太阳能光伏学 第2章 太阳能光伏发电光学原理

第二章太阳能光伏发电光学原理2.1光的反射和折射2.2光的漫反射、干涉和逆向反射2.3光的散射2.4光的辐射2.5到达地面的太阳辐射2.6光电学说2.1光的反射和折射光的传播：A、光在同一种均匀介质中沿直线传播。B、光到达两种介质的界面，发生反射和折射。C、光在不均匀介质中传播时光线发生弯曲。一、光源——能够自行发光的物体月亮不是光源光的直线传播一、光线——用来表示光的传播方向的直线。注意理解几点：1)画光线时必须有表示光的传播方向的箭头。2)光线只代表光的传播方向，并不是实际存在的东西，而光是实际存在的。3)光线可代表很窄、平行光束的传播路径。4)两条光线可代表一条光束的边缘。5)用光线可代表光的会聚、发散或平行的性质。二、应用：1)已知光源可任意画出从光源发出的光线。2)已知某光源发出的两条光线，根据光沿直线传播的性质，这两条光线的交点即是该发光体的位置。3)眼睛根据光的直线传播确定物体的位置。4)若有一不透明物体在空间里，则光线不能直接通过这一物体。PBSa)影是由发自光源并与投影物体的表面相切的光线所形成的。b)影子的大小决定于点光源物体和光屏的相对位置。三、实际的光现象1、影——点光源发出的光，照到不透明的物体时，在物体背后形成一个光照不到的黑暗区域，这就是物体的影。c)伪半影——光源中心部分照不到的区域。ABCD2、若光源的发光面较大，发光面上的每个发光点，都可以看作一个点光源，它们都在物体背后造成影区，分别为：a)本影——完全不受到光照射的区域。(影共有的范围)b)半影——本影的周围还有一个能受到光源发出的一部分光照射的区域。月球太阳地球太阳月球地球ABBAA：本影区看到日全食B：半影区看到日偏食C：伪半影区看到日环食BBc2.1.1光的反射定律光从一种均匀物质射到另一种均匀物质的表面时，光会改变传播方向，又返回到原先的物质中，这种现象叫光的反射。反射定律“三线同面，法线居中，两角相等”BOANβα光的反射反射光线、入射光线和法线在同一平面上反射角等于入射角反射光线和入射光线分居法线的两侧练习1：（1）（2）（3）（1）中画出反射光线；（2）中画出入射光线（3）中画出镜面。漫反射漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光虽为平行光束，反射光却四向分散。无论单向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。问题：一束太阳光斜射到平面镜的表面，平面镜的另一侧可以看到耀眼的白光；如果太阳光斜射到粗糙的木板表面，则无论从哪个方向观察，都看不到耀眼的亮光，为什么？平面镜会发生全反射现象，而粗糙的木板的只能发生漫反射现象。雨后天睛的夜晚，为了不踩到地上的积水，有经验的人往往这样做：（1）迎着月光走，地上发亮处是积水；（2）背着月光走，地上发暗处是积水。练习：光的反射现象。迎着月光走，光——水——人，光线这样入眼。背着月光走，光线没有射入人眼，路面存在漫反射。所以，发暗处是水。漫反射：是指一束平行光线射向凹凸不平的面时，每条光线都遵循光的反射定律。镜面反射：平行光射到光滑的平面，反射光依然平行。水洼，镜面反射。路面，漫反射。601200相反３、有一束光线与镜面的夹角为25°，则反射光线与入射光线的夹角是。若入射光线与镜面的夹角从25°增大到90°，则反射角从变化。130065000练习：如左图所示，画出反射光线。2.1.2光的折射定律光的折射光由一种介质传入另一种介质时（非垂直射入），前进方向会改变的现象。原因：光在不同介质中，由于速率的不同，使得前进方向改变。光的折射定律（1）入射线、折射线与法线在同一平面上。（2）光自光速快的介质，传入光速慢的介质时，其折射线偏向法线。即折射角小于入射角。（3）光自光速慢的介质，传入光速快的介质时，其折射线偏离法线，及折射角大於入射角。入射光与反射光及折射光的比较：入射光与反射光的比较：相同：不同：光速、频率、波长振幅、方向入射光与折射光的比较：相同：不同：频率光速、波长、振幅、方向面镜与透镜面镜应用光的反射原理透镜应用光的折射原理平面镜凸面镜凹面镜凸透鏡凹透鏡平面鏡的成像成像性质：（1）为一正立虚像（2）物距=像距（3）物长=像长（4）左右向反，上下不颠倒凸透镜的成像凸透鏡各部分的名稱及繪圖：（1）主轴（2）镜心（3）焦点（4）焦距（1）平行主轴的光线通过异侧焦点（2）通过镜心的光线不偏折（3）通过焦点的光线平行主轴凸透鏡成像物位置无穷远2F外2F上2F～FF上F內像位置异侧F上异侧F～2F异侧2F上异侧2F外无穷远同侧像性质一點实像倒立縮小实像倒立相等实像倒立放大实像不成像正立放大实像凹透镜成像凹透鏡各部分名稱及繪圖：（1）主軸（2）鏡心（3）焦點（4）焦距（1）平行主軸的光線向外發散，其延長線通過同側焦點（2）通過鏡心的光線不偏折（3）通過異側焦點的光線平行主軸凹透鏡成像物位置无穷远2F外2F上2F～FF上F內像位置同侧焦点与物同侧与物同侧与物同侧与物同侧与物同侧像性质一点虚像正立缩小虚像正立缩小虚像正立缩小虚像正立缩小虚像正立缩小虚像面镜与透镜成像性质的归纳平面镜正立虚像、与物等大，左右相反。物靠近面镜，像靠近面镜且大小不变。凹面镜正立放大虚像凸面镜正立缩小虚像凸透镜焦点外为倒立实像；物靠近透镜，像原理透镜且像逐渐变大。焦点内为正立虚像；物靠近透镜，像靠近透镜起逐渐变小（仍为放大虚像）凹透镜任何位置皆为正立缩小虚像；物靠近透镜，像靠近透镜且逐渐变大（仍为缩小虚像）面镜与透镜的应用凸面镜照后镜、旋转道路旁所架設的凸面镜凹面镜手电筒的灯头、车前灯平面镜万花筒、镜子等凸透镜凹透镜投影机、放大镜、相机、望远镜、远视眼镜、电影放映机、显微镜近视眼镜2.2光的漫反射、干涉和逆向反射光的漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光虽为平行光束，反射光却四向分散。无论单向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。练习：1、电影银幕为什么要用粗布做？2、平常，黑板发生了光的什么反射？当黑板发生反光现象时，又发生了什么反射？黑板本来是会发生漫反射现象的，这样坐在任意的角落的学生都能看得清黑板。但时间用久了。黑板就会很光滑，就产生全反射。坐在两边的学生就只能看见亮光，看不清黑板啦。2.2.2光的干涉光的干涉1．光的干涉现象1）定义：两列光波相遇时叠加，在某些地方光被加强而某些地方减弱的现象。2）干涉条件：相干光束（光源上同一点分出来的两个光源）注：不同光源或同一光源上不同部分发出的光不会产生干涉现象。相干条件：频率相同；振动方向相同；位相差恒定。单色光屏杨氏双缝干涉（托马斯·杨）相当于两个完全相同的光源S1S2S1S2S***单色激光束挡板屏亮暗相间等距的条纹双缝干涉示意图你观察到了什么？S1S2亮条纹的中心线亮条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线S1S2P1ΔSP1S2－P1S1=ΔS光程差相当于完全相同的波源S1、S2双缝干涉亮条纹暗条纹单色激光束相干光束...)2,1,0(kkS...)2,1,0(2)12(kkSdDxxxkk1(1)明暗相间的条纹对称分布于中心O点两侧。dxDxx1干涉条纹特点：(2)相邻明条纹和相邻暗条纹等间距，与干涉级k无关。两相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距。若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。1k2k1k3k3k2k双缝间距d，屏到挡板间距离D，光的波长λ。各色光在真空中的波长光的颜色波长nm光的颜色波长nm红770－620绿580－490橙620－600蓝－靛490－450黄600－580紫450－400红光波长最大，紫光波长最小dLx白光＋用白光做双缝干涉实验，在屏上会出现什么现象？红光700nm红蓝光470nm兰亮暗相间彩色条纹．…………杨氏干涉牛顿环(Newtonrings)牛顿环(Newtonrings)eoRr空气薄层中，任一厚度e处上下表面反射光的干涉条件：明条纹暗条纹eoRr22222eeRRrRe)(eR略去e2Rre22各级明、暗干涉条纹的半径：3,2,12)12(kRkr2,1,0kkRr随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。e=0,两反射光的光程差=/2，为暗斑。明条纹暗条纹牛顿环(Newtonrings)erRoc波长为的单色光垂直入射到平凸透镜与平晶间的空气层(n=1)上，入射光从透镜的球面上和平晶的上表面反射出来的光发生干涉两束光的光程差:22e暗环o分束镜M显微镜.S平凸透镜平晶牛顿环装置简图2)12(22ke暗环条件：明环条件：ke22第k个明环半径：2)12(Rkrk),2,1(kkRrk第k个暗环半径：),2,1,0(k•条纹特点：1.中心是暗斑；eReRRr2)(222eRr2由几何关系可知：)(eR),2,1(…k),2,1,0(…k2.随着条纹级次k的增大,条纹间距r减小e=0,r=0kRRkrrrkk)1(1牛顿环的应用mRrrkmk22•测透镜球面的半径R：已知,测m、rk+m、rk，可得R;•测波长λ：已知R，测出m、rk+m、rk，可得λ。•检验透镜球表面质量标准验规待测透镜暗纹2.2.3光的逆向反射光的逆向反射，又称再归反射，和镜面反射、漫反射不同，能使光线沿原来路径反射回去。例如：自行车红色尾灯。公路两旁的交通标志。2.3光的散射当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。光的散射现象衍射：波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生反射，边缘部分发生衍射。按不均匀团块的性质、散射可分为两大类：（1）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、雾、灰尘的大气中的散射必于此类。（2）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落很大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，这种现象叫做临界乳光。区别、区分散射、反射和衍射大气对不同色光的散射作用不会“机会均等”的，波长短的光受到的散射最厉害。波长：红大于紫色。把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率。问：天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红的？云为什么是白的？答：首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。所以每当大雨澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱，其道理就在这里.一天天空变化由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。白云是大气中的水滴组成的，因为这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小