否则就是不透明的．从实验可以看到，光从空气射入水中时折射角小于入射角，那么，一般情况下，折射角和入射角有什么数量关系？在很长的一段时间里，许多科学家作了多方面的尝试，直到1621年才由荷兰科学家斯涅耳(1580—1626)发现，入射角的正弦跟折射角的正弦之比是一个常量．结合斯涅耳的发现，光的折射定律可以这样表示：(1)折射光线跟入射光线和界面的法线在同一个平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧；(2)入射角的正弦跟折射角的正弦之比是一个常量，即在折射现象中，光路也是可逆的．这就是说，在图18－10中，如果让光线逆着折射光线从玻璃射向界面，折射光线也会逆着入射光线射入空气．折射率折射定律告诉我们，光从一种介质射入另一种介质时，尽管折射角的大小随着入射角的大小在变化，但是两个角的正弦之比是个常量，对于水、玻璃等各种介质都是这样．但是，对于不同介质，比值n的大小并不相同，例如，光从空气射入水时这个比值为1.33，从空气射入普通的窗玻璃时，比值约为1.5．因此，常量n是一个能够反映介质的光学性质的物理量，我们把它叫做介质的折射率．光在不同介质中的传播速度不同．理论研究证明：某种介质的折射率，等于光在真空中的速度c跟光在这种介质中的速度v之比，即光在真空中的速度跟在空气中的速度相差很小，可以认为光从空气射入某种介质时的折射率就是那种介质的折射率．下表列出了几种介质的折射率．光束空间中具有一定关系的光线的集合同心光束：一光束中各光线或其延长线相交于一点会聚光束发散光束平行光束：发光点在无限远处平面反射镜球面反射镜双面凹透镜透镜组合光的干涉与衍射现象1、装置特点：（1）双缝很近0.1mm，（2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等，单缝双缝红滤色片S1SS2屏幕2、①要用单色光②单孔的作用：是获得点光源③双孔的作用：相当于两个振动情况完全相同的光源，双孔的作用是获得相干光源4、干涉图样的特点：（1）形成明暗相间的条纹（2）亮纹间等距、暗纹间等距（3）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹---中央亮纹提出问题：（1）为什么会出现这样的图象？（2）怎样用波动理论进行解释？3、产生稳定光的干涉现象的条件相干光源：两个振动情况完全相同的光源对光发生干涉时若光互相加强，出现亮条纹若光互相削弱，出现暗条纹S1S2PP中央亮纹由于从S1S2发出的光是振动情况完全相同，又经过相同的路程到达P点，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的也一定是波峰，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的也一定是波谷，确信在P点激起的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A＝A1+A2为最大，P点总是振动加强的地方，故应出现亮纹，这一条亮纹叫中央亮纹。双缝P1双缝S1S2P1取P点上方的点P1，从S1S2发出的光到P1点的光程差就不同，若这个光程差正好等于波长的整数倍，比如δ=S1－S2=λ，出现第一条亮纹。λλδ=λ第一亮纹屏幕S1S2双缝S1S2屏幕P1第一亮纹δ=λP中央亮纹δ=0P2第二亮纹δ=2λP3/第三亮纹δ=3λP3第三亮纹δ=3λP3/第二亮纹δ=2λP3/第一亮纹δ=λQ1第一暗纹双缝S1S2屏幕λ/2P中央亮纹S1S2P1取P点上方的点Q1，与两个狭缝S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的就是波谷，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的一定是波峰，Q1点激起的振动总是波峰与波谷相遇，振幅最小，Q1点总是振动减弱的地方，故应出现暗纹。λ/2Q2第二暗纹双缝S1S2屏幕屏上Q1点的上方还可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2点出现第二条暗纹。同样可以找到第三条暗纹Q3……，在中央明纹下方也可以找到对称的Q1/、Q2/、Q3/……等暗纹。3λ/2Q1第一暗纹P中央亮纹双缝S1S2屏幕P1第一亮纹δ=λP中央亮纹δ=0P2第二亮纹δ=2λP3/第三亮纹δ=3λP3第三亮纹δ=3λP3/第二亮纹δ=2λP3/第一亮纹δ=λQ2第二暗纹Q1第一暗纹Q3第三暗纹Q3/第三暗纹Q2/第二暗纹Q1/第一暗纹δ=5λ/2δ=λ/2δ=3λ/2δ=5λ/2δ=3λ/2δ=λ/2S1S2Sd双缝S1S2三、干涉条纹的间距与哪些因素有关?1、什么是干涉条纹的间距?△x△x★条纹间距的含义：亮纹或暗纹之间的距离总是相等的，亮纹和亮纹之间的距离或暗纹和暗纹之间的距离叫做条纹间距。双缝S1S2屏幕Ld重做干涉实验，并定性寻找规律．①d、λ不变，只改变屏与缝之间的距离L——L越大，条纹间距越大．②L、λ不变，只改变双缝距离d——d越小，条纹间距越大．2、干涉条纹的间距与哪些因素有关?③L、d不变，用不同的单色光进行实验——红光的条纹间距最大，紫光的最小。3、亮（暗）纹间距的公式(△x=λ）dL红光的波长最大，紫光的波长最小。红光的频率最小，紫光的频率最大。♣如果保持双缝的间距不变，光屏到缝的距离越大，屏上明暗相间条纹间距____________；♥如果保持光屏到缝的距离双缝的间距不变，双缝的间距越小，屏上明暗相间条纹间距____________；♦如果保持光屏到缝的距离双缝的间距不变，双缝的间距不变，改变光的波长越大，屏上明暗相间条纹间距____________；变大变大变大练习：二、光的衍射：光离开直线路径绕道障碍物阴影里去的现象．自然现象中的衍射•抬头透过树叶缝隙看到的阳光带有彩色光晕。就是光的衍射现象。自然现象中的衍射神秘的佛光是在光的“衍射－反射”成像原理下形成的一种特殊光象，学术界称为“宝光”。这是一种在云雾山地的地方常见的一种大气光象，以往在峨眉山多见，故有“峨眉宝光”之说。实际上，“宝光”在黄山、庐山、五台山等地山区，甚至一些稍有起伏的平原地带也可以看到。当缝很大时—直线传播（得到影）当缝减小时—逐渐会出现小孔成像的现象继续减小缝的大小—会出现光的衍射现象．光沿直线传播只是一个近似的规律：当光的波长比障碍物或孔的尺寸小得多时，可认为光是沿直线传播的，当光的波长与障碍物或孔的尺寸可以相比拟时将产生明显的衍射现象提问：当光通过小孔或者狭缝时，在后面的光屏上会得到什么样的图案？干涉图样和衍射图样的区别•干涉图样：条纹等宽等亮衍射图样：中间条纹最宽最亮，两边迅速变窄变暗。激光物体发光的微观机理物质中的原子受到激发以后，原子能量增加，处于不稳定状态，要向低能态跃迁。在向低能态跃迁的过程中，会发出光。普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。一、激光及其产生1、概念：激光准确内涵是“辐射的受激发射的光放大”。英文全称为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。2、产生机理：原子受激辐射后发生跃迁某些物质的原子中的粒子受光或电刺激，使低能级的原子变成高能级原子，在向低能态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相同的光，这种光叫作激光。激光的发展史•1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。•1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。•1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。•1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。二、激光特性a、单色性b、方向性c、相干性d、高亮度（能量）三、激光器的分类：a、气体激光器氦氖激光器、氩离子激光器、“隐形杀手”二氧化碳激光器b、液体、化学和半导体激光器“变色龙”染料激光器、“死光”氟化氢激光器、砷化镓激光器c、固体激光器红宝石激光器、钇铝石榴石激光器四、激光的应用1、天文领域：激光望远镜测天体距离。2、工业材料的加工：激光雕刻、切割、焊接。3、医学领域：激光手术。4、信息技术领域：a、信息传输（激光光纤）；b、信息存储（激光刻录CD、DVD、软件）。5、军事领域：a、激光制导炸弹；b、激光热武器。3.激光产生理论介绍3-1激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：a.受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射跃迁b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。受激吸收跃迁E2E1E2E1入射光子c.受激辐射（激光）:当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与