4.3.2光学支和声学支讲解
物理中考物理光学与声学知识点梳理
物理中考物理光学与声学知识点梳理光学和声学是物理学中非常重要的两个分支，它们研究的是光和声波的传播、反射、折射以及其与物质的相互作用。
对于物理中考的学生来说，了解光学和声学的基本知识点是非常重要的。
本文将对物理中考中常见的物理光学与声学知识点进行梳理。
一、光学1. 光的直线传播光在真空中直线传播，它的传播路径遵循直线传播的特性。
在介质中，光的传播路径会发生改变，产生折射现象。
2. 光的反射与折射当光从一个介质射向另一个介质时，会发生反射和折射现象。
光的反射遵循反射定律：入射角等于反射角。
而光的折射遵循折射定律：入射光线、折射光线和法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两介质的折射率之比。
3. 理想平面镜的成像理想平面镜的成像特点是虚像、直立、与物体相同、距镜面相等。
根据入射光线与镜面的关系，可以确定物体与虚像的位置关系。
4. 光的色散光的色散是指光在通过介质时，不同频率的光会因折射率不同而偏离原来的传播方向。
常见的光的色散现象有黄昏时的红光、橙光、黄光等。
5. 物体和凸透镜的成像物体和凸透镜的成像有实像和虚像两种情况。
当物距大于二倍焦距时，成像是虚像，位置在透镜的同一侧；当物距小于二倍焦距时，成像是实像，位置在透镜的对侧。
6. 光的干涉现象光的干涉现象是指两束或多束光线相互叠加形成明暗交替的条纹图案。
干涉现象包括两种类型：相干干涉和非相干干涉。
其中，相干干涉是由同一光源发出的光产生的干涉现象。
7. 光的衍射现象光的衍射现象是指光通过物体边缘或孔径时，会发生弯曲或扩散的现象。
衍射现象是光波特性的体现，它使光能在物体的背后或物体的附近形成明暗相间的光斑。
二、声学1. 声波的产生和传播声波是一种机械波，是由物体振动引起的，通过介质中的分子的振动而传播。
声波的传播需要介质的存在，例如空气、水和固体等。
2. 声音的基本特征声音有三个基本特征：音调、响度和音色。
音调取决于声波频率的高低，而响度取决于声波的振幅大小。
自然科学基础-光与声资料PPT课件
2020年9月28日
14
热光源：把热转变为光，如太阳、蜡烛、电灯
（与温度有关，颜色改变，如白炽灯内的灯丝、 加热的铁片）
冷光源：把其他形式的能直接转变为光，如日 光灯、水母
（发光物体的温度未升高，颜色随物质构成种 类而定，是更经济的光源）
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点光源：发出光的光尖是一个极小的小点，光均 匀发散
向延长线后在入射光线的一侧形成虚焦点。
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凸透镜的焦点和焦距
2020年9月28日
凹透镜的焦点和焦距
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透镜的折光能力：1 /f = D （焦度） （f是焦距）
透镜成像：用作图法求出
通过光心的光线，经透镜后方向不变；
跟主轴平行的光线，折射后通过焦点；
通过焦点的光线，折射后跟主轴平行
成像图：
凹透镜：成像与物体处于同侧，呈缩小正立虚像
凸透镜焦点以外的物体所成的像跟物体处于异侧，呈倒 立实像；焦点以内的物体所成的像跟物体处于同侧，呈放大 正立虚像
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三、光 速
光在不同介质中的传播速度
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3×108米/秒 稍小于真空中的速度
约空气中的3/4 约空气中的2/3
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★光在空气中1s内传播的距 离相当于绕地球7.5圈， 光从月球传到地球只
需1.3s。
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四、光强度、光通量和光亮度
光强度：表示光源发光强弱的量，用I表示，单位为 坎(cd）
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• 亮度和照度的关联与不同：
关联点是：影响光源亮度和照度高低的 物理量是共同的，即：光通量。
一维双原子链晶格振动光学支与声学支频隙宽度
一维双原子链晶格振动光学支与声学支频隙宽度一维双原子链晶格是一个理想模型，用于研究晶体中原子振动的性质。
它由两种原子按特定顺序排列而成，可以看作是一条由不同类型原子组成的链。
在这个模型中，每个原子可以看作是一个质点，它们在平衡位置附近以简谐振动的方式运动。
在一维情况下，原子只能在链的方向上振动，其振动模式有两种：光学模式和声学模式。
对于一维双原子链晶格，振动可以用简谐振动的方程描述：m₁x₁''(t) + k₁(x₁(t) - x₀(t)) + k₂(x₂(t) - x₁(t)) = 0,m₂x₂''(t) + k₂(x₂(t) - x₁(t)) + k₃(x₃(t) - x₂(t)) = 0,...mₙxₙ''(t) + kₙ(xₙ(t) - xₙ₋₁(t)) + kₙ₊₁(xₙ₊₁(t) - xₙ(t)) = 0,其中，m₁、m₂、...、mₙ分别为原子的质量，k₁、k₂、...、kₙ分别为原子之间的弹性系数，x₁(t)、x₂(t)、...、xₙ(t)分别为原子的位移。
这个方程组可以通过求解本征频率和模位移来描述晶格的振动性质。
根据以上方程，可以得到一维双原子链晶格的频率-波矢关系，即声学支和光学支的频率分布。
在这个关系中，频率由波矢 k 决定，光学支频率通常高于声学支频率。
对于声学支，原子振动是同相的，在低频区域可以近似看作是一组刚性振动模式。
在一维双原子链晶格中，声学支的频率在特定波矢区间内存在频隙，即不存在振动模式。
这个频隙的宽度取决于原子质量、弹性系数和晶格常数等因素。
频隙宽度越大，声学支频率范围限制的越小。
对于光学支，原子振动是异相的，在低频区域振动模式不存在。
光学支的频率范围从声学支频率频隙起始位置开始，直至无穷大。
这个频率范围内存在多个振动模式，频率越高，振动模式的数量越多。
一维双原子链晶格的声学支和光学支频隙宽度是研究材料的重要参数，能够提供有关晶体性质的信息。
中考物理光学与声学的基础
中考物理光学与声学的基础光学与声学是物理学的两个重要分支，通过对光和声音的研究，我们能够更好地理解和应用自然界中的光和声现象。
在中考物理考试中，光学与声学也是一个重要的考点。
本文将从光学与声学的基础知识出发，介绍光的特性和光学仪器、声音的特性和声学仪器，并探讨它们在日常生活和科学研究中的应用。
一、光学的基础知识光学是研究光的性质和行为的学科。
光是一种电磁波，在真空中的传播速度约为300,000公里/秒。
光的传播是直线传播，具有直线传播和反射折射的特性。
1. 光的直线传播光具有直线传播的特性，这一特性使得我们能够通过直线传播的光来观察远处的物体。
在日常生活中，我们利用这一特性看到了很多美丽的景色。
2. 光的反射和折射当光遇到一个界面时，根据光的传播介质的不同，光可以反射或折射。
光的反射是指光线遇到界面后发生反方向传播的现象，这一现象使得我们能够照亮周围的环境。
光的折射是指光线遇到界面后改变传播方向的现象，根据斯涅尔定律，光线在折射时遵循一定的角度关系。
二、光学仪器的应用光学仪器是用来观察、测量和处理光的工具。
在生活和科学研究中，光学仪器发挥着重要的作用。
1. 凸透镜凸透镜是一种常见的光学仪器，它能够把光线聚焦到一个点上，形成实像。
凸透镜被广泛应用于相机、放大镜、显微镜等器材中。
2. 反射望远镜反射望远镜利用反射镜将光线反射并聚焦，可以观察远处的天体。
反射望远镜在天文学研究中起到了重要的作用，帮助人类对宇宙的了解更加深入。
三、声学的基础知识声学是研究声音的产生、传播和接收的学科。
声音是由物体振动引起的机械波，需要介质的存在才能传播。
声音的传播速度随着介质的不同而不同。
1. 声音的传播声音在气体、液体和固体中均能传播，传播速度在不同介质中有所差异。
在日常生活中，我们可以通过声音与他人进行交流。
2. 声音的频率和音量声音的频率决定了声音的音调高低，频率越高，音调越高。
声音的音量则取决于声音的振幅，振幅越大，音量越大。
声学支和光学支定义
声学支和光学支定义
声学支和光学支是物理学中的两个重要分支。
声学是研究声音传播和声波现象的学科，而光学则是研究光传播和光波现象的学科。
下面分别介绍一下这两个分支的定义。
声学支定义
声学是研究声波在物质中传播和产生的学科。
声波是由物体振动产生的机械波，包括压缩波和稀疏波。
声波的传播受到介质的性质和形状的影响，比如声波在空气中传播的速度就比在水中传播的速度要快。
声学研究的领域包括声音的产生、传播、接收和处理等。
光学支定义
光学是研究光传播和光现象的学科。
光是一种电磁波，具有电场和磁场的振动。
光在介质中传播时受到介质的折射、反射、散射等影响。
光学研究的领域包括光的产生、传播、干涉、衍射、偏振、吸收和发射等。
总的来说，声学和光学都是研究波动现象的学科。
声学主要研究声波的传播和产生，而光学则研究光波的传播和产生。
这两个分支在现代科学技术中都有着广泛的应用，比如声学在音乐、语音识别、医学诊断等方面有着重要的应用价值，而光学则在通信、光学存储等领域也有着广泛的应用。
- 1 -。
声子谱声学支光学支
声子谱声学支光学支声子谱是固体物理学的一项重要研究工作，研究的是固体中的振动声子。
声子谱的概念比较抽象，但是它是解释固体材料特性以及对其进行应用的关键。
声子谱的研究可以从声学支和光学支两个方面进行。
声学支是指通过比例效应产生的晶格振动，而光学支则是非常类似于电磁波的振动模式。
本文将分别从声学支和光学支两个方面分析声子谱的研究。
声学支声学支是指比例振动，这种振动是固体中最基本的振动形式。
其特征是晶格的各向同性，振动的传递方式是常规的波动。
在固体中，比例振动的传递是通过原子或离子在周围离子中的振荡传递的。
它是一个长波长模式，具有向导波的性质，因此在宏观上表现为声波。
当一个声波通过固体时，它会导致固体中各个原子沿固体传播振动。
这种振动行为就是声子，其频率与波矢有关。
由于固体中原子的结构和排布方式不同，因此每种固体的声子谱都是独特的。
研究声子谱可以帮助人们理解这些差异，同时也有助于人们了解固体的声学性质和热学性质。
声学支的理论基础是比例效应。
比例效应指的是固体中在晶格结构中发生长度变化的效应。
当一个声波传播时，原子会围绕其平衡位置振动，这将导致晶格距离的变化。
这些振动可以被看作是一系列的弹性波，因此声波被看作是压缩波或纵波。
这些弹性波的传播被描述为固体中的声传递，这也是声学支的基本概念。
声学支的研究还可以提供有关错位和缺陷的信息。
当原子在晶格结构中错误排列或缺失时，这些振动模式将会受到影响。
利用声子谱可以确定材料中的缺陷和错位情况，从而对其进行改善和控制。
光学支是固体中的另一种振动形式。
它的特点是晶格的各向异性。
它是特有的振动模式，因为它的频率与波矢无关，并且具有电场和磁场的性质。
这种振动是由固体中的电子和晶格之间的相互作用引起的。
光学支的传播方式与电磁波相似，也具有向导波的性质。
在光学支中，固体中的电子与晶格发生空间振动，并产生电场或磁场的效应。
这种振动行为也被称为横波，因为其振动方向垂直于波的传播方向。
初中物理教案：声学与光学基本原理
初中物理教案：声学与光学基本原理一、引言声学和光学是物理学的两个重要分支，涉及到人们日常生活中的声音和光线现象。
通过本教案，学生将了解并掌握声音和光线如何传播、反射、折射以及如何利用这些原理进行实际应用。
二、教学目标1.理解声音和光线在空气和其他介质中的传播方式；2.掌握声音反射、折射以及光线反射和折射的基本规律；3.培养观察、实验和解决问题的能力；4.培养科学思维和合作精神。
三、课程内容1. 声学部分（1）声音的产生与传播•声音的产生方式：振动源•声波的传播方式：机械波，需要介质•听觉器官：耳朵的结构与功能（2）声音反射与回声•声波的反射规律：入射角等于反射角•回声的形成原因与应用（3）声音折射与共振•声波的折射规律：斯涅尔定律•什么是共振现象及其应用2. 光学部分（1）光线的传播与反射•光的产生方式：发光体和光源•光的传播方式：直线传播，需要介质或真空•光的反射规律：入射角等于反射角（2）光的折射与色散•光的折射规律：斯涅尔定律•为什么会出现色散现象（3）镜子和透镜的应用与实验•平面镜、凹面镜、凸面镜的特点和应用•凸透镜、凹透镜的特点和应用四、教学方法1.讲解法：通过讲解声学与光学基本原理，引导学生理解相关概念；2.实验法：设计简单实验或观察活动，让学生亲身参与，并通过观察实际现象验证所学原理；3.讨论法：鼓励学生提出问题，并进行小组或全班讨论，促进交流合作。
五、评价方式1.成绩考核：小测验、课堂互动和实验报告；2.合作评价：小组合作能力、讨论能力和参与度。
六、教学资源1.多媒体投影仪及PPT演示；2.声音与光线的模型或实验装置；3.实验记录表与笔记本。
通过这样一个声学与光学基本原理的教案，学生将不仅可以深入了解声音和光线的传播规律，还能通过实验和观察加深对这些原理的理解。
同时，培养学生观察、思考和解决问题的能力，以及科学思维和团队协作精神，为未来的学习打下坚实的基础。
一维单原子链有 支格波,且是 波(光学或声学)。
一维单原子链有支格波,且是波(光学或声学)一维单原子链是指所有原子都位于同一条直线上的晶格结构。
在这样的结构中，支格波是一种特殊的波动形式，它在晶格内传播，由于晶格的周期性结构而呈现出特定的性质。
支格波可以分为光学支格波和声学支格波两种类型，它们分别对应着不同的波动性质和传播特点。
在一维单原子链中，光学支格波是指在晶格中原子的振动与电磁波的耦合现象。
这种耦合导致了支格波在晶格中的传播，其频率范围通常高于声学支格波。
光学支格波的频率与晶格的结构有关，通常在布里渊区的边界处出现，对应着晶格的高频振动模式。
光学支格波通常具有较高的能量和传播速度，其在晶体中传播时能够产生材料的光学性质变化，例如光学吸收、光学色散等现象。
另声学支格波是指晶格中原子的振动与物质的机械性质耦合所形成的波动现象。
声学支格波的频率范围通常低于光学支格波，对应着晶格的低频振动模式。
声学支格波在晶格中的传播速度通常较慢，且具有较低的能量。
它们在晶体中的传播会导致声学性质的变化，例如声子散射、声子导热等现象。
对于一维单原子链中的支格波，其理论描述和实验观测都具有重要意义。
从理论上讲，通过研究支格波的频谱和传播特性，可以深入理解晶格动力学和固体材料的特性。
从实验上讲，通过光学或声学手段观测支格波的传播行为，可以验证理论模型，并且为材料科学和物理学的研究提供重要数据。
一维单原子链中的支格波是一种具有特殊传播性质的波动现象，包括光学支格波和声学支格波两种类型。
它们对应着晶格中的不同振动模式，具有重要的理论和实验意义。
通过深入研究支格波的特性，可以更好地理解固体材料的性质和行为，为材料科学和物理学的发展贡献重要的理论和实验成果。
在我看来，一维单原子链中的支格波是固体物理学中非常有趣且具有挑战性的研究课题。
通过对支格波的深入探索，我们可以揭示材料的微观结构和性质，为材料设计和应用提供新的思路和方法。
支格波的研究也可以深化我们对波动理论和晶格动力学的理解，拓展物理学的研究领域。
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v弹
a mM 2a
2 a mM
1 2
由此可以看出，弹性波的波速与长声学波的波速完全相 等，即长声学波与弹性波完全一样。
长声学波，格波可以看成连续波，晶体可以看成连续介质。
二、离子晶体的长光学波
1.黄昆方程
由两种不同离子组成的一维复式格子。
上式是标准的波动方程，其解为：u( x , t ) u0e
代入得：
2
i t qx
c
q2
由此得弹性波的传播相速度： v弹
q
c
在简单情况下上式中c相当于杨式模量。
恢复力
du um 1 um 将上式用于一维复式格子，应变是 , dx a
其中um+1和um分别是第m+1个及第m个原子的位移，a为第 m+1个及第m个原子平衡离子位移极化 P 电子位移极化 Pe
对于长光学波，在相当大的范围内，同种原子的位移相
同，所以离子位移极化强度为：
1 P e u u Ω
e*为离子的有效电荷量
一个原胞内正负离子受到有效电场的作用，产生的电子 位移极化强度为： 1 Pe E Ω 其中为原胞的体积，+ ，- 分别为正负离子的电位移极化 率， = + + 1 α e u u E 则总的极化强度为： P P Pe Ω Ω
(1) ( 2)
---黄昆方程
W b11W b12 E P b21W b22 E
其中b11 2
(1) ( 2)
e b12 b21
1 3 0 Ω
1 2
3 0 Ω
e
2
1 3 0 Ω
Ω
b22
u
e E, 1 3 0 Ω
1 1 P e u E Ω 1 3 0 Ω
引进位移参量
W
Ω
u
则有
W b11W b12 E P b21W b22 E
1 P 代入，得： 将 E E 3 0
1 1 P e u E Ω 1 3 0 Ω
再看离子运动方程，我们对一维复式格子的方程
d 2 x2n M x 2 n 1 x 2 n 1 2 x 2 n 2 dt d 2 x 2 n 1 m x 2 n 2 x 2 n 2 x 2 n 1 2 dt
以u 代替x2n , x2n 2 ;以u代替x2n1 , x2n1
作用在离子上的除了准弹性恢复力以外，还要考虑到有
效电场的作用。
2 u u e E ' Mu 2 u u e E ' mu
4.3.2 光学支和声学支
以一维双原子链为例讨论。
一、 长声学波
1.对于声学支格波
2 A 1 2 2 m M m M 2mM cos2aq 2
mM
q 0,
2 A aq, m M
vp
2 a mM
2.对于连续介质
考虑介质中x与(x+dx)间长度为dx的一段，设一维介质的 线密度为，则这段介质的运动方程为：
Ω 3 0
W b11W b12 E P b21W b22 E
(1) ( 2)
(1)式代表振动方程，右边第一项 b11W为准弹性恢复力，
第二项表示电场 E 附加了恢复力。 (2)式代表极化方程， b21W 表示离子位移引起的极化，第
二项表示电场 E 附加了极化。 2.LST关系(Lyddane—Sachs—Teller关系) 晶体内无自由电荷，得
du F c dx ,
um 1 um F c a
又:
F um1 um
d2u dr 2 a
可推知： c a
m M 对一维复式格子，显然密度为： 2a
v弹
q
c
c a
1 2
m M 2a
2 e 3 Ω e 0 u E, 2 1 1 3 Ω 3 0 Ω 0
u
2 e 3 0 Ω 2 1 3 0 Ω
光学波
声学波
长光学波，在半波长范围内，正负离子各向相反的方向
运动，电荷不再均匀分布，出现以波长为周期的正负电荷集中
的区域。由于波长很大，使晶体呈现出宏观上的极化，因此长
光学波又称为极化波。
对于立方晶格，洛伦兹提出了求解有效电场的方法，由理 论分析得到：
1 E E P 3 0
'
有效电场
2 u( x , t ) c 2 u( x , t ) 改用偏微商的符号，则有： t 2 x 2
d 2 u( x ) d 2 u( x ) 即: c , 2 2 dt dx
d 2 u x du( x , t ) du( x dx , t ) dx F ( x ) F ( x d x ) c , 2 dt dx dx
则正负离子的运动方程为：
令u u u
' Mu 2 u e E ' mu 2 u e E
由上式 (a ) m (b) M 得:
(a ) (b)
mM mM
* 2u e E u