1、新概念物理教程光 學課程介紹 期末成績構成 平時（20）+期中考試（20）+期末考試（60） 平時成績 課堂考勤及表現10+作業10分 作業需在后一周之內上交，過期不予批改。第一章 光和光的傳播2 光的幾何光學傳播規律光的幾何光學傳播規律3 光的波動光學傳播基礎光的波動光學傳播基礎惠更斯原理惠更斯原理4 費馬原理費馬原理5 光度學基本概念光度學基本概念1 光和光學光和光學1 光和光的傳播光和光的傳播一、光的本性一、光的本性(緒論緒論)1、萌芽時期、萌芽時期 (公元前公元前5世紀公元世紀公元15世紀末世紀末) 人眼發出的觸須樣；物體發出的人眼發出的觸須樣；物體發出的爭論爭論2、幾何光學時期幾何光

2、學時期 (AC16AC18世紀世紀) 微粒說；波動說；微粒說占上風微粒說；波動說；微粒說占上風因為牛頓太偉大了因為牛頓太偉大了 3、波動光學時期波動光學時期 (AC1920世紀初世紀初) 1865，麥克斯韋方程：電磁波波速為，麥克斯韋方程：電磁波波速為C光也是電磁波光也是電磁波 1888，赫茲實驗：，赫茲實驗： 彈性媒質以太中的橫波彈性媒質以太中的橫波 成就成就：光與電磁波統一，自然現象相互聯系的辯證思：光與電磁波統一，自然現象相互聯系的辯證思 想，對光的本性認識前進了一大步。想，對光的本性認識前進了一大步。 遺留問題遺留問題：以太的問題；光波到底是什么波？：以太的問題；光波到底是什么波？ 第

3、一章 光和光的傳播4、量子、量子光學時間（光學時間（19001960）光的粒子性光的粒子性 黑體輻射、光電效應、康普頓效應等黑體輻射、光電效應、康普頓效應等光的波動性光的波動性 大量的干涉、衍射、偏振現象大量的干涉、衍射、偏振現象德布羅意物質波德布羅意物質波 每一物質粒子都與一定波相聯系每一物質粒子都與一定波相聯系 戴維孫戴維孫革未革未電子衍射實驗電子衍射實驗 1927年年光的波粒二象性光的波粒二象性 E=h ； P=h/玻恩玻恩 1925年，波粒二象性的幾率解釋年，波粒二象性的幾率解釋概率波概率波5、現代、現代光學時期光學時期 (20世紀世紀60年代開始年代開始)關于光的本性關于光的本性至今

4、答案沒有令人滿意的答案至今答案沒有令人滿意的答案任何經典的概念都不能完全概括光的本性。任何經典的概念都不能完全概括光的本性。波粒二象性波粒二象性暫時回答光的本性問題。暫時回答光的本性問題。 1、熱輻射、熱輻射 2、光的非熱發射、光的非熱發射溫度輻射溫度輻射在一定溫度下處于熱平衡狀態物體的輻射，在一定溫度下處于熱平衡狀態物體的輻射， 如太陽、白熾燈、燒紅的鐵等。如太陽、白熾燈、燒紅的鐵等。電致發光電致發光電場補給能量電場補給能量日光燈日光燈熒光熒光電磁波或電子束作用下電磁波或電子束作用下電子顯象管電子顯象管磷光磷光受電磁波或電子束作用后的持續發光受電磁波或電子束作用后的持續發光夜光表指針夜光表指

5、針化學發光化學發光化學反應，如腐物在空氣中氧化化學反應，如腐物在空氣中氧化“鬼火鬼火”生物發光生物發光特殊類型的化學反應特殊類型的化學反應螢火蟲螢火蟲 一些基本概念一些基本概念二、光源與光譜二、光源與光譜光速光速常數常數單色光單色光譜線寬度：譜線寬度： 可見光可見光:波長范圍波長范圍可見光：可見光：400 760 nm；頻率范圍：頻率范圍： 連續光譜連續光譜 線光譜線光譜 c400nm760nm14147.5 10 Hz4.1 10 Hz8299792458m/s3 10 m/sc 復色光復色光譜密度譜密度典型譜線典型譜線 00( )IdIid( )dIid 光強度光強度坡印亭矢量：坡印亭矢量

6、：電磁波的平均能流密度、電磁波的平均能流密度、平面電磁波是橫波平面電磁波是橫波 平面電磁波是橫波平面電磁波是橫波坡印亭矢量的大小坡印亭矢量的大小 關系式關系式200rrSEHE SEH00rrEH 001rcn 光強度光強度波動觀點波動觀點 電磁波的平均能流密度電磁波的平均能流密度S20IE2220000001cos ()2TTnEnISSSdttdtETTcc同一種介質，通常只寫：同一種介質，通常只寫： 在光波頻段：2T00rrEH 1r001rcn 2200000rrrnSEHEEEEc 001111cos2(t)dtsin(2t2 )222TTTT1、幾何光學、幾何光學 線線 直線傳播、

7、反射、折射、成像直線傳播、反射、折射、成像 應用光學應用光學2、波動光學、波動光學 波波 干涉、衍射、偏振、光速干涉、衍射、偏振、光速介質波介質波3、量子光學、量子光學 粒子粒子 黑體輻射、光電效應、康普頓效應黑體輻射、光電效應、康普頓效應 光子光子 德布羅意波德布羅意波概率波概率波波粒二象性波粒二象性4、現代光學、現代光學 光子學光子學 激光、光纖通信、非線性光學激光、光纖通信、非線性光學 集成光學、信息光學、超快速光學集成光學、信息光學、超快速光學光子計算機光子計算機 并行、并行、寬帶、高速、準確寬帶、高速、準確 三、光學的研究對象、分支與應用三、光學的研究對象、分支與應用2 光的幾何光學

8、傳播規律光的幾何光學傳播規律一、幾何光學三定律一、幾何光學三定律 1、直線傳播定律直線傳播定律：各向同性均勻介質各向同性均勻介質 物體的影子物體的影子 針孔成像針孔成像 2、反射定律反射定律 與與 n 無關；無色散。無關；無色散。ii 則則 ， 對稱：光路可逆對稱：光路可逆ii ii 漫反射現象之解釋漫反射現象之解釋(1) 文字表述（略）文字表述（略）(2) 數學表式數學表式(3) 討論：討論： 光的反射與折射光的反射與折射 (3) 討論討論)()(sinsin1212fnfinni 光疏媒質與光密媒質之相對性光疏媒質與光密媒質之相對性3、折射定律折射定律vcnnnvviiinin,sinsi

9、nsinsin1221212211(2) 數學表式數學表式(1) 文字表述（略）；文字表述（略）； 色散現象色散現象(4) 應用：應用：改變光路方向：改變光路方向：航天器、航天器、精密光學儀器等精密光學儀器等 光的折射光的折射 1、全反射全反射12arcsinnnic 當光從光密介質進入當光從光密介質進入光疏介質，入射角達到某光疏介質，入射角達到某一值（臨界角）時，不再一值（臨界角）時，不再有折射光而全部被反射有折射光而全部被反射全反射，全反射，其臨界角的大其臨界角的大小為小為 利用全反射改變光路在生產和科研上有廣泛的應用利用全反射改變光路在生產和科研上有廣泛的應用。 光纖通信就是利用全反射原

10、理光纖通信就是利用全反射原理90sinsin21ninc 全反射全反射二、全反射二、全反射 光學纖維（光導纖維）光學纖維（光導纖維） 2、光導纖維光導纖維 光學纖維光學纖維 原理：原理：全反射全反射 結構：結構：纖芯的折射纖芯的折射率大于包層的照射率率大于包層的照射率21nn 光導纖維的原理光導纖維的原理 利用全反射棱鏡改變光路利用全反射棱鏡改變光路 3、利用全反射改變光路利用全反射改變光路 光在漸變折射率介質中傳播光在漸變折射率介質中傳播001122coscoscosnnn常量001122sinsinsinninini常量90i 4、光在漸變折射率介質中傳播、光在漸變折射率介質中傳播海市蜃樓

11、海市蜃樓1、色散色散：折射角隨波長而不同折射角隨波長而不同 色散光譜色散光譜 2、三棱鏡：三棱鏡：橫截面是三角形棱鏡橫截面是三角形棱鏡3、三棱鏡的最小偏向角三棱鏡的最小偏向角過程略（見課本過程略（見課本P12-13P12-13） 三棱鏡的折射三棱鏡的折射 三、棱鏡與色散三、棱鏡與色散此時，入射光與出射光對稱，棱鏡內光線與棱鏡底邊平行此時，入射光與出射光對稱，棱鏡內光線與棱鏡底邊平行 1122,iiii亦m insin2sin2n當當有有4、棱鏡作用棱鏡作用(2) 色散色散 重要的分光元件重要的分光元件 兩類光譜儀之一，棱鏡、光柵兩類光譜儀之一，棱鏡、光柵(1) 改變光路改變光路 科研、軍事、生

12、產、航天等科研、軍事、生產、航天等 三棱鏡的色散三棱鏡的色散 光譜儀原理光纖連接口狹縫濾波片準直鏡分光原件（光柵、或棱鏡）準直鏡聚光透鏡探測器CCD、光電探測器等四、四、光路的可逆性原理光路的可逆性原理 光路的可逆性原理光路的可逆性原理 3 惠更斯原理惠更斯原理一、波的幾何描述一、波的幾何描述1、光線光線 ：光能量的傳播方向的光能量的傳播方向的幾何線幾何線 理想模型：理想模型：不是細光束不是細光束2、波面：光波相位相等各點構成的面、波面：光波相位相等各點構成的面波前：最前面的那個波面波前：最前面的那個波面 均勻各向同性介質：均勻各向同性介質：直線直線非均勻介質：非均勻介質：曲線曲線3、單心（同

13、心）光束單心（同心）光束 物點為頂點的發散光物點為頂點的發散光 束，其波面為球面束，其波面為球面 物點為頂點的發散光束物點為頂點的發散光束 二、惠更斯原理的表述二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原三、惠更斯原理對理對反射定律反射定律和和折射定律折射定律的的解釋（略去解釋（略去P16-17）惠更斯原理惠更斯原理 次波次波OR 子波子波 惠更斯理論解釋反射、折射 用惠更斯原理解釋光直進性用惠更斯原理解釋光直進性 四、四、直線傳播直線傳播問題問題大孔徑障礙物大孔徑障礙物光的傳播方向光的傳播方向l 本質： 次波源激發的波之間的干涉。l 近似性： CD之外仍有波動，即衍射。用惠更斯原理可以定性解釋光的衍射用

14、惠更斯原理可以定性解釋光的衍射 五、光的衍射問題五、光的衍射問題衍射問題衍射問題衍射問題衍射問題小孔徑障礙物小孔徑障礙物光的傳播方向光的傳播方向水波的衍射水波的衍射開孔越小，衍射現象越明顯開孔越小，衍射現象越明顯 第1次作業 P32-P34：1-13；1-19；4 費馬原理費馬原理一、光程一、光程 定義：定義： 光在介質中的幾何路徑長度與該介質折射率的乘積光在介質中的幾何路徑長度與該介質折射率的乘積ccLnLLcctLvv()QPLQ Pn d liiiQ Pnl光程光程 1、文字表述文字表述：光沿著所需時間為極值的方向傳播。光沿著所需時間為極值的方向傳播。 或：或： 光沿著光程為極值的方向傳

15、播。光沿著光程為極值的方向傳播。2、數學表述數學表述： 0QPdsv實際路徑上，時間變分為零實際路徑上，時間變分為零 極極值值極大極大極小極小恒定恒定或或0QPnds實際路徑上，光程變分為零實際路徑上，光程變分為零 費馬原理費馬原理 二、費馬原理的表述二、費馬原理的表述1、反射定律反射定律由費馬原理推導反射定律由費馬原理推導反射定律 三、由費馬原理推導三、由費馬原理推導 幾何光學三定律幾何光學三定律假設在入射面內有兩條假設在入射面內有兩條光線：光線：QMP 和和QMP顯然，顯然，QMPQMP，故光程，故光程 QMPQMP 即即QMP最短！最短！由于鏡像對稱，有光程由于鏡像對稱，有光程 QMP

16、QMP（1）定性證明定性證明 反射定律反射定律2、折射定律折射定律由費馬原理推導折射定律由費馬原理推導折射定律 兩條物像光線兩條物像光線 QMP ；QMP顯然，顯然，光程光程 QM QM PMS B. SS C. S=S D. SSD3. 在真空中波長為的單色光，在折射率為n的透明介質中，從A沿某路徑傳播到B，若A、B兩點相位差為3，此路徑AB的光程為：【 】A.1.5 B. 1.5 /n C. 1.5n D. 3 A4. 試列舉出幾個光直線傳播的例子影子小孔成像日蝕、月食夜晚射向天空的光束激光筆指示千手觀音5. 晴朗的夜晚，我們看到的星星與其實際位置相比：【 】A.偏低 B.相同 C.偏高 D.不確定C12111arcsinsiniiiinn蒙氣差蒙氣差 12121cos1011sininin 蒙氣差12111arcsinsiniiiinn=1.0003蒙氣差6. 課本P31思考題1-8。v1BA水v20 xi1i2y1y2l解：任選岸邊一點X求出所需總時間t22221212lxyxytvv求t最小時，x的值，t對x求導：222222110lxxtvxyvlxyv1BA水v20 xi1i2y1y2l22222211l