光学、原子物理知识总结

光学、原子物理知识总结

光学

一、光的折射：

1、折射定律：折射光线与入射光线、发现处在同一平面内，折射光线与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成正比。

表达式：r

i

n sin sin =

2、折射现象中，光路可逆。

3、折射率：

物理意义：反应介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射入到该介质时，偏折大。

（1）r i

n sin sin =

为比值定义。由介质本身的光学性质和光的频率决定。 （2）v c

n =，任何介质的折射率总大于1。

（3）r

i

n sin sin =中i 总是真空中光线与法线的夹角。

4、几个典型的折射光路 （1）平行玻璃砖的光路

两面平行的玻璃砖，出射光线和入射光线平行，且光线发生了侧移。 （2）球形玻璃砖的光路

（3）平行玻璃砖的光的侧移距离

如图所示，由题意可知，O 2A 为偏移距离Δx ，有：Δx ＝d

cos r

·sin(i －r )

n ＝sin i sin r 若为同一单色光，即n 值相同．当i 增大时，r 也增大，但i 比r 增大得快，

sin(i －r )＞0且增大，d

cos r

＞0且增大。

若入射角相同，则：Δx ＝d sin i (1－cos i

n 2－sin 2i )即当n 增大，Δx 也增大

结论：

（1）同种单色光的侧移距离随入射角的增大而增大 （2）不同种单色光的折射率大的侧移距离大

二、全反射

1、条件：① 光从光密介质射入光疏介质。

② 入射角大于等于临界角。 2、临界角：n

C 1

sin =

，C 为折射角为900时的入射角。 B A i 30° 120° r ′ O

A E

B

C

D

O ′

60° M

4、典型情景

三、光的色散 1、光的色散：

色散：白光通过三棱镜会形成由红到紫各色光组成的彩色光谱。 规律：入射角相同时，紫光的偏向角大。 2、三棱镜的光路

通过玻璃棱镜光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折．．．．，虚像向顶角偏移。

3、光学中的一个现象一串结论 一个现象：色散现象

四、光的干涉现象： 1、条件：

① 频率相同，振动方向一致 ② 相差恒定（步调差恒定） 2、产生明暗条纹的条件：

明条纹：2122L r r x n d λ

δ=-==，（n =0、1、2、3…）时，出现亮条纹； 暗条纹：21(21)2

L r r x n d λ

δ=-==+，（n=0，1，2，3…）时，出现暗条纹。

相邻亮条纹（或相邻暗条纹）之间的中央间距为L

x d

λ?=。

3、熟悉条纹特点

中央为明条纹，两边等间距对称分布明暗相间条纹。

4． 用双缝干涉测量光的波长

n v λ(波动性) 衍射 C 临 干涉 间距 γ (粒子性) E 光子 光电效应 红 黄

紫

小 大 大 小 大 (明显)

小 (不明显)

容易 难

小 大

大 小

小 (不明显)

大 (明显)

小 大

难 易

全反射棱镜 C O P P ′ 点光源照亮的圆形区域半径：tan r h C =

h r

（1）原理：两个相邻的亮纹或暗条纹的中心间距是

L

x

d

λ

?=

测波长为：

d

x

L

λ=?

（2）观察双缝干涉图样：

白光：中央亮条纹的边缘处出现了彩色条纹。

单色光：形成明暗相间的条纹。

（3）测定单色光的波长：

双缝间距是已知的，测屏到双缝的距离L，测相邻两条亮纹间的距离x

?，测出n个亮纹间的距离a则

两个相邻亮条纹间距：

1

a

x

n

?=

-

。

（4）若通过双缝则在光屏上出现双缝干涉条纹

．．．．图样

若将其中一条缝遮住则出现单缝衍射条纹

．．．．图样

5．薄膜干涉

6．应用

（1）照相机、望远镜的镜头表面的增透膜——膜的厚度是光在膜这种介质中的波长的

．．．．．．．．．．．．1/4

．．．。

肥皂膜干涉

相干光的来源：液膜前后两个反射面的光

等倾干涉

相干光的来源：样板和被检查平面间的空气膜上牛顿环

1

1

5

0 5 10

2

5

3

0白炽灯滤光片单缝双缝遮光筒屏

（2）检查工件表面是否平整。

五、光的衍射现象

光偏离直线传播绕过障碍物进入阴影区域里的现象。

产生明显衍射的条件：障碍物或孔（缝）的尺寸与波长可比（相差不多）或更小。

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．单色光单缝衍射图象特点：中央条纹最宽最亮，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹。

应用：用衍射光栅测定光波波长。

单缝衍射双缝干涉图样

产生条件障碍物的尺寸比波长小或和波长

差不多

①频率相同，振动方向一致

②相差恒定（步调差恒定）

不同点

条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等

条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等

相同点干涉衍射都是波特有的现象，属于波的叠加，都有明暗条纹

实例

小孔衍射

单缝衍射

圆屏衍射（泊松亮斑）

下过雨后路上积水上的油膜

肥皂膜干涉

眼镜上的增透膜

照相机镜头上镀膜

等倾干涉（检查工件平整度）

牛顿环

七、光的偏振

（1）偏振光与自然光

偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。

自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。

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，反射光和折射光就都是偏振光，且它们

光振动垂直纸面

（2）机械波和光的偏振

（3）偏振光的应用：利用偏振滤光片摄影、观看立体电影等（4）光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

八、激光的特点及应用：

①频率单一

②相干性好

③平行度好（方向性好）

④亮度高（能在很小空间、很短时间内集中很大的能量）

光的波粒二象性

一、知识结构

二、光电效应

1、在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。

发射出来的电子叫光电子。（装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌板表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。）

2、光电效应的规律。

（1）任何一种金属都有一个极限频率0ν

入射光的频率必须大于这个极限频率0v v >，才能产生光电效应；若入射光的频率低于这个频率，不论入射光多么强，也不论光照射时间有多么长，都不能发生光电效应。

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。 （3）瞬时性：入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过9

10-秒。 （4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比。 3、理解疑难点

（1）有关光电效应的问题主要是两个方面：一个是关于光电效应现象的判断，另一个就是运用光电效应方程进行简单的计算。解题的关键在于掌握光电效应规律，明确各概念之间的决定关系，即有：

强度——决定着每秒光源发射的光子数

频率——决定着每个光子的能量E hv =

紫外线灯

每秒逸出的光电子数——决定着光电流的强度

波

粒

二

象

性

能量量子化

黑体与黑体辐射

普朗克假设：能量子 康普顿效应：石墨晶体对伦琴射线的散射，说明光具有动量

光电效应

现象：光照使金属发射电子

本质

规律

最大初动能由入射光的频率决定

任何金属都存在极限频率 光电子数目正比于光强 瞬时性

光电效应方程：0W h E k

-=ν

光子说：光子能量νε

h =

物质波：p

h =

λ

概率波：粒子落在明纹处概率大，暗纹处概率小

x △p ≥

π

4h

（2）光电效应产生的条件

两种表述（1）入射光频率大于极限频率；（2）入射光的能量大于逸出功

（3）逸出功:电子逸出金属表面克服阻力做功的最小值。

逸出功的大小由金属种类决定，与入射光无关。 4、光电管（光电效应管）和X 射线管

三、康普顿效应

石墨晶体对伦琴射线的散射，说明光具有动量。 证明了光．具有粒子性．．．．．

四、物质波

物质波也称为“实物波”或“德布罗意波”，德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应。

德布罗意波: 频率：h

ε

ν= 波长：p

h =

λ 五、不确定关系

微观粒子的位置和动量不想宏观粒子那样是完全确定的，而是有一定的范围，但动量不确定范围和位置不确定范围之间有一个确定关系，这就是不确定关系：π

4h p x ≥??。

六、光子和实物粒子的区别

碰撞前

近代物理

一、历史人物及相关成就

1、汤姆生：发现电子，并提出原子枣糕模型 ——说明原子可再分．．．．．

2、卢瑟福：α粒子散射实验——说明原子的核式结构模型

发现质子 3、查德威克：发现中子

4、约里奥.居里夫妇：发现正电子

5、贝克勒尔：发现天然放射现象——说明原子核可再分．．．．．．

6、爱因斯坦：质能方程2

mc E =，2

mc E ?=?

7、玻尔：提出玻尔原子模型（三个假设），解释氢原子线状光谱 8、密立根：油滴实验——测量出电子的电荷量 9、伦琴：发现X 射线，也称为伦琴射线 10、德布罗意：提出物质波的假设 二、原子的结构

1、原子的核式结构模型

（1）α粒子散射实验结果：

绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数α粒子发生了较大偏转，极少数α粒子甚至被反弹回来。 （2）原子的核式结构模型：

在原子中心有一个很小的原子核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。

（3）原子核的尺度：原子核直径的数量级为10-15m ，原子直径的数量级约为10-10m 。

（4）原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。 2、玻尔原子模型

（1）原子只能处于一系列能量不连续的状态中，具有确定能量的稳定状态叫定态。原子处于最低能级的状态叫基态，其他的状态叫激发态。

（2）原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。 （3）跃迁频率条件：

高能m 态到低能n 态：辐射光子 λ

c

h E E hv n m =-=

汤姆生发现电子 （阴极射线）

枣糕模型 （汤姆生） 核式结构 （卢瑟福） 能级理论 （玻尔） 氢原子电子云示意图 α粒子散射实验 氢原子线性光谱 解释

3、原子跃迁

（1）使原子跃迁的两种粒子——光子和实物粒子

a 、原子吸收光子的能量跃迁．．．．．．．．．

：光子的能量必须等于两能级差。即n m E E hv -=。 b 、原子吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量跃迁．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。由于实物粒子的动能可能全部或部分被原子吸收，所以只要实物粒子的能量大于或等于两能级的能量差，就可以发生能级跃迁。即m n hv E E ≥-。 （2）跃迁和电离的区别：

跃迁条件：n m E E hv -=；

电离条件：m hv E >（例如处于基态的原子电离条件：13.61hv ev >） （3）原子跃迁发出的光谱线条数2

)

1(2

-=

=n n C N n ，是一群氢原子，而不是一个，因为某一个氢原子有固定的跃迁路径。 4、氢原子的能量 （1）轨道模型

核外电子绕核作圆周运动类似量子化的卫星模型。

库仑力提供向心力：22

2=e v k m r r

电子的速度：2

ke v mr

=

电子的周期：3

222r mr T v ke ππ

== 电子的动能：2

2122k ke E mv r

==

电子的电势能：2

(0)P p ke E E r

∞=-= 氢原子的总能量：2

2k p ke E E E r

=+=-总

类型

可控性 核反应方程典例

衰变

α衰变

自发 e H Th U 4

22349023892+→ β衰变

自发

e Pa 012349123490

Th -+→

γ衰变 伴随α、β衰变进行的

人工转变 人工控制

H o He N 1117842147+→+卢瑟福发现质子

n C He Be 101264294

+→+查德威克发现中子

n P He l 1

03015422713A +→+ 约里奥.居里夫妇

注意：这些公式不需要背，只需要理解方

提醒：

1、核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单箭头表示反应方向，不能用等号连接。

2、核反应的生成物一定要以实验事实为基础，不能凭空只依据两个守恒定律杜撰出生成物来写出核反

应方程

3、核反应遵循质量数守恒

．．．．．。

．．．．．而不是质量守恒，遵循电荷数守恒

四、三种射线比较

2质子+2中子→氦核 1中子→1质子+1电子

α、β衰变次数的确定

α衰变的特点：

1次α衰变原子核质量

数少4，核电荷数少2。

处理的方法：

先利用质量数的变化确定α衰变的次数，在

确定β衰变的次数。

【例】23290Th （钍）经过一系列α和β衰变，变成20882Pb

（铅）。 α衰变次数：1232208

64

n -=

= β衰变次数：282(9026)4n =--?=

β衰变的特点：

1次β衰变质量数不变，而核电荷数增加1。

α、β射线在匀强磁场中的偏转

α衰变

β衰变

由mv

R qB

=

可知，新核与α、β粒子的动量相等而方向相反，带电量小的粒子轨迹半径大。即α、β粒子的半径大。

提醒：

1、 半衰期：表示原子衰变一半所用时间

2、 半衰期由原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态（如单质、化

合物）无关．． 3、 半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，个别原子核经多长时间衰变无法预测，对个别或极少数原子核，无半衰期而言。

4、 衰变规律：T t

t N N ??

? ??=210 T

t

t m m ??? ??=210

5、 放射性同位素的应用：（1）工业、探伤、农业、医疗等（2）作为示踪原子

五、核力与核能

1、核力：原子核内核子间存在的相互作用力

2、特点：强相互作用、短程力，作用范围1.5×10-15m 之内

3、核能

（1）质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和他的质量成正比。即2

mc E = 含义：物体具有的能量与他的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大，物体的能量减小，质量也减小。

（2）核子在结合成核子时出现质量亏损m ?，吸收的能量也要相应减小。2

mc E ?=?

原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加m ?，吸收能量2mc E ?=? （3）获得方式：重核裂变和轻核聚变

电磁场和电磁波

一、麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波的存在。赫兹证实了电磁波的存在。 二、麦克斯韦电磁场理论：

（1） 恒定的磁场（电场）不能产生电场（电场）

（2） 周期性变化的电场（磁场）产生同频率的周期性变化的磁场（电场），才能形成电磁波

（3） 变化的磁场能够在周围空间产生电场，这种电场与电荷激发的静电场不同，它的电场线是闭

合的，它的存在与空间有无导体或者有无不合电路无关。

三、对电磁波的理解

（1） 电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波速度是相同的（都等

于光速）

（2） 不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的频率越高，波速越小。 （3） f v λ=

提醒：电磁波不同于机械波，机械波传播必须有介质，而电磁波不需要介质，机械波的波速仅取决于介质，而电磁波的波速与介质及波的频率均有关系。 四、电磁波谱的分析应用

电磁波谱

特性

应用 波长关系 递变规律 无线电波 波动性强，易发生衍射

无线电技术 最长 衍 直

射 线 能 传 力 播 减 能 弱 力

增 强

红外线 热效应 红外线遥感 可见光 引起视觉

照明、摄影 紫外线 化学效应、荧光效应、杀菌

医用消毒、 X 射线

贯穿性强 检查、医用透视 射线γ

贯穿本领最强

工业探伤、医用治疗

最短

五、狭义相对论 1、 基本假设：

（1） 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 （2） 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。 2、 在高速运行时：

尺子变短、时钟变慢、质量增加。