高中物理光學(xué)知識(shí)分析與拓展

王子明

【摘 要】高中物理對(duì)光學(xué)的闡述非常到位，但是不夠全面，只能說(shuō)是給與學(xué)生們一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。由于光學(xué)知識(shí)比較難，大多數(shù)地區(qū)只對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了學(xué)習(xí)，對(duì)其他的知識(shí)不做要求，而且基礎(chǔ)知識(shí)是在初中學(xué)習(xí)的。本文對(duì)以往知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)分析，并進(jìn)行了其他方面的知識(shí)講解，如偏振、衍射、干涉、應(yīng)用等，希望能對(duì)學(xué)生們了解光學(xué)知識(shí)有一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】光；光學(xué)；物理；高中

光源，是指能夠自行發(fā)光的物體。光具有能量，在介質(zhì)中傳播就是能量的傳播。生活中的光源非常多，有最大的光源——太陽(yáng)，還有各種人造光源如LED燈、白熾燈、激光、氣體放電光源等。因?yàn)楣猓厍蛏嫌辛松辛宋拿鳎灰驗(yàn)楣猓覀兊氖澜缱兊媒k麗多彩。光學(xué)知識(shí)，是從初中就開(kāi)始學(xué)習(xí)，到高中進(jìn)一步的細(xì)化，但是仍然不夠全面，有必要進(jìn)一步的拓展，豐富廣大高中生對(duì)光學(xué)的認(rèn)識(shí)，了解光學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。

一、光學(xué)基本知識(shí)總結(jié)

（一）光的直線傳播

光的直線傳播是指光在同一種均勻透明的介質(zhì)中沿直線傳播，這是光傳播的基本定理。各種頻率的光在真空中傳播速度C=3×108m/s；各種頻率的光在介質(zhì)中的傳播速度均小于其在真空中的傳播速度，即v

（二）光與影的關(guān)系

影是自光源發(fā)出并與投影物體表面相切的光線在背光面的后方圍成的區(qū)域，即通常所說(shuō)的投影。本影是發(fā)光面較小的光源在投影物體后形成的光線完全不能到達(dá)的區(qū)域。半影是指發(fā)光面較大的光源在投影物體后形成的只有部分光線照射的區(qū)域。天象日食和月食就是光與影的知識(shí)，人位于月球的本影內(nèi)能看到日全食，位于月球的半影內(nèi)能看到日偏食，位于月球本影的延伸區(qū)域（即“偽本影”）能看到日環(huán)食。當(dāng)?shù)厍虻谋居安糠只蛉繉⒃虑蚍垂饷嬲谧。惴謩e能看到月偏食和月全食。

（三）小孔成像及視覺(jué)成像原理

用眼睛看物或像的本質(zhì)是凸透鏡成像原理：角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體共同作用的結(jié)果相當(dāng)于一只凸透鏡。發(fā)散光束或平行光束經(jīng)這只凸透鏡作用后，在視網(wǎng)膜上會(huì)聚于一點(diǎn)，引起感光細(xì)胞的感覺(jué)，通過(guò)視神經(jīng)傳給大腦，產(chǎn)生視覺(jué)。

（四）光的反射

光的反射現(xiàn)象：光從一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)的界面上再返回原介質(zhì)的現(xiàn)象。反射定律：反射光線跟入射光線和法線在同一平面內(nèi)，且反射光線和人射光線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。光滑平面上的反射現(xiàn)象叫做鏡面反射，粗糙平面上的反射現(xiàn)象叫做漫反射。鏡面反射和漫反射都遵循反射定律。

（五）光路可逆原理及平面鏡成像

所有幾何光學(xué)中的光現(xiàn)象，光路都是可逆的。平面鏡只改變光束的傳播方向，不改變光束的聚散性質(zhì)；成像特點(diǎn)是等大正立的虛像，物和像關(guān)于鏡面對(duì)稱；像與物方位關(guān)系為上下不顛倒，左右要交換。

二、光學(xué)知識(shí)拓展

了解光的折射現(xiàn)象，掌握光的折射定律，理解折射率的含義，理解全反射、臨界角的物理概念和內(nèi)涵，了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光纖在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，這些是目前需要學(xué)習(xí)和掌握的。此外還需要了解的是光的其他特性。比較難的是光的衍射和干涉現(xiàn)象、光源的輻射特性、光譜特性等，還有光與其他學(xué)科的交叉知識(shí)。

（一）光的干涉、衍射和光的色散現(xiàn)象

這三種現(xiàn)象都可出現(xiàn)彩色條紋，但光學(xué)本質(zhì)不同。區(qū)分干涉和衍射，關(guān)鍵是理解其本質(zhì)，實(shí)際應(yīng)用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區(qū)分。

兩列光波在空間相遇時(shí)發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強(qiáng)，在另外一些區(qū)域總減弱，從而出現(xiàn)亮暗相間的條紋的現(xiàn)象叫光的干涉現(xiàn)象。只有相干波源發(fā)出的光互相疊加，才能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，在屏上出現(xiàn)穩(wěn)定的亮暗相間的條紋。

光的衍射現(xiàn)象是指光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，能繞過(guò)障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象。該現(xiàn)象只有在障礙物的線度比光的波長(zhǎng)大得不多或可比擬時(shí)才能看到，著名的實(shí)驗(yàn)有菲涅爾衍射、夫瑯和費(fèi)單縫衍射、光柵衍射、圓孔衍射等。

（二）光的偏振

光的電磁理論指出光是電磁波，光的振動(dòng)矢量與光的傳播方向垂直。但在實(shí)際情況中，光矢量總存在著不同的振動(dòng)狀態(tài)，假如光的振動(dòng)方向在振動(dòng)面內(nèi)不具有對(duì)稱性，就發(fā)生了偏振。自然光是光矢量在各個(gè)方向上都不發(fā)生偏振即對(duì)稱分布的光。如果介質(zhì)是偏振材料，則光在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，入射角不一定等于出射角，但始終遵循光的直線傳播定理。

（三）光電效應(yīng)

高中階段學(xué)習(xí)的光電效應(yīng)實(shí)際上是指外光電效應(yīng)，其實(shí)還有內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指光線照射在某些物體上，使得電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象，逸出的電子叫做光電子，其前提是愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)——光是一粒一粒的粒子流，即光子。內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，前者是指半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子——空穴對(duì)，使得導(dǎo)電性能增強(qiáng)；光線越強(qiáng)阻值越低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做光電導(dǎo)效應(yīng)。后者是指由光照射引起的PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。

（四）光知識(shí)的應(yīng)用

利用材料的光照特性能制作成光敏電阻、光敏二極管、硅光電池，用于傳感器制作、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備。利用光的輻射特性，能制作光電高溫計(jì)、光電比色高溫計(jì)、紅外偵查、紅外遙感、天文探測(cè)等設(shè)備。利用光的傳播特性，制作而成的光纖及傳感器，是快速有線上網(wǎng)的設(shè)備。還有生活中常見(jiàn)的光控開(kāi)關(guān)、玩具槍上的紅外線激光等等。光的應(yīng)用不勝枚舉，遍及各個(gè)領(lǐng)域，掌握好知識(shí)就能做自己想做的東西，天道酬勤，相信自己能行。

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