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物理之光的知识点总结

光的本质

光的本质是物理学中一个历经漫长探索的核心问题，众多科学家的研究推动了我们对光本质的认识不断深入。

早期，牛顿提出了光的微粒说。他认为光是由一颗颗像小弹丸一样的微粒组成的粒子流，这些微粒从光源飞出，在均匀介质中遵循力学规律做匀速直线运动。微粒说能够很好地解释光的直线传播和反射现象。例如，光在遇到光滑表面反射时，就如同弹性小球撞击到坚硬平面上反弹回来一样，入射角等于反射角。

然而，惠更斯则提出了光的波动说。他把光类比成水波，认为光是在一种特殊的弹性介质“以太”中传播的机械波。波动说成功解释了光的折射现象，当光从一种介质进入另一种介质时，就像水波从深水区进入浅水区会改变传播方向一样，光的传播方向也会发生改变。同时，波动说还能解释光的干涉和衍射现象。

托马斯·杨的双缝干涉实验是光的波动说的重要证据。他让一束光通过两条狭缝，在光屏上观察到了明暗相间的干涉条纹。这是因为从两条狭缝出来的光就像两列相干波，当它们相遇时，波峰与波峰叠加、波谷与波谷叠加的地方就会出现亮条纹，而波峰与波谷叠加的地方则出现暗条纹。

麦克斯韦在电磁学理论的基础上，预言了电磁波的存在，并指出光也是一种电磁波。他的理论统一了光学和电磁学，揭示了光的电磁本质。赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并且发现电磁波的传播速度与光速相等，进一步支持了光的电磁说。

后来，爱因斯坦提出了光子说。他认为光在空间传播时不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量与光的频率成正比，即\(E=hν\)，其中\(h\)是普朗克常量，\(ν\)是光的频率。光子说成功解释了光电效应现象，当光照射到金属表面时，光子的能量被金属中的电子吸收，电子获得足够的能量后就会从金属表面逸出。

现在我们认识到光具有波粒二象性，它既具有波动性，又具有粒子性。在某些情况下，光的波动性表现得比较明显，如干涉、衍射现象；而在另一些情况下，光的粒子性表现得比较突出，如光电效应、康普顿效应。

光的传播

光的直线传播

光在同种均匀介质中沿直线传播，这是一个基本的光学规律。小孔成像就是光直线传播的典型例子，烛焰通过小孔在光屏上形成倒立的实像，像的形状与烛焰相似，与小孔的形状无关。影子的形成也是由于光沿直线传播，当光照射到不透明物体上时，物体后面光不能到达的区域就形成了影子。日食和月食同样是光直线传播的结果，日食是月球挡住了太阳射向地球的光，月食是地球挡住了太阳射向月球的光。

光在真空中的传播速度是宇宙中最快的速度，用\(c\)表示，\(c=299792458m/s\)，在通常情况下，我们取\(c=3×10^{8}m/s\)。光在不同介质中的传播速度不同，在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，在水中的传播速度约为真空中的\(\frac{3}{4}\)，在玻璃中的传播速度约为真空中的\(\frac{2}{3}\)。

光的反射

光遇到障碍物时会发生反射现象。反射定律指出，反射光线、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。

反射分为镜面反射和漫反射。镜面反射是指平行光线射到光滑表面上时，反射光线也是平行的。例如，平静的水面、平面镜等都会发生镜面反射，我们能从平面镜中看到自己清晰的像就是因为镜面反射。漫反射是指平行光线射到粗糙表面上时，反射光线射向各个方向。我们能从不同方向看到本身不发光的物体，就是因为物体表面发生了漫反射。

光的折射

光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生改变，这种现象叫做光的折射。折射定律指出，折射光线、入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数，即\(\frac{\sini}{\sinr}=n_{21}\)，其中\(i\)是入射角，\(r\)是折射角，\(n_{21}\)是第二种介质相对于第一种介质的相对折射率。

当光从光疏介质（折射率较小的介质）斜射入光密介质（折射率较大的介质）时，折射角小于入射角；当光从光密介质斜射入光疏介质时，折射角大于入射角。当入射角增大到某一角度时，折射光线会消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射。发生全反射的条件是：光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角\(C\)，临界角\(C\)满足\(\sinC=\frac{1}{n}\)，其中\(n\)是光密介质相对于光疏介质的折射率。

光的色散

白光通过三棱镜后会分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光，这种现象叫做光的色散。这是因为不同颜色的光在介质中的折射率不同，它们在折射时偏折的程度也不同，其中紫光的折射率最大，偏折程度最大；红光的折射率最小，偏折程度最小。光的色散现象表明白光是由多种色光混合而成的复色光。

光学仪器

透镜

透镜分为凸透镜和凹透镜