高中物理 16 几何光学、物理光学

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统一约定：空气中折射率\(n≈1\)，可见光真空光速\(c=3×10^8\mathrm{m/s}\)，不特殊说明忽略色散、薄透镜。

（一）几何光学四大规律

1. 光的直线传播

同种均匀透明介质中光沿直线传播；应用：影子、小孔成像。

2. 光的反射定律

三线共面、法线居中、反射角=入射角；

平面镜成像：等大、等距、虚像、物像关于镜面对称。

3. 光的折射定律（斯涅尔定律）

\(\)\boldsymbol{n=\frac{\sin i}{\sin r}}\(\)

\(i\)：空气中入射角，\(r\)：介质中折射角；

折射率定义：\(\boldsymbol{n=\dfrac{c}{v}}\)，\(v\)介质中光速，\(n>1\)；

频率\(f\)由光源决定，折射时频率不变，\(v、\lambda\)改变。

4. 全反射

条件：①光从光密→光疏介质（\(n\)大→\(n\)小）；②入射角≥临界角\(C\)

临界角公式：\(\boldsymbol{\sin C=\dfrac1n}\)；

应用：光导纤维、全反射棱镜。

5. 薄透镜简要（凸透镜、凹透镜）

凸透镜：会聚光线，\(f>0\)；凹透镜：发散光线；

三条特殊光线：平行主轴→过焦点；过光心方向不变；过焦点→平行主轴。

（二）物理光学

1. 光的干涉：相干光源（频率相同、相位恒定），薄膜干涉（肥皂泡、增透膜）；

2. 光的衍射：障碍物尺寸接近/小于波长，单缝衍射、泊松亮斑；

干涉、衍射证明光具有波动性。

3. 光电效应（粒子性）：光照射金属逸出光电子，证明光由光子组成；

光子能量：\(\boldsymbol{E=h\nu}\)，频率越高光子能量越大。

4. 光谱：白光是复色光，色散说明不同色光折射率不同，紫光\(n\)最大、波长最短。

例1：（光的反射、平面镜成像）入射角\(i=30^\circ\)，求反射角与入射反射光线夹角。

反射角\(30^\circ\)，夹角\(60^\circ\)。

例2：（光的反射、平面镜成像）入射光线垂直镜面入射，入射角、反射角各多大？

入射角\(0^\circ\)，反射角\(0^\circ\)，光线原路返回。

例3：（光的反射、平面镜成像）人距平面镜\(3\mathrm m\)，人像距离镜面多远？人与像间距？

像距镜面\(3\mathrm m\)，人、像相距\(6\mathrm m\)。

例4：（光的反射、平面镜成像）平面镜竖直向上平移，人不动，像位置如何变化？

像位置保持不变。

例5：（光的反射、平面镜成像）入射光线与镜面夹角\(40^\circ\)，求入射角。

入射角\(=90^\circ-40^\circ=50^\circ\)。

例6：（折射定律与折射率计算）光从空气射入玻璃，入射角\(60^\circ\)，折射角\(30^\circ\)，求玻璃折射率。

\(n=\dfrac{\sin60^\circ}{\sin30^\circ}=\sqrt3≈1.732\)。

例7：（折射定律与折射率计算）某介质\(n=1.5\)，求光在介质中传播速度。

\(v=\dfrac c n=\dfrac{3×10^8}{1.5}=2×10^8\mathrm{m/s}\)。

例8：（折射定律与折射率计算）光从水\((n=\dfrac43)\)射入空气，比较入射角\(i\)、折射角\(r\)大小。

光密→光疏，\(r>i\)。

例9：（折射定律与折射率计算）同一束白光射入三棱镜，紫光、红光哪个折射角更小？

紫光折射率大，折射角小，偏折更大。

例10：（折射定律与折射率计算）光从空气入射介质，\(n=\sqrt2\)，入射角\(45^\circ\)，求折射角。

\(\sin r=\dfrac{\sin45^\circ}{\sqrt2}=0.5，r=30^\circ\)。

例11：（折射定律与折射率计算）光由介质射入空气，\(v=2×10^8\mathrm{m/s}\)，求折射率。

\(n=\dfrac c v=\dfrac32=1.5\)。

例12：（全反射临界角）玻璃\(n=\sqrt2\)，求临界角\(C\)。

\(\sin C=\dfrac1{\sqrt2}，C=45^\circ\)。

例13：（全反射临界角）光导纤维内层折射率\(n=1.5\)，求临界角正弦值。

\(\sin C=\dfrac1{1.5}=\dfrac23\)。

例14：（全反射临界角）光从玻璃射向空气，入射角\(60^\circ\)，\(n=\sqrt2\)，能否全反射？

\(C=45^\circ\)，\(60^\circ>45^\circ\)，发生全反射。

例15：（全反射临界角）光从空气射入玻璃，会不会发生全反射？

空气→光密介质，不可能全反射。

例16：（薄透镜成像基础）平行太阳光正对凸透镜，光线会聚在焦点，说明凸透镜作用？

会聚光线。

例17：（薄透镜成像基础）平行光入射凹透镜，折射光线向外发散，反向延长交于虚焦点。

例18：物理光学（干涉衍射、光电效应）肥皂薄膜出现彩色条纹是什么光学现象？

薄膜干涉，体现光的波动性。

例19：物理光学（干涉衍射、光电效应）泊松亮斑证明什么？

光的衍射，光具有波动性。

例20：物理光学（干涉衍射、光电效应）红光与紫光，哪种光子能量更大？

紫光频率更高，\(E=h\nu\)，紫光光子能量大。

解题总结

1. 反射：入射角是光线与法线夹角，不是镜面夹角；平面镜物像对称；

2. 折射：\(n=\sin i/\sin r\)只适用空气进介质；\(n=c/v\)通用；

3. 全反射牢记：密→疏+入射角≥临界角缺一不可；

4. 干涉衍射→波动性；光电效应→粒子性；紫光\(n、f、E\)均大于红光。

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