高中物理光的几何性与物理性！

　　光学包括两大部分内容：几何光学和物理光学。几何光学(又称光线光学)是以光的直线传播性质为基础，研究光在煤质中的传播规律及其应用的学科;物理光学是研究光的本性、光和物质的相互作用规律的学科。

　　一、重要概念和规律

　　(一)、几何光学基本概念和规律

　　1、基本规律

　　光源：发光的物体.分两大类：点光源和扩展光源. 点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合. 光线 ——表示光传播方向的几何线. 光束通过一定面积的一束光线.它是通过一定截面光线的集合. 光速——光传播的速度。光在真空中速度最大。恒为C=3×108 m/s。丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大距离测出了光速。法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出了光这。 实像 ——光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的. 虚像——光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。 本影——光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区. 半影 ——光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域.

　　2.基本规律

　　(1)光的直线传播规律：先在同一种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直线传播的例证。

　　(2)光的独立传播规律：光在传播时虽屡屡相交，但互不扰乱，保持各自的规律继续传播。

　　(3)光的反射定律： 反射线、入射线、法线共面;反射线与入射线分布于法线两侧;反射角等于入射角。

　　(4)光的折射定律： 折射线、入射线、法线共面，折射线和入射线分居法线两侧;对确定的两种介质，入射角(i)的正弦和折射角(r)的正弦之比是一个常数.介质的折射率 n=sini/sinr=c/v。全反射条件①光从光密介质射向光疏介质;②入射角大于临界角A，sinA=1/n。

　　(5)光路可逆原理： 光线逆着反射线或折射线方向入射，将沿着原来的入射线方向反射或折射.

　　3.常用光学器件及其光学特性

　　(1)平面镜： 点光源发出的同心发散光束，经平面镜反射后，得到的也是同心发散光束.能在镜后形成等大的、正立的虚出，像与物对镜面对称。

　　(2)球面镜： 凹面镜：有会聚光的作用， 凸面镜： 有发散光的作用.

　　(3)棱镜： 光密介质的棱镜放在光疏介质的环境中，入射到棱镜侧面的光经棱镜后向底面偏折。隔着棱镜看到物体的像向顶角偏移。 棱镜的色散作用： 复色光通过三棱镜被分解成单色光的现象。

　　(4)透镜： 在光疏介质的环境中放置有光密介质的透镜时， 凸透镜： 对光线有会聚作用， 凹透镜： 对光线有发散作用.透镜成像作图： 利用三条特殊光线。成像规律1/u+1/v=1/f。线放大率m=像长/物长=|v|/u。说明①成像公式的符号法则——凸透镜焦距f取正，凹透镜焦距f取负;实像像距v取正，虚像像距v取负。②线放大率与焦距和物距有关.

　　(5)平行透明板： 光线经平行透明板时发生平行移动(侧移).侧移的大小与入射角、透明板厚度、折射率有关。

　　4.简单光学仪器的成像原理和眼睛

　　(1)放大镜： 是凸透镜成像在。u

　　(2)照相机： 是凸透镜成像在u>2f时的应用.得到的是倒立缩小施实像。

　　(3)幻灯机： 是凸透镜成像在 f

　　(4)显微镜： 由短焦距的凸透镜作物镜，长焦距的透镜作目镜所组成。物体位于物镜焦点外很*近焦点处，经物镜成实像于目镜焦点内很*近焦点处。再经物镜在同侧形成一放大虚像(通常位于明视距离处)。

　　( 5)望远镜： 由长焦距的凸透镜作物镜，短焦距的透镜作目镜所组成。极远处至物镜的光可看成平行光，经物镜成中间像(倒立、缩小、实像)于物镜焦点外很*近焦点处，恰位于目镜焦点内，再经目镜成虚像于极远处(或明视距离处)。

　　(6)眼睛： 等效于一变焦距照相机，正常人明视距约25厘米。明视距离小子25厘米的近视眼患者需配戴凹透镜做镜片的眼镜;明视距离大于25厘米的远视25者需配戴凸透镜做镜片的眼镜。

　　(二)物理光学——人类对光本性的认识发展过程

　　(1)微粒说(牛顿)基本观点： 认为光像一群弹性小球的微粒。 实验基础 光的直线传播、光的反射现象。 困难问题 无法解释两种媒质界面同时发生的反射、折射现象以及光的独立传播规律等。

　　(2)波动说(惠更斯)基本观点： 认为光是某种振动激起的波(机械波)。 实验基础： 光的干涉和衍射现象。

　　①光的干涉现象——杨氏双缝干涉实验

　　条件： 两束光频率相同、相差恒定。 装置 (略)。 现象： 出现中央明条，两边等距分布的明暗相间条纹。 解释： 屏上某处到双孔(双缝)的路程差是波长的整数倍(半个波长的偶数倍)时，两波同相叠加，振动加强，产生明条;两波反相叠加，振动相消，产生暗条。 应用： 检查平面、测量厚度、增强光学镜头透射光强度(增透膜).

　　②光的衍射现象——单缝衍射(或圆孔衍射)

　　条件： 缝宽(或孔径)可与波长相比拟。 装置 ：(略)。 现象： 出现中央最亮最宽的明条，两边不等距发表的明暗条纹(或明暗乡间的圆环)。 困难问题： 难以解释光的直进、寻找不到传播介质。

　　(3)电磁说(麦克斯韦)： 基本观点： 认为光是一种电磁波。 实验基础： 赫兹实验(证明电磁波具有跟光同样的性质和波速)。 各种电磁波的产生机理： 无线电波 自由电子的运动; 红外线、可见光、紫外线 原子外层电子受激发; x射线 原子内层电子受激发; γ射线 原子核受激发。 可见光的光谱： 发射光谱——连续光谱、明线光谱 ; 吸收光谱(特征光谱)。 困难问题： 无法解释光电效应现象。

　　(4)光子说(爱因斯坦)： 基本观点： 认为光由一份一份不连续的光子组成每份光子的能量E=hν。 实验基础： 光电效应现象。 装置： (略)。 现象： ①入射光照到光电子发射几乎是瞬时的;②入射光频率必须大于光阴极金属的极限频率ν。;

　　③当ν>v0时，光电流强度与入射光强度成正比;④光电子的最大初动能与入射光强无关，只随着人射光灯中的增大而增大。 解释 ①光子能量可以被电子全部吸收.不需能量积累过程;②表面电子克服金属原子核引力逸出至少需做功(逸出功)hν。;③入射光强。单位时间内入射光子多，产生光电子多;④入射光子能量只与其频率有关，入射至金属表，除用于逸出功外。其余转化为光电子初动能。 困难问题： 无法解释光的波动性。

　　(5)光的波粒二象性： 基本观点： 认为光是一种具有电磁本性的物质，既有波动性。又有粒子性。大量光子的运动规律显示波动性，个别光子的行为显示粒子性。 实验基础 ：微弱光线的干涉，X射线衍射.

　　二、重要研究方法

　　1.作图：几何光学离不开光路图 。利用作图法可以直观地反映光线的传播，方便地确定像的位置、大小、倒正、虚实以及成像区域或观察范围等.把它与公式法结合起来，可以互相补充、互相验证。

　　2.光路追踪法： 用作图法研究光的传播和成像问题时，抓住物点上发出的某条光线为研究对象。不断追踪下去的方法.尤其适合于研究组合光具成多重保的情况。

　　3.光路可逆法： 在几何光学中，一所有的光路都是可逆的，利用光路可逆原理在作图和计算上往在都会带来方便

　　原子物理包括两大部分内容;原子结构和原子核结构。前者研究原子核外电子的分布及跃迁规律，后者研究核的组成及其变化规律。

　　一、重要概念和规律

　　1 .原子核式结构学说(1909年。卢瑟福)

　　实验基础： α粒子散射实验——用放射源发出的α粒子穿过金箔，发现绝大多数α粒子按原方向前进，少数α粒子发生较大的偏转。极少数产生大角度偏转，个别被弹回. 基本内容： 在原子中心有一个带正电的核(半径约10-15 ～10-14 m)，集中了几乎全部原子质量、带负电的电子在核外绕核旋转(原子半径约10-10 m)。 困难问题： 按经典理论，电子绕核旋转将辐射电磁波，能量会逐渐减小，电子运行的轨道半径不断变小，大量原子发出的光谱应该是连续光谱。

　　2.玻尔理论(1913年。玻尔) 实验基础 氢光谱规律的研究。 基本内容(三点假设) (1)原子只能处于一系列不连续的、稳定的能量状态(定态)，其总能量En(包括动能和电势能)与基态总能量量的关系为En=E1 /n1 (n=1、2、3……)(2)原子在两个定态之间跃迁时，将辐射(或吸收)一定频率时光子;光子的能量为hν = E初 -E终 。(3)电子绕核运行的可能轨道是不连续的。各可能轨道的半径rn =n2 r1 基态轨道半径r1。(n=1、2、3……)。 困难问题 无法解释复杂原子的光谱.

　　3. 放射现象(1896年.贝克勒尔)

　　三种射线

　　(1)α射线 氦原子核流。v≈c/10。贯穿本领很小。电离作用很强。

　　(2)β射线 高速电子流。v≈c。贯穿本领强，电离作用弱。

　　(3)γ射线 波长很短的电磁波。v=c。贯穿本领很强，电离作用很弱。

　　衰变规律 遵循电量、质量(和能量)守恒。

　　α衰变、β衰变、γ衰变(γ衰变是伴随着α衰变或β衰变同时发生的)。

　　半衰期： 放射性元素的原子读有半数发生衰变所需要的时间。由核内部本身因素决定.跟原子所处的物理状态或化学状态无关.

　　4.原子核的组成

　　实验基础

　　(1)质子发现(1919年，卢瑟福)

　　(2)中子发现(1932年，查德威克)

　　基本内容 原子核由质子和中子(统称核子)组成.原子核的质量数等于质子数与中子数之和.原子核的电荷数等于质子数。各核子间依*强大的核力来集在核内。

　　5.放射性同位素 质子数相同、中子数不同，具有放射性的原子。

　　实验基础：用α粒子盖击铝核首先实现用人工方法得到放出性同位素磷(1934年，约里奥·居里夫妇)。

　　基本应用

　　(1)利用射线的贯穿本领、电离作用或对生物组织的物理、化学效应。

　　(2)做为示踪原子。

　　6. 核能

　　质量亏损： 组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差.

　　质能方程：E=mc2

　　核反应能：△E=△mc2

　　二、重要研究方法

　　1.实践-理论-实践

　　从实践(实验)出发，提出理论，再经过实践的检验或进行新的实践一进一步发展理论。例如，通过对气体放电现象、阴极射线的研究.汤姆生发现电子(1897年)，提出原子结构的汤姆生模型。由于卢瑟福的粒子的散射实验，进一步发展成卢瑟福模型。通过对氢原子明线光谱的研究，又提出了玻尔理论等。在原子物理中，非常鲜明地贯穿着辩证唯物主义认识论的这一基本思想方法。复习中也应以此为线索，把握全章的知识结构。

　　2. 守恒规律的应用

　　质量守恒、电荷守恒、能量守恒、动量守恒等自然界中的基本规律在原子物理中都得到全面的体现.复习中应紧紧把握这些守恒规律

　　光的传播

　　1.光在什么情况下是沿直线传播的，小孔成像是怎么回事，什么是本影和半影，如何确定本影、半影的区域?如何确定影子的运动状态?在何时、何地可以观察到日全食、日偏食、日环食、月全食、月偏食?你知道几种典型的测量光速的方法吗?你能体会出为什么这一章又被称为几何光学吗?

　　2.什么是光的反射定律，镜面反射和漫反射的主要区别是什么?平面镜的成像特点是什么?如何确定平面镜成像的观察范围?我要想看到完整的脸，至少需要多大的矩形平面镜?那我要想看到完整的三中办公楼呢?如何确定物像的运动速度(速度垂直镜面和不垂直镜面两种情况)?

　　3.什么是折射定律?与折射率相关的几个表达式分别是什么?如何计算光射入介质后的波长、波速和频率?什么是视深?

　　4.什么是光疏介质、光密介质，全反射的条件是什么?在求解全反射问题时，一般采用什么解题方法?什么是光导纤维?在已知入射角的情况下如何计算光导纤维的折射率，如果入射角未知呢?

　　5.什么是光的色散，产生的原因是什么?各种色光的频率、折射率、速度有什么规律?你能定性画出不同色光在界面上发生反射、折射时的情景吗?反之根据这些情景你有能判断出各色光的折射率、频率、能量、临界角的大小吗?

　　6.你了解几种典型的玻璃砖对光路的控制特点吗?在三角形玻璃砖中，你知道几个典型角的关系吗?单色光、复色光、单色光点、复色光点通过三棱镜会呈现什么景象呢?如果光疏棱镜放在光密介质中，上述现象还成立吗?在圆形玻璃砖中，你知道如何确定法线，如何确定是否发生全反射，如何计算各次的偏折角吗?在矩形玻璃砖中，你会求侧移距离吗?你能利用一个杯子测量液体的折射率吗?

　　光的本性

　　1.十七世纪人们关于光的本性的认识有哪些观点?分别能解释什么，无法解释什么?

　　2.什么是双缝干涉、薄膜干涉，它们的相干光源是如何得到的，使用单色光和复色光时其干涉图样怎样?如何判断某个点是加强点还是减弱点。在双缝干涉实验中，相邻两条亮条纹之间的间距与什么有关?遮住其中一个缝，或用不同滤光片分别遮住两个缝还会有干涉条纹吗?还会有条纹吗?在薄膜干涉中，应在何处观察现象，薄膜的形状对条纹的形状及间距有何影响?你知道什么是增透膜吗?它的厚度如何确定?如何使用薄膜干涉检查物体表面的平整程度?在实际生活中如何区分干涉、衍射、色散、半影等问题?

　　3.什么是衍射，发生明显衍射的条件是什么?双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的区别是什么?圆孔衍射与圆屏衍射呢?在衍射现象越来越明显的过程中看到的现象是什么?光的直线传播与光的衍射矛盾吗?为什么我们常说光是沿直线传播的?

　　4.光是一种什么波，这种观点是谁提出的，提出的依据有哪些，又是谁验证的?电磁波谱的排列顺序是什么，它们的产生机理怎样，能否结合电磁波和原子物理的知识加深理解。红外线、紫外线、X射线、γ射线是怎样产生的，有什么样的特性及应用?伦琴射线管的构造是什么?

　　5.什么是偏振?偏振光和自然光有何区别?如何得到偏振光?偏振光在现实生活中有何应用?什么是激光?它的三个特性及相关应用是什么?

　　6.什么是光电效应，它是使用什么样的装置发现的，又是使用什么样的装置研究的。什么是饱和电流、截止电压，有什么作用?光电效应的四条规律是什么?你会在做题中使用吗?经典波动理论为什么解释不了，爱因斯坦的光子理论又是如何解释的。你会利用光电效应方程解释以及求解极限频率、最大初动能吗?你会连接简单的光电管自动控制电路吗?光强与哪些因素有关?相同强度的紫光、红光照射同一金属发生光电效应时有何区别?你理解最大初动能和频率之间的函数图象吗?

　　7.在光子计算中，你能计算出点光源模型中，相距光源一定距离放置的面上得到的光子数吗?在线光源模型中，你会计算单位长度上的光子数吗?

　　8.什么是光的波粒二象性，如何理解?只有电磁波才具有波粒二象性吗?什么是物质波，谁提出的?物质波的波长如何计算?

　　原子物理

　　1.谁发现了电子，有什么样的重要意义?接下来他提出的原子结构模型是什么样的?

　　2.α粒子散射实验是谁、为了什么目的、使用什么样的装置做的?期望得到什么结果?实际的现象是什么?由此得出什么样的结论，该实验有何重大意义?

　　3.什么是光谱，光谱如何分类，分别是由谁产生的，哪些光谱可以用作光谱分析，用什么仪器观察光谱，它的大致构造怎样?

　　4.原子的核式结构遇到了哪两个困难?是谁提出了什么理论解决了这两个难题?他否定了经典理论还是否定了核式结构学说?理论的内容是什么?

　　5.你能根据题目条件确定核外电子的动能、势能、总能量、周期、半径等的大小及变化吗?什么是eV，它与焦耳如何转换?在解题中一定要将它转化成焦耳吗?你会计算在原子跃迁中吸收或释放光子的个数及频率吗?能否在此基础上真正理解明线光谱与吸收光谱?你知道什么是电离，如何计算电离能吗?在电离中，原子能吸收超过电离能的光子吗?

　　6.玻尔理论的成功与局限分别是什么?经典物理学的研究范围又是什么?

　　7.谁发现的天然放射现象，有什么重大意义?三种射线的本质及特点怎样，如何在电场、磁场中分开?什么是衰变，它们的通式及实质是什么?你能否根据衰变的次数判断中子数和质子数的变化(或反过来判断)?在同一个原子核的衰变中，能否同时释放α、β射线，那γ射线呢?在衰变与磁场、动量守恒、核能综合的题目中你会求解粒子的周期、运动半径、动能吗?你能根据轨迹判断是何种衰变以及原放射性原子核的核电荷数吗

　　8.什么是半衰期，理解它时应注意哪两个问题?半衰期的公式是什么?你会求解关于半衰期的两个典型问题吗?什么是放射性同位素?在实际中有什么应用?

　　9.谁发现的质子，核反应方程是什么?谁预言了中子的存在，又是谁发现的，核反应方程是什么?什么是核子，它们靠什么力结合在一起，这个力有什么特点，你能把它与轻核聚变的条件结合起来考虑吗?

　　10.核反应方程的配平遵循什么规律?典型的核反应方程有几类，你能区分它们吗?核反应方程能写等号吗?

　　11.什么是质能方程，谁提出的，如何理解，是不是说质量与能量可以相互转化?什么是质量亏损?使用质能方程在计算核能时关于单位应注意什么?核反应前和反应后粒子的动能在解题时应如何处理?

　　12.什么是平均质量，它对于确定一个核反应是吸收能量还是放出能量具有什么意义?典型的重核裂变的核反应方程有什么特征，轻核的聚变呢?什么是链式反应，产生的条件是什么?核反应堆的主要组成是什么?为什么轻核的聚变反应又称为热核反应，它与裂变相比有什么优点?

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