高中物理 16 几何光学、物理光学

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几何光学

基本概念：

光源：能发光的物体叫光源，如太阳、电灯等。当发光体本身的体积与作用距离相比可忽略不计时，可称为点光源，比如遥远的恒星。

光线：用一条直线表示光的传播方向，忽略其直径、体积和其他物理性质，这样的几何线条叫光线，是几何光学最基本的概念。

光束：一系列有一定关系的光线集合，可分为会聚光束、发散光束、平行光束和像散光束。

基本定律：

光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播，影子的形成、日食、小孔成像等现象均基于此定律。

光的独立传播定律：从不同光源发出的互相独立的光束，在空间中相遇时互不干扰，各自沿原来的方向传播。

光的反射定律：反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧，反射角等于入射角。

光的折射定律：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。

成像规律：

平面镜成像：成等大正立的虚像，物和像关于镜面对称，像与物上下不颠倒，左右交换.

透镜成像：包括凸透镜成像和凹透镜成像。凸透镜对光线有会聚作用，可成实像也可成虚像，成像规律遵循“物距越远，像距越近，像越小”等特点；凹透镜对光线有发散作用，只能成正立缩小的虚像。

光学仪器原理：

显微镜：由物镜和目镜组成，物镜成倒立放大的实像，目镜成正立放大的虚像，经过两次成像组合，使微小物体被放大许多倍。

望远镜：可分为折射式望远镜和反射式望远镜等。折射式望远镜通过物镜成倒立缩小的实像，再由目镜成正立放大的虚像，从而将远处物体拉近放大；反射式望远镜则利用凹面镜反射成像等原理来观测远处物体。

物理光学

光的波动性：

光的干涉：两列或多列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域加强，在某些区域减弱，形成明暗相间的条纹。产生干涉的条件是两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同，如双缝干涉、薄膜干涉等。

光的衍射：光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，光会绕过障碍物的边缘，在障碍物的后方形成明暗相间的衍射图样。发生明显衍射的条件是障碍物或小孔的尺寸与光的波长相近或比光的波长更小。

光的粒子性：

光电效应：当光照射到金属表面时，金属中的电子吸收光子的能量，从金属表面逸出的现象。光电效应的规律包括存在截止频率、光电子的最大初动能与入射光的频率有关而与入射光的强度无关、光电流的大小与入射光的强度有关等，爱因斯坦的光子说很好地解释了光电效应现象。

光子说：认为光在空间传播不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量 \(E = h\nu\)，其中 \(h\) 为普朗克常量，\(\nu\) 为光的频率。

光的电磁说：麦克斯韦提出光是一种电磁波，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，光在真空中的传播速度与电磁波在真空中的传播速度相同，都为 \(c = 3\times10^{8}m/s\) 。电磁波谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、\(\gamma\) 射线等，不同波段的电磁波具有不同的特性和应用.

波粒二象性：光既具有波动性又具有粒子性，大量光子表现出明显的波动性，如光的干涉、衍射等现象；少量光子则表现出明显的粒子性，如光电效应。光的这种双重性质称为光的波粒二象性，一切微观粒子都具有波粒二象性.