高中物理选修3-4——光  知识点总结

一、光的折射、全反射

1.光的直线传播

在同一均匀介质中光沿直线传播.当光从一种介质进入另一种介质时，传播方向改变.当障碍物或孔的尺寸和波长相等或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将偏离原来的方向.

2.光的反射、平面镜成像

(1)光的反射定律.光从一种介质射到另一种介质的分界面时发生反射，反射光线、入射光线和法线处在同一平面内，反射光线、入射光线分居法线的两侧，反射角等于入射角.

(2)平面镜成像的特点：正立等大的虚像，物与像关于镜面对称

(3)在反射现象中，光路是可逆的，常用到这一特点及边缘光线作图来确定视场的范围.

3.光的折射

(1)折射定律

折射光线、入射光线、法线处于同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦的比值是定值注意（两角三线的含义).

(2)折射率

①折射率定义：

光从真空或空气中射入介质中发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的折射率.折射率是反映介质折射光的本领大小的一个物理量.

②折射率的定义表达式：

 n＝(其中θ1为真空或空气中的角度).

③折射率的其他各种计算表达形s式：

n＝＝＝ (其中c、λ为光在真空或空气中的光速、波长；v、λ′为介质中的光速、波长；C为光发生全反射时的临界角).

④折射率大小的决定因素：介质、光源(主要是频率)，注意：介质的折射率n>1.

(3)折射光路是可逆的.

4.光的全反射 

(1)光疏介质和光密介质：两种介质比较，折射率小的介质叫光疏介质，折射率大的介质叫光密介质；“光疏”和“光密”具有相对性.

(2)全反射现象：光从光密介质入射到光疏介质的分界面上时，当入射角增大到一定程度时，光全部反射回光密介质，这一现象叫全反射现象.

(3)临界角：折射角等于90°时对应的入射角叫做临界角，用C表示，C＝.

(4)发生全反射的条件：①光从光密介质入射到光疏介质；②入射角大于等于临界角.

(5)光导纤维：实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，在内芯和外套的界面上发生全反射.其中内芯是光密介质，外套是光疏介质，它对光具有传导作用

5.光的色散

(1)三棱镜：横截面为三角形的三棱柱透明体称三棱镜.

三棱镜对光线的作用：

①光密三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向底面偏折.物体经棱镜成像向顶角偏移.

②光疏三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向顶角偏折.

③全反射棱镜(等腰直角棱镜)：当光线从一直角边垂直射入时，在斜边发生全反射，从另一直角边垂直射出.当光线垂直于斜边射入时，在两直角边都发生全反射后又垂直于斜边射出.

三棱镜成像：

当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入，从另一侧面射出时，逆着出射光线可以看到物体的虚像

(2)光的色散：

①白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光束.含有多种颜色的光被分解成单色光的现象叫做光的色散.各种色光按其波长的有序排列叫做光谱.

②各种色光性质比较：可见光中红光的折射率n最小，频率υ最小，在同种介质中(除真空外)传播速度v最大，波长λ最大，从同种介质射向真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).

二、光的干涉衍射激光

1.光的干涉现象

(1)光的干涉

两列光波在空间相遇时发生　叠加，在某些区域总加强，在另一区域总减弱，从而出现明暗相间　的条纹的现象叫光的干涉.

(2)干涉的条件

相干光源：频率相同、相差恒定(步调差恒定)的两束光.相干光源采用将一束光一分为二的方法获得，或者采用人造激光.

(3)杨氏双缝干涉

①相干条件：如图

若S1、S2光振动情况完全相同，则符合δ＝r2－r1＝x＝nλ(n＝0,1,2,3…)时，出现亮条纹；

若S1、S2光振动情况完全相同，则符合δ＝r2－r1＝x＝(2n＋1) (n＝0,1,2,3…)时，出现暗条纹.(注意：振动情况完全相反的加强减弱条件)

其中d是两狭缝之间的距离，L是两狭缝到屏的距离，λ是光波的波长.

②相邻亮条纹(或相邻暗条纹)之间的中央间距：

Δx ＝λ

③双缝干涉图样 

单色光：中央为明条纹，两边为等间距对称分布明暗相间条纹；

复合光：中央为明条纹，两边为等间距对称分布彩色条纹.

白光：中央为白色明条纹.

(4)薄膜干涉

①薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而形成.

②生活实例及应用：a.液膜干涉：劈形薄膜干涉可产生平行明暗相间的条纹.

b.固膜干涉：增透膜.

膜的厚度：.

增反膜：.

c.气膜干涉：检查平整程度.

待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹，待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹是平行　的；反之，干涉条纹有弯曲现象.

2.光的衍射现象

(1)光的衍射

光遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域　的现象叫做光的衍射.

(2)明显衍射的条件

从理论上讲衍射是无条件的，但需发生明显的衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟光波的波长相差不多时，光才发生明显的衍射现象.

(3)衍射图样

①单缝衍射：

单色光：中央是最宽的亮条纹，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹；

复合光：中央是最宽的亮条纹，两侧为不等间隔的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光.

注意：与双缝干涉的干涉条纹不同的是：干涉条纹均匀分布，而衍射条纹的中央明纹较宽　、　较亮.

②圆孔衍射：

明暗相间的不等距圆环.

(4)泊松亮斑

光照射到一个半径很小的圆板后在圆板的阴影中心出现亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一.注意泊松亮斑与圆孔衍射条纹的区别：图甲是泊松亮斑，图乙是圆孔衍射条纹.

(5)光的衍射的应用

用衍射光栅测定光波波长.

3.光的偏振

(1)自然光、偏振光

自然光：从光源(如太阳、亮着的灯等)直接发出的光，包含着在垂直于传播方向的一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.

偏振光：①自然光通过偏振片后，在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱，这样的光叫偏振光.②自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时的反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直.我们通常看到的绝大多数光都是偏振光.

(2)光的偏振的物理意义

光的偏振现象充分表明光波是横波.因为偏振现象是横波所特有的现象.

(3)偏振光的应用

全息照相、立体电影等.

4.激光

(1)激光的特点

主要特点有：相干性好；平行度好；亮度很高.

①激光是一种人工相干光，两束相同的激光在相遇区域叠加时，产生非常明显的干涉现象；

②激光具有非常好的平行度，激光在传播很远的距离后仍然保持一定的强度；

③激光具有很强的亮度，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.

(2)激光的重要应用

应用：通信、测距、光盘读取、切割等.

①由于激光是相干光，便于调制，常用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物；

②激光测距雷达、激光刻录光盘等都是根据激光的平行度好的原理制成的；

③利用激光在很短的时间内集中很大的能量的性质，用激光来切割各种物体、焊接金属及在硬质材料上打孔、医学上用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤、“焊接”剥落的视网膜等，利用激光产生的高温高压引起核聚变.

三、波粒二象性

1.光的本性学说的发展史

(1)牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流，它能解释光的直进、光的反射现象，不能解释光的干涉、衍射现象.

(2)惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向四周传播，它能解释光的干涉、衍射现象，不能解释光电效应、光的直进.

(3)麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波，实验依据是电火花实验，证明了光与电磁波在真空中传播速度相等，且都为横波，能够解释光在真空中的传播、光的干涉、衍射，不能解释光电效应.

(4)爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫做光子，其能量与频率成正比，即E＝hυ，能够解释光电效应、光的直进、光的反射，不能解释光的干涉、衍射.

(5)德布罗意的波粒二象性：认为光既有粒子性，又有波动性，个别光子表现粒子性，大量光子表现波动性；光子频率大的粒子性明显，频率小的波动性明显.能够解释所有光现象.

2.光的电磁说

(1)内容：光的本质是电磁波.

(2)意义：光的电磁说说明了光的电磁本质，使人们认识到光波与机械波的本质不同，把光学和电磁学统一起来.

(3)依据：光和电磁波的传播都不需要介质；光和电磁波在真空中的传播速度相同，即

c＝3×108 m/s.

3.光电效应

(1)现象：在光的照射下，物体发射电子的现象，叫做光电效应.

(2)光电效应的规律：①任何一种金属都有发生光电效应的极限频率，入射光的频率必须大于这个频率才能产生光电效应；②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光的频率增大而增大；③光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s；④当入射光的频率大于金属极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比.

(3)光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量与其频率成正比，即E＝hν

(4)光电效应方程：①逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，即W＝hυ0；②光电效应方程：Ek＝ hυ－W.

4.康普顿效应

(1)康普顿效应：即当γ射线或X射线打在物质上，与物质中原子的核外电子发生相互作用，作用后产生散射光子和反冲电子的效应；其作用过程为：当入射X (γ)光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向(散射光子)，电子获得能量而脱离原子(反冲电子)，此种作用过程称为康普顿效应.其结果是：产生了次级电子，反冲电子继而将发生电子与物质的相互作用.

(2)意义：康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要物理实验之一.爱因斯坦光子理论圆满解释了光电效应的实验规律，而康普顿对康普顿效应进行了成功的解释，使光量子说得到了实验的证明，更有力地证明了爱因斯坦光子理论的正确性.

(3)康普顿效应的解释：经典解释(电磁波的解释)：单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动　，向各方向辐射同频率的电磁波.经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应不能做出合理解释；光子理论的解释：①光子不仅有能量hυ，而且有动量h/λ；②模型：X射线光子与静止的自由电子发生弹性碰撞；③在碰撞过程中能量、动量守恒.

(4)康普顿效应进一步证实了光的粒子性.

5.概率波

在双缝干涉图样中，不能肯定某个光子落在哪一点，即光子落在各点的概率是不一样的.但光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小.光子在空间出现的概率可以通过波动　规律确定，所以光波是一种概率波.

6.光的波粒二象性

(1)光既具有波动性，又有粒子性；大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性.

(2)光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量.与其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的多少(概率)，由波动性　起主导作用.

(3)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著.

7.不确定关系式

，其中Δx表示粒子位置的不确定量，Δp表示粒子在x方向上的动量的不确定量.

不确定关系式表明：

(1)微观粒子的坐标测得愈准确(Δx→0)，动量就愈不准确(Δp→∞)；

(2)微观粒子的动量测得愈准确(Δp→0)，坐标就愈不准确(Δx→∞).

但这里要注意，不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准.

四、实验：用双缝干涉测量光的波长

1.实验原理

(1)如果双缝光源的相位相同，双缝到屏上任意一点P的路程差Δx＝nλ时，P点加强，出现亮条纹；

时，P点减弱，出现暗条纹.所以如果用单色光，光屏上将出现明暗相间的条纹，如果用白光，光屏上将出现彩色条纹.

(2)光通过双缝干涉仪上的单缝和双缝后，得到振动情况完全相同的光，它们在双缝后面空间互相叠加，发生干涉现象.

(3)由公式可以计算出光波的波长，其中双缝间距d是已知的，双缝到屏的距离L可以用米尺测出，条纹间距Δx可以用测量头测出.

2.实验器材

光具座、单缝片、双缝片、滤光片(红、绿色滤光片各一片)、遮光筒、光源、测量头(目镜、游标尺、分划板、滑块、手轮)、米尺.

3.实验装置

如图所示：

4.实验步骤

(1)按照上图所示的装置安装好仪器，调整光源的位置，使光源发出的光能平行地进入遮光筒并照亮光屏.

(2)放置单缝和双缝，使缝相互平行，调整各部件的间距，观察白光的双缝干涉图样.

(3)在光源和单缝间放置滤光片，使单一颜色的光通过后观察单色光的双缝干涉图样.

(4)用米尺测出双缝到屏的距离L，用测量头测出相邻的n条亮(暗)纹间的距离a；并利用公式计算出Δx.

(5)利用表达式，求单色光的波长.

(6)换用不同颜色的滤光片重复(3)(4)(5)步骤，观察干涉图样的异同，并求出相应的波长.

5.注意事项

(1)单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的轴线上，双缝到单缝的距离应相等；

(2)测双缝到屏的距离L可以用米尺多次测量取平均值；

(3)测条纹间距Δx时，用测量头测出相邻n条亮(暗)纹之间的距离a，再求出相邻的两条亮(暗)纹之间的距离.

6.误差分析

(1)误差来源

本实验误差的主要来源：①米尺和测量头出现的读数误差对实验结果的影响很大；②单缝、双缝没有严格相互平行，其中心没有位于遮光筒的轴线上；③单缝到双缝的距离没有严格相等.

(2)减小误差的方法

①米尺测量单缝到双缝的距离时多次测量取平均值，测量n条亮纹间距时多测几条亮纹之间的间距和，多次测量取平均值；

②尽量把单缝、双缝调平行，调节单缝到双缝的距离相等，其中心大致位于遮光筒的中心.

五、测定玻璃的折射率

1.实验目的

测定玻璃的折射率.

2.实验原理

如图所示，当光线AO以一定的入射角穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B，从而求出折射光线OO′ 和折射角γ，再根据n＝算出玻璃的折射率.

3.实验器材

一块两面平行的玻璃砖，白纸，木板，大头针，量角器　(或圆规、三角板)，刻度尺.

4.实验装置

如上图所示.

5.实验步骤 

(1)把白纸铺在木板上.

(2)在白纸上画一直线aa′作为界面，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线.

(3)把长方形玻璃砖放在白纸上，并使其长边与aa′重合，再用直尺画出玻璃的另一边bb′.

(4)在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2.

(5)从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P1的像被P2的像挡住.再在bb′一侧插上大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P1、P2的像及P3.

(6)移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置，过P3、P4作直线O′B交bb′于O′；连接O、O′，OO′就是玻璃砖内折射光线的方向；∠AON为入射角　，∠O′ON′为折射角.

(7)用量角器量出入射角和折射角的度数，查出它们的正弦值，并把这些数据记录下来.

(8)用上述方法分别求出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值，记录下来.

(9)算出不同入射角时的值，比较一下，看它们是否接近一个常数.求出几次实验测得的的平均值，这就是这块玻璃的折射率.

6.注意事项

(1)轻拿轻放玻璃砖，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面.严禁把玻璃砖当直尺用.

(2)实验过程中，玻璃砖在纸面上的位置不可移动.

(3)插针P1与P2、P3与P4的间距要适当地大些，以减小确定光路方向时出现的误差.

(4)实验时入射角不能太小(接近零度)，否则会使测量误差加大；也不能太大(接近90°)，否则会不易观察到P1、P2的像.

(5)本实验中如果采用的不是两面平行玻璃砖，如采用三棱镜，半圆形玻璃砖等，只是出射光和入射光不平行，但一样能测出折射率.

7.误差分析

(1)误差来源：

本实验误差的主要来源是测量光在玻璃中的折射角γ的误差；

(2)减小误差的方法

①选用宽度ab较大的玻璃砖，宜在5 cm以上；

②入射角应在15°～75°范围内取值；

③在纸上画aa′、bb′两条线时，应尽量准确地与玻璃砖的两个平行的折射面重合，这样，两交点O、O′才能与光线的实际入射点较好地相符，否则将使画出的玻璃中的光路与实际情况严重偏离.