光学现象复习资料整理.docxVIP

光学现象复习资料整理

引言

光学是物理学中一门既古老又充满活力的分支，它研究光的产生、传播、本性以及光与物质相互作用的规律。我们日常生活中所见的彩虹、倒影、蓝天，乃至现代科技中的激光、光纤通信、显微镜、望远镜等，无不与光学现象息息相关。本资料旨在系统梳理常见的光学现象及其原理，为复习提供一个清晰的脉络，帮助读者深化理解并能灵活运用。

一、几何光学现象

几何光学以光的直线传播为基础，用光线的概念来研究光在均匀介质中的传播和在界面上的反射、折射等现象。

1.1光的直线传播与影子的形成

光在同种均匀介质中沿直线传播，这是几何光学的基本假设。当光在传播路径上遇到不透明物体时，物体后方会形成光照不到的区域，即影子。影子的形成直接证明了光的直线传播特性。例如，日食和月食现象，便是由于太阳、地球、月球三者的位置关系，使得光的传播被遮挡而形成的大范围影子现象。

1.2光的反射

光在传播到两种介质的分界面时，一部分光会返回原介质中继续传播，这种现象称为光的反射。

*反射定律：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别位于法线的两侧；反射角等于入射角。

*镜面反射与漫反射：当反射面光滑时，平行入射的光线会平行反射，称为镜面反射，如镜子成像；当反射面粗糙时，平行入射的光线会向各个方向反射，称为漫反射，这使得我们能从不同角度看到不发光的物体。

*平面镜成像：物体在平面镜中所成的像是正立、等大的虚像，像与物关于镜面对称。其原理是光的反射，反射光线的反向延长线相交形成虚像。

1.3光的折射

光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变的现象，称为光的折射。

*折射定律：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别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦之比，对于给定的两种介质和光的频率而言是一个常数，即\(n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\)，其中\(n_1,n_2\)分别为两种介质的折射率，\(\theta_1,\theta_2\)分别为入射角和折射角。

*折射率：某种介质的折射率\(n\)等于光在真空中的速度\(c\)与光在该介质中的速度\(v\)之比，即\(n=c/v\)。折射率反映了介质对光传播的阻碍作用，也与光的偏折程度相关。

*光的色散：白光（复色光）通过三棱镜后被分解为彩色光带的现象，称为光的色散。这是由于不同颜色的光在介质中的折射率不同，导致其折射角不同而产生的。色散现象表明白光是由多种单色光组成的。

1.4全反射

当光从光密介质（折射率较大）射向光疏介质（折射率较小）时，若入射角增大到某一角度，折射角将达到90°，此时折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象称为全反射。

*临界角：刚好发生全反射时的入射角称为临界角\(C\)。其满足\(\sinC=n_{疏}/n_{密}\)。

*应用：全反射棱镜（如潜望镜、望远镜中的转向系统）、光导纤维（现代通信的重要载体，光在光纤内通过多次全反射向前传播）。

1.5透镜成像

透镜是利用光的折射原理制成的光学元件，分为凸透镜（会聚透镜）和凹透镜（发散透镜）。

*凸透镜成像规律：凸透镜对光线有会聚作用。成像情况与物体到透镜的距离（物距\(u\)）有关，可成实像（倒立，能被光屏接收）或虚像（正立，不能被光屏接收），像的大小也随之变化。（可结合成像光路图辅助理解，如物距大于二倍焦距成缩小倒立实像，等于二倍焦距成等大倒立实像，介于一倍与二倍焦距之间成放大倒立实像，小于一倍焦距成放大正立虚像。）

*凹透镜成像规律：凹透镜对光线有发散作用，无论物体在何处，均成正立、缩小的虚像。

*透镜成像公式与放大率：\(1/f=1/u+1/v\)（其中\(f\)为焦距，\(v\)为像距），放大率\(m=|v/u|\)。

1.6球面镜成像

球面镜分为凹面镜和凸面镜，利用光的反射成像。

*凹面镜：对光线有会聚作用，能成实像或虚像，如太阳灶、手电筒反光罩。

*凸面镜：对光线有发散作用，只能成正立、缩小的虚像，具有扩大视野的作用，如汽车后视镜。

二、物理光学现象

物理光学揭示了光的波动性和粒子性，解释了几何光学无法解释的现象。

2.1光的干涉

两列或多列光波在空间相遇时，在重叠区域某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，形成稳定的强弱分布的现象，称为光的干涉。产生干涉的条件是：两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定（相干光）。

*杨氏双缝干涉：托马斯·杨通过双缝实验首次观察到了光的干涉现象。单色光通过双缝后，在光屏上形成明暗相间的