光学及近代物理

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1、第十四章光学一、光的直线传播1•光在同一种均匀介质中是沿直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；"海市蜃楼”现象（介质不均匀）。当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，将发生明显的衍射现彖，光线将可能偏离原来的传播方向。解光的直线传播方面的计算题（包括H食、月食、本影.半影问题）关键是画好示意图，利用数学中的相似形等儿何知识计算。例1•如图所示，在人点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源S。现将小球从4点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影

2、子在墙上的运动是A.匀速直线运动C.变加速直线运动解：小球抛出后做平抛运动,B.自由落体运动D.匀减速直线运动时间/后水平位移是W,竖直位移是厶*刃2,根据相似形知识可以由比例求得兀=座/0C/,因此影子在墙上的运动是匀速运动。2v2.光速光在真空中的转播速度为c=3.00Xl（）8m/so⑴光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过Co⑵近年来（1999-2001年）科学家们在极低的压强（10-9Pa）和极低的温度（10你）下，得到一种物质的凝聚态，光在其中的速度降低到17m/s,其至停止运动。⑶也有报道称在实验中

3、测得的光速达到10nm/s,引起物理学界的争论。二、反射平面镜成像1.像的特点看到AB完整像的范围平血镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。2.光路图作法根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。3.充分利用光路可逆在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。（眼睛在某点力通过平面镜所能看到的范围和在A点放一个点光源，该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。）4.利用边缘光线作图确定范围例2如图所示，画出人眼在S处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。解：先根据对称性作出人眼的像点S-再根据光路可逆，设想

4、S处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。图屮画出了两条边缘光线。例3.如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到A3完整像的范围。解：先根据对称性作IP.AB的像A/,分别作点、B点发出的光经平面镜反射后能射到的范围，再找到它们的公共区域（交集）。就是能看到完整像的范围。三、折射与全反射1.折射定律折射定律的各种表达形式：n=sin^i=£=±=1为入、折射角中的较大者。）sin%v才sinC0折射光路也是可逆的。2•各种色光性质比较可见光中，红光的折射率"最小，频率F最小，在同种介质中（除真空外）传播速

5、度V最大，波长人最大，从同种介质射向冀空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。以上各种色光的性质比较在定性分析时非常重要，一定要牢记。3•边作图边计算有关光的折射和全反射，在解题时耍把计算和作图有机地结合起來，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。例4•直角三棱镜的顶角"=15。，棱镜材料的折射率/匸15—细束单色光如图所示垂直于左侧而射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。解：由，匸1.5知临界角人于30°小于

6、45°,边画边算可知该光线在射到/!、B、C、Q各点时的入射角依次是75。、60。、45。、30°,因此在A、B、C均发生全反射，到D点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。4•光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界而，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。例5.如图所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为〃二应的材料制

7、成。一细束激光由其左端的中心点以<7=45°的入射角射入光导纤维内，经过-•系列全反射后从右端射出。求：⑴该激光在光导纤维中的速度v是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：⑴由n=c/v可得v=2.1X108m/s⑵由«=sina/shir可得光线从左端面射入后的折射角为30。,射到侧面时的入射角为60°,大于临界角45。，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端而。由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为5=2L/V3，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是心/戶2・7><100。四、棱镜1・

8、棱镜对光的偏折作用i般所说的棱镜都是用光密介质制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反丿作图