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物理选修
3
-4
光学知识点
光的直线传播．光的反射
一、光源
1
．定义：能够自行发光的物体．
<
/p>
2
．特点：光源具有能量且能将其它形式的能量转化为光能，光在
介质中传播就是能量的传播．
二、光的直线传播
1
．光在同一种均匀透明的介质中沿直线传播，各种频率的光在真空中传播速度：
C
＝
3
×
10
8
m/s
；
各种频率的光在介质中的传播速度均小于在真空中的传播速度，即
同一种介质中，频率越低的光其传播速度越大。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过 （ <
br> 到月偏食和月全食．
C
v
。
说明
：
①
直线传播的前提条件是在同一种<
/p>
介质，而且是均匀
介质。否则，可能发生偏折。如从空气进入水中
（不是同
．．．
．．
一种介质）
；
“海市蜃楼”现象（介质不均匀）
。
②
同一种频率的
光在不同介质中的传播速度是不同的。不同频率的光在同一种介质中传播速度一般也不同。在
C
。
③
当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，
发生明显
的衍射现象，
光线可以偏离原来的传播方向。
-9
-9
④
近年来
（
1999-2001
年）科学家们在极低的压强
（
10
Pa
）
和极低的温度
（
10
K
）下，得到一种物质的凝聚态，
光在其中的速度降低到
17m/s
，甚至停
止运动。
2
．本影和半影
l
）影：影是自光源发出并与投影物体表面相切的光线在
背光面的后方围成的区域．
（
2
）本影：发光面较小的光源在投影物体后形成的光线完全不能到达的区域．
（
3
）半影：发光面较大的光
源在投影物体后形成的只有部分光线照射的区域．
（
4
）
日食和月食：人位于月球的本影内能看到日
全食，位于月球的半影内能看到日偏食，位于月球本影的延伸区
域（即“伪本影”
）能看到日环食．当地球的本影部分或全部将月球反光面遮住，便分别能看
具体来说：若图中的
P
是月球，则地球上的某区域处在区域
A
内将看到日全食；处在区域
B
或
内将看到日偏食；处在区域
D
内
将看到日环食。若图中的
P
是地球，则月球处在区域
A
内将看到月全食；处在区域
B
< br>或
C
内将看到月偏食；由于日、月、地的大小及相对位置
关系
决定看月球不可能运动到区域
D
内
，所以不存在月环食的自然光现象。
3.
用眼睛看实际物体和像
用眼睛看物或像的本质是凸透镜成像原理：角膜、水样液、晶状体和玻璃体共同作用的结果相
当于一只凸透
镜。发散光束或平行光束经这只凸透镜作用后，在视网膜上会聚于一点，引
起感光细胞的感觉，通过视神经传给
大脑，产生视觉。
①图中的
S
可以是点光源，即本身发光的物
体。
S
/
S
②图中的
S
也可以是实像点（是实际光线的交点）或虚像点（是发散光线的反向延
长线的交点）
。
③入射光也可以是平行光。
以上各种
情况下，入射光线经眼睛作用后都能会聚到视网膜上一点，所以都能被眼看到。
三、光的反射
1.
< br>反射现象：光从一种介质射到另一种介质的界面上再返回原介质的现象．
2
．反射定律：反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，
且反射光线和人射光线分居法线两侧，
反射角等于入射
< br>角．
3
．分类：
光滑平面上的反射现象叫做镜面反射。发生在粗糙平面上的反射现象叫做漫反射。
镜面反射和漫反射都
遵循反射定律．
4
．光路可逆原理：所有几何光学中的光现象，光路都是可逆的．
< br>
四．平面镜的作用和成像特点
（
1
）作用：只改变光束的传播方向，不改
变光束的聚散性质．
（
2
）成像特点：等大正立的虚像，物和像关于镜面对称．
< br>（
3
）像与物方位关系
:
上下不颠倒
,
左右要交换
散
光的折射、全反射
一、光的折射
1
．折射现象：光从一种介质斜
射入另一种介质，传播方向发生改变的现象．
．
2
．折射定律：<
/p>
折射光线、入射光线跟法线在同一平面内，折射光线、入射光线分居法线两侧，入射角的正
弦跟
折射角的正弦成正比．
3
．在折射现象中光路是可逆的．
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二、折射率
1
．定义：
光从真空射入某种介质
,
入
射角的正弦跟折射角的正弦之比
,
叫做介质的折射率．
注意：指光从真空射
入介质．
2
．公式：
n=sini/sin
γ
?
c
?
1
?
?
，折射率总大于
1
．即
n
＞
< br>1
．
v
?
?
sin
C
0
3.
各种色光性质比较：红光的
n
最小，
ν
最小，在同种介质中（除真空
外）
v
最大，
λ
最大，从同种介质射向
真空时全反射的临界角
C
最大，
以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小
（注意区分偏折角
和折射角
）
。
．．．
．．．
4
．两种介质相比较，折射率较大的叫光密介质，折射率较小的叫光疏介质．
三、全反射
1
．全反射现象：光照射到两种介质界面上时，光线全部被反射回原介质的现象．
< br>
2
．全反射条件：光线从光密介质射向光疏介质，且入
射角大于或等于临界角．
3
．临界角
公式：光线从某种介质射向真空（或空气）时的临界角为
C
，则
sinC=1/n=v/c
四、棱镜与光的色散
1.
棱镜对光的偏折作用
一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。
入射光线经三棱镜两次折射后，<
/p>
射出方向与入射方向相比，
向底边偏折。
(
若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。
)
作图时尽量利用对称性
(
把棱镜中的光线画成与底边
平行
)
。
由
于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象，
在光屏上形成七
色光带（称光谱）
（红
光偏折最小，紫光偏折最大。
）在同一介质中，七色光与下面几个物理量的对应关系如表所示。
光学中的一个现象一串结论
色散现象
n
v
λ
(
波
动
衍射
C
临
干
涉
间
γ
(
粒
子
E
光子
性
)
距
性
)
红
小
大
大
(
明
容易
小
大
小
(
不
明
小
黄
显
)
显
)
难
大
小
大
紫
大
小
小
(
不
明
大
(
明显
)
显
)
结论
：
(1)
折射率
n
、
；
(2)
全反射的临界角
C
；
(3)
同一介质中的传播速率
v
< br>；
(4)
在平行玻璃块的侧移
△
x
(5)
光的频率
γ
,
频率大
< br>,
粒子性明显
.
；
(6)
光子的能量
E=h
γ
则光子的能量越大。越容易产生光电效应现象
(7)
在真空中光的波长
λ
,
波长大波动性显著；
(8
)
在相同的情况下，双缝干涉条纹间距
x
越来越窄
(9)
在相同的情况下，衍射现象越来越不明显
2.
全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。
选择适当的入射点，
可以使入射光线
o
o
经过全反
射棱镜的作用在射出后偏转
90
（右图
1
）或
180
（右图
< br>2
）
。要特别注意两
种用法中光
线在哪个表面发生全反射。
3.
玻璃砖
光电效应
难
易
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：<
/p>
⑴射出光线和入射光线平行；
⑵各种色光在第一次入射后就发生色散；
⑶射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；
⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。
4.
光导纤维
全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）
。光纤有内、外两层材料，其中
内层是光密介质，外层是光
疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面
，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这
样使从一个端面入射的光，经过多次全
反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。
五、各光学元件对光路的控制特征
(
1)
光束经平面镜反射后，其会聚（或发散）的程度将不发生改变。这正是反射定律中“
反射角等于入射角”及平
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面镜的反射面是“平面”所共同决定的。
(2)
光束射向三棱镜，
经前、
后
表面两次折射后，
其传播光路变化的特征是：
向着底边偏折，<
/p>
若光束由复色光组成，
由于不同色光偏折的程度不同，将发生所谓
的色散现象。
(3)
光束射向前、<
/p>
后表面平行的透明玻璃砖，
经前、
后表面
两次折射后，
其传播光路变化的特征是；
传播方向不变，
只产生一个侧移。
(4)
< br>光束射向透镜，
经前、
后表面两次折射后，
其传播光路变化的特征是：
凸透镜使光束会聚，
凹透
镜使光束发散。
六、各光学镜的成像特征
物点发出的
发散光束照射到镜面上并经反射或折射后，
如会聚于一点，
则该
点即为物点经镜面所成的实像点；
如发散，则其反向延长后的会聚点即为物点经镜面所成
的虚像点。因此，判断某光学镜是否能成实（虚）像，关
键看发散光束经该光学镜的反射
或折射后是否能变为会聚光束（可能仍为发散光束）
。
（
1
）平面镜的反射不能改变物点发出的发散
光束的发散程度，所以只能在异侧成等等大的、正立的虚像。
（
2
）凹透镜的折射只能使物点发出的发散光束的发散程度提高
，所以只能在同侧成缩小的、正立的虚像。
（
3
）凸透镜折射既能使物点发出的发散光束仍然发散
,
又能使物点发出发散光束变为聚光束
,
所以它既能成虚像
,
又能成实像。
七、几何光学中的光路问题
几何光学
是借用“几何”知识来研究光的传播问题的，而光的传播路线又是由光的基本传播规律来确定。所
以，对于几何光学问题，只要能够画出光路图，剩下的就只是“几何问题”了。而几何光学中的光路通常
有如下
两类：
（
1
）
“成像光路”——一般来说画光路应依据光的传播规律
，但对成像光路来说，特别是对薄透镜的成像光路来
说，则是依据三条特殊光线来完成的
。这三条特殊光线通常是指：
平行于主轴的光线经透镜后必过焦点；
过
焦点的光线经透镜后必平行于主轴；过光心的光线经透镜后传播方向不变。
（
2
）
“视场光路”——即用光路来确定观察范围。这类光路一般要求画出所谓的“边缘光线”< p>
，而一般的“边缘光
线”往往又要借助于物点与像点的一一对应关系来帮助
确定。
光的波
动性
(
光的本性
)
一、光的干涉
一、光的干涉现象
两列波在相遇的叠
加区域，某些区域使得“振动”加强，出现亮条纹；某些区域使得振动减弱，出现暗条纹。振
动加强和振动减弱的区域相互间隔，出现明暗相间条纹的现象。这种现象叫
光的干涉
现象
。
二、产生稳定干涉的条件：
两列波频
率相同，振动步调一致
(
振动方向相同
)
，相差恒定。两个振动情况总是相同的波源，即相干波源
<
/p>
1.
产生相干光源的方法（必须保证
?<
/p>
相同）
。
⑴利用激光
(
因为激光发出的是单色性极好的光
)
；
⑵分光法
(
一分为二
)
：将一束光分为两束
频率和振动情况完全相同的光
。
(
这样两束光都来源于同一个光源
,
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点
(
或缝
)
光源分
割法：杨
氏双缝
(
双孔
)
干涉实验；利用反射得到相干光源：薄膜干涉
a
利用折射得到相干光源：
c
S
S
d
1
/
S
S
S
b
2
2
．双
缝干涉
的定量分析
如图所示，缝屏间距
L
远大于双缝间距
d
，
O
点与双缝
S
1
和<
/p>
S
2
等间距，则当双缝中发出光同时射到
O
点附近
的
P
点时，两束光波的路程差为
δ
=r
2<
/p>
－
r
1
；由几何
关系得：
r
1
2
=L
2
+(x
－
考虑到
L
》
d
和
L
》
x
，可得
δ
=
d
2
d
)
，
r
2
2
=L
2
+(x+
)
2
.
2
2
dx
.
若光波长为
λ
，
L
⑴亮纹：则当
δ<
/p>
=
±
k
λ
(k=0,1,2,
…
)
< br>屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍时，两束光叠加干涉加强；
⑵暗纹：当
δ
=
±
(2k
－
1)
?<
/p>
(k=0,1,2,
…
)
屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍时，两束光叠加干涉减弱，
2
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