光（選修一第四章，總結(jié)筆記）
1.光的折射
折射現(xiàn)象：光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光會進(jìn)入第2種介質(zhì)的現(xiàn)象。
在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。
折射定律：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比，即(
為比例常數(shù))，如下圖所示。
【折射率】
定義：光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率。即。
為真空中的光線與法線的夾角，
為介質(zhì)中的光線與法線的夾角。
折射率n是反映介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的物理量，它的大小由介質(zhì)本身和光的頻率共同決定，與入射角、折射角的大小無關(guān)，與介質(zhì)的密度沒有必然聯(lián)系。
折射率與光速的關(guān)系：某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比，即。
由于c>v，故任何介質(zhì)的折射率n都大于1。某種介質(zhì)的折射率越大，光在該介質(zhì)中的傳播速度越小。
光的傳播方向：光從一種介質(zhì)垂直進(jìn)入另一介質(zhì)時(shí)，傳播方向不變；斜射時(shí)，傳播方向改變。
光的傳播速度：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播速度一定發(fā)生變化；當(dāng)光垂直界面入射時(shí)，光的傳播方向雖然不變，但光傳播的速度發(fā)生變化。
光的折射中入射角與折射角的大小關(guān)系：當(dāng)光從折射率小的介質(zhì)斜射入折射率大的介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角，當(dāng)光從折射率大的介質(zhì)斜射入折射率小的介質(zhì)時(shí)，入射角小于折射角。
2.全反射
（1）全反射
光疏介質(zhì)：折射率較小的介質(zhì)。光密介質(zhì)：折射率較大的介質(zhì)。光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對的。
全反射：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，同時(shí)發(fā)生折射和反射.若入射角增大到某一角度，折射光線完全消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象。
臨界角：剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90°時(shí)的入射角。用字母C表示，光從介質(zhì)射入空氣(真空)時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角C與介質(zhì)的折射率n的關(guān)系是。
全反射發(fā)生的條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；入射角等于或大于臨界角。
發(fā)生全反射時(shí)，光全部返回原介質(zhì)，入射光與反射光遵循光的反射定律。
從能量角度來理解全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，隨著入射角增大，折射角也增大.同時(shí)折射光線強(qiáng)度減弱，能量減小，反射光線強(qiáng)度增強(qiáng)，能量增加，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，折射光線強(qiáng)度減弱到零，反射光線的能量等于入射光線的能量。
不同色光的臨界角：由于不同顏色(頻率不同)的光在同一介質(zhì)中的折射率不同。頻率越大的光，折射率也越大，所以不同顏色的光由同一介質(zhì)射向空氣或真空時(shí)，頻率越大的光的臨界角越小，越易發(fā)生全反射。
（2）全反射棱鏡
形狀：截面為等腰直角三角形的棱鏡。
【全反射棱鏡的特點(diǎn)】
①光垂直于它的一個(gè)界面射入后，會在其內(nèi)部發(fā)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高。
②反射面不必涂敷任何反光物質(zhì)，反射時(shí)失真小。
（3）光導(dǎo)纖維
原理：利用了光的全反射。光由一端進(jìn)入，在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射，從另一端射出，光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳播光信號，光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像。
構(gòu)造：光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有幾微米到一百微米，如下圖所示，由內(nèi)芯和外套兩層組成。內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。
光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等。
設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射角為時(shí)，進(jìn)入光導(dǎo)纖維的光線傳到側(cè)面恰好發(fā)生全反射，則有：
，可以得到：
。
由下圖可知，當(dāng)增大時(shí)，
增大，由光導(dǎo)纖維射向空氣的光線的入射角θ減小，當(dāng)
時(shí)，若
，則所有進(jìn)入光導(dǎo)纖維中的光線都能發(fā)生全反射，解得
。
以上是光從光導(dǎo)纖維射向真空時(shí)得到的折射率，由于光導(dǎo)纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比大些。
①確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。
②若光由介質(zhì)進(jìn)入空氣(真空)時(shí)，則根據(jù)確定臨界角，看是否發(fā)生全反射。
③根據(jù)題設(shè)條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”。
④運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行判斷推理、運(yùn)算及變換并進(jìn)行動態(tài)分析或定量計(jì)算。
3.光的干涉
（1）楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
雙縫干涉的裝置示意圖，有光源、單縫、雙縫和光屏。
雙縫的作用：將一束光分成兩束頻率相同且振動情況完全一致的相干光。
光產(chǎn)生干涉的條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定、振動方向相同。楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是靠“一分為二”的方法獲得兩個(gè)相干光源的。
【干涉圖樣】
單色光的干涉圖樣：干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋。
白光的干涉圖樣：中央條紋是白色的，兩側(cè)干涉條紋是彩色條紋（各種色光都能形成明暗相間的條紋，都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋；兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋）。
兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關(guān)，波長越大，條紋間距越大。
【亮、暗條紋的判斷】
如下圖，設(shè)屏上的一點(diǎn)P到雙縫的距離分別為和
，路程差
。
①若滿足路程差為波長的整數(shù)倍，即(其中k=0,1,2,3,...)，則出現(xiàn)亮條紋。k=0時(shí)，
，此時(shí)P點(diǎn)位于屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級亮條紋。k為亮條紋的級次。
②若滿足路程差為半波長的奇數(shù)倍，即(其中k=1,2,3,...)，則出現(xiàn)暗條紋。k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側(cè)展開。
（2）薄膜干涉
原因：肥皂膜在重力作用下上薄下厚。光到達(dá)肥皂泡界面時(shí)，發(fā)生反射，這一束光在兩個(gè)界面上發(fā)生了反射，這兩個(gè)反射光頻率相同頻率，是兩束相干光。從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋；若在白光照射下，則出現(xiàn)彩色干涉條紋。如下圖
①增透膜：照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡的鏡頭表面常鍍一層透光的薄膜，薄膜的上表面與玻璃表面反射的光發(fā)生干涉.兩束反射光相互抵消，反射光的能量減少，由于總能量守恒，透射光的能量必然得到增強(qiáng)。一般增透膜的厚度是光在薄膜介質(zhì)中傳播的波長的，即
。
②用干涉法檢查平面：被檢查平面與標(biāo)準(zhǔn)樣板平面之間形成了一個(gè)楔形的空氣薄膜，用單色光照射時(shí)，入射光從空氣薄膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋。被檢查平面若是平的，空氣薄膜厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直線上，干涉條紋平行；若被檢查表面某些地方不平，那里的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉條紋將發(fā)生彎曲。
4.實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測量光的波長
（1）實(shí)驗(yàn)原理
如下圖所示，兩縫之間的距離為d，每個(gè)狹縫都很窄，寬度可以忽略。
兩縫、
的連線的中垂線與屏的交點(diǎn)為
，雙縫到屏的距離
。則相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋的中心間距：
。
若已知雙縫間距，再測出雙縫到屏的距離和條紋間距
，就可以求得光波的波長。
（2）實(shí)驗(yàn)器材
雙縫干涉儀，即光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭、學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺等。
（3）實(shí)驗(yàn)步驟
①將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如下圖所示。
③調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏。
④安裝雙縫和單縫，中心大致位于遮光筒的軸線上，使雙縫與單縫的縫平行，兩者間距5～10 cm，這時(shí)可觀察白光的干涉條紋。
⑤在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋。
（4）數(shù)據(jù)處理
①安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋。
②使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)，將該條紋記為第1條亮紋；轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板中心刻線移動至另一亮條紋的中心，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)
，將該條紋記為第n條亮紋，則相鄰兩亮條紋間距
。
③用刻度尺測量雙縫到光屏間的距離l(d是已知的)。
④重復(fù)測量、計(jì)算，求出波長的平均值。
（5）誤差分析
①光波的波長很小，、l的測量對波長
的影響很大。
②在測量l時(shí)，一般用毫米刻度尺；而測時(shí)，用千分尺且采用“累積法”。
③多次測量求平均值。
（6）注意事項(xiàng)
①雙縫干涉儀是比較精密的儀器，應(yīng)輕拿輕放，不要隨便拆解遮光筒、測量頭等元件。
②濾光片、單縫、雙縫、目鏡等如有灰塵，應(yīng)用擦鏡紙輕輕擦去。
③安裝時(shí)，注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均在遮光筒的中心軸線上，并使單縫、雙縫平行且豎直，間距大約5～10 cm。
④調(diào)節(jié)的基本依據(jù)是：照在像屏上的光很弱.主要原因是燈絲與單縫、雙縫、測量頭與遮光筒不共軸線所致.干涉條紋不清晰的主要原因一般是單縫與雙縫不平行。
⑤測量頭在使用時(shí)應(yīng)使中心刻線對應(yīng)著亮(暗)條紋的中心。
⑥光源燈絲最好為線狀燈絲，并與單縫平行靠近。
5.光的衍射
（1）光的衍射
用單色平行光照射狹縫，當(dāng)縫很窄時(shí)，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當(dāng)寬的地方。這就是光的衍射現(xiàn)象。
各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋。
發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：在障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯。
【單縫衍射】
單色光通過狹縫時(shí)，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央為亮條紋.中央條紋最寬最亮，兩側(cè)的亮條紋逐漸變暗變窄；通過狹縫時(shí)，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白色條紋。
波長一定時(shí)，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大(如下圖)；單縫不變時(shí)，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大。
【圓孔衍射】
若在單色光(如激光)傳播途中放一個(gè)較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個(gè)亮斑，這就是著名的泊松亮斑。衍射圖樣如圖10(b)所示。。
(2)中央是亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。
（2）衍射光柵
構(gòu)成：由許多等寬的狹縫等距離地排列起來形成的光學(xué)元件。
增加狹縫的個(gè)數(shù)，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加。
（3）單縫衍射與雙縫干涉的比較
【相同點(diǎn)】
①都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時(shí)加強(qiáng)或減弱的結(jié)果。
②都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波。
【不同點(diǎn)】
產(chǎn)生條件不同：單縫衍射要求狹縫足夠?。浑p縫干涉要求頻率相同的兩列光相遇疊加。
圖樣不同：對于單縫衍射圖樣，中央為最寬最亮的亮條紋，兩側(cè)亮條紋變暗變窄；對于雙縫干涉圖樣，圖樣是亮度相同的條紋。
6.光的偏振、激光
（1）光的偏振
自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個(gè)方向振動的光波的強(qiáng)度都相同。這種光是“自然光”。
偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個(gè)特定的方向振動，這種光叫做偏振光。
偏振片：由特定的材料制成，每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向，只有沿著這個(gè)方向振動的光波才能順利通過偏振片，這個(gè)方向叫做“透振方向”。
偏振現(xiàn)象的應(yīng)用：照相機(jī)鏡頭前的偏振濾光片、電子表的液晶顯示、立體電影、車燈眩光的消除等。
（2）激光
【全息照相】
②原理：全息照片的拍攝利用了光的干涉原理。
本章思維導(dǎo)圖
