大学物理学光学第一章第五节
第一章第五节 用单摆测定重力加速度
第五节用单摆测定重力加速度【教学目标】一、知识与技能1、使学生学会用单摆的周期公式间接测定当地的重力加速度；知道直接或间接测量物理量，是物理学的常用方法。
2、使学生学会处理数据的两种方法：平均法和图像法；3、让学生能正确熟练地使用秒表。
二、过程与方法1、回顾单摆的周期公式，设计用单摆测定重力加速度的实验方案，会选取实验器材，规划实验步骤。
2、进行实验操作，会选取计时起点，有效，准确地收集数据。
3、通过实验数据的分析与处理，学会数据分析、处理的方法，得出实验结论。
体会使用图象研究物理问题的优越性三、情感态度与价值观1、通过课堂活动、讨论与交流培养学生的团队合作精神。
2、通过减少测摆长、周期及数据处理上的误差，培养学生仔细观察、严谨治学的科学素养。
3、通过分析、归纳新旧知识，养成适时将所学知识进行梳理、区分、归纳、总结的良好学习习惯。
【教学重点、难点】1．重点：用单摆测重力加速度的方法；及处理数据的方法：平均法和图像法。
2．难点：对实验误差的来源和分析是本节课的难点。
【教学用具】长约一米的细丝线、通过球心开有小孔的金属小球、带有铁夹的铁架台、毫米刻度尺、三角尺、秒表、多媒体。
【教材分析和教学建议】这一节课的目的：一是让学生加深对单摆简谐运动的理解和认识。
通过推导用单摆测重力加速度的公式、计时时刻的确定（以最低点速度最快时为计时起点）、摆球的要求（质量大且体积小）、摆长的确定（从球重心到悬点的长度）及单摆做简谐运动的条件（在一个平面内运动且摆角小于50）来达成第一个目的。
二是培养学生实验技能，加强学生的科学素养。
主要通过探讨测量加速度的方法、编写实验步骤、根据实验原理确定器材、如何通过测定摆长、周期以减小偶然误差；学习平均法和图像法处理数据并分析实验误差来实现第二个目的。
通过分组探究、分析讨论的方法使学生深刻体会、经历实验的过程，让学生明白做什么，怎样做，为什么这样做，这样做的误差在哪里，做一个实验的设计者和操作者，而不是旁观者和执行者。
《大学物理光学》PPT课件
1
i
C
2
e AB cos r
e AB BC cosr
'
c
A
e
B
AC ACsini 2etgrsini
2ne sinr λ δ 2n1e sini cosr cosr 2
sini n u1 sinr n 1 u 2
2e λ δ ( n n 1 sinrsini) cosr 2
凸起
（4）牛顿环 R-e R
e
r
λ 明纹 2e kλ 2 λ λ 暗纹 2e ( 2k 1) 2 2 2 2 2 R r (R e)
r R 2 Re e
2 2 2
R>>e
r 2 R e
2
r
2Re
0
明环半径
r
λ ( 2k 1)R 2
k 1,2,3
例题，已知 =500nm 平行单色光垂直入射 a=0.25mm f=25cm 求:(1)两第三级明纹之间的距离 f
x3 o
（2）第三级明条纹的宽度 解： （1）第三级明条纹满足
7 a sinθ 3 λ k3 2 7λ f x3 7 x3 a sinθ 3 λ si nθ 3 2a 2 f
） 菲涅耳衍射（近场衍射 衍射的两大分类 夫琅和费衍射（远场衍 射）
菲涅耳衍射 光源，屏幕 距衍射屏有限远
夫琅和费衍射 光源，屏幕 距衍射屏无限远
S
P
菲涅耳衍射
（近场衍射） 衍射屏
菲涅耳
圆孔 圆屏 单缝 双缝 单边
衍射
圆孔 圆 屏 夫琅和费
单缝 双缝 单边
衍射
大学物理光学第一章答案
i1《1的条件下，取小角近似
于是有
sin i1 i1 ,cos i1 cos i2 1
x n 1 i1t n
•
12如图所示，在水中有两条平行线1和2，光线2射到水和平行平板玻璃的分界面上。
• •
（1）两光线射到空气中是否还平行？ （2）如果光线1发生全反射，光线2能否进入空气？ 解: 我们先推到一下光线经过几个平行界面的多层媒质时出射光线的方向。 因为界面都是平行的，所以光线在同一媒质中上界面的的折射角与下界面的入射角相等，如下图所示：
• • • • •
解得
S0 R
sin i sin u
S0 ' R
sin i ' sin u '
u u ' (i ' i)
又根据折射定律 进一步得到 由此可见，只在
n sin i n 'sin u
S0 n ' sin i ' R n sin u
以及角度关系
S0 '
f 如设该透镜在空气中和在水中的焦距分别为 f1 ，2 ，按上式有 f2 n 1 L f1 ( nL 1) n0 1.50 1 ( f1 10.0) f1 则 f2 3 1.50 1 4
4 f1 40cm
•
• •
• •
3用一曲率半径为20cm的球面玻璃和一平玻璃粘合成空气透镜，将其浸入水中（见图），设玻璃壁厚可忽略，水和空气的折射 率分别为4/3和1，求此透镜的焦距f。此透镜是会聚的还是发散的？ 1 n 4 r 解:以 nL 1 ，0 3 ， 20cm ， r2 代入薄透镜焦距公式 f 1 n 1 1 ( L 1)( ) n0 r1 r2 算出该空气薄透镜（置于水中）的焦距为 f= - 80cm ，它是发散透镜。
《光学教程第一章》课件
光学教程第一章PPT课件
章节概述
光学基础知识
从光学的起源和发展，介绍光学的基本概念 和原理。
光的本质和特性
探索光的波粒二象性，频率和波长，速度以 及偏振。
光的传播和衍射
解读光的传播方式，直线传播，散射和吸收， 以及衍射现象。
光的折射和反射
揭示光的折射规律，全反射，反射规律，并 介绍实验。
3
光的速度
探索光在不同介质中传播时的速度变化。
4
光的偏振
讲解光的偏振现象及其在实际应用的意义。
光的传播和衍射
光的传播方式
详细介绍光是如何在空间中传播的。
光的散射和吸收
探讨光在遇到粗糙和杂乱表面时的散射和吸 收现象。
光的直线传播
解析光在均匀介质中直线传播的规律。
光的衍射现象
阐述光通过孔隙或障碍物时发生的衍射现象。
光的折射和反射
光的折射规律 光的全反射
光的反射规律 光的反射实验
介绍光在两个介质交界面发生折射时的规律。 探索光从光密介质射向光疏介质时发生的全反 射。 解析光在平面镜和曲面镜上的反射规律。 介绍一些简单的光的反射实验，如镜子实验。
光的干涉和衍射
光的干涉现象
阐述不同光波相互作用导致的干涉现象。
干涉的类型
光学基础知识
光的定义
详细讲解光的定义和相关概念。
光的属性
解析光的属性，如波动性和微粒性。
光的来源和产生
探索光的来源和产生，如自然光和人工光源。
光学实验
介绍一些基本的光学实验，如折射、反射和干涉。
光的本质和特性
1
光的波粒二象性
阐述光的波动性和微粒性的双重特性。
第一章第五节 用单摆测定重力加速度
第五节用单摆测定重力加速度[教学目标]一、知识与技能1、使学生学会用单摆的周期公式间接测定当地的重力加速度；知道直接或间接测量物理量，是物理学的常用方法。
2、使学生学会处理数据的两种方法：平均法和图像法；3、让学生能正确熟练地使用秒表。
二、过程与方法1、回顾单摆的周期公式，设计用单摆测定重力加速度的实验方案，会选取实验器材，规划实验步骤。
2、进行实验操作，会选取计时起点，有效，准确地收集数据。
3、通过实验数据的分析与处理，学会数据分析、处理的方法，得出实验结论。
体会使用图象研究物理问题的优越性三、情感态度与价值观1、通过课堂活动、讨论与交流培养学生的团队合作精神。
2、通过减少测摆长、周期及数据处理上的误差，培养学生仔细观察、严谨治学的科学素养。
3、通过分析、归纳新旧知识，养成适时将所学知识进行梳理、区分、归纳、总结的良好学习习惯。
[教学重点、难点]1．重点：用单摆测重力加速度的方法；及处理数据的方法：平均法和图像法。
2．难点：对实验误差的来源和分析是本节课的难点。
[教学用具]长约一米的细丝线、通过球心开有小孔的金属小球、带有铁夹的铁架台、毫米刻度尺、三角尺、秒表、多媒体。
[教材分析和教学建议]这一节课的目的：一是让学生加深对单摆简谐运动的理解和认识。
通过推导用单摆测重力加速度的公式、计时时刻的确定〔以最低点速度最快时为计时起点〕、摆球的要求〔质量大且体积小〕、摆长的确定〔从球重心到悬点的长度〕及单摆做简谐运动的条件〔在一个平面内运动且摆角小于50〕来达成第一个目的。
二是培养学生实验技能，加强学生的科学素养。
主要通过探讨测量加速度的方法、编写实验步骤、根据实验原理确定器材、如何通过测定摆长、周期以减小偶然误差；学习平均法和图像法处理数据并分析实验误差来实现第二个目的。
通过分组探究、分析讨论的方法使学生深刻体会、经历实验的过程，让学生明白做什么，怎样做，为什么这样做，这样做的误差在哪里，做一个实验的设计者和操作者，而不是旁观者和执行者。
大学物理-第五节 光栅衍射
四 主极大的缺级 如果某主极大的位置 同时又是单缝衍射极小位置 则该衍射角同时满足两个光程差公式
d sin m 和 asin k
结果:
由于单缝衍射满足极小
A( ) 0
所以使得这一级主极大无法出现
这一现象叫主极大缺级
从 d sin m 和 asin k
得
d m
ak
缺级满足关系
m d k (k 1,2,) a
a
5000
2 104
0
A
0 25
（3）由光栅公式
I
d sin k
k 4 sin 0 25 0
d
4 5000
8 104
0
A
0 25
或由缺级条件： d 4 a
0
d 4a 8104 A
sin 0.25
0、1、 3
0
例3 入射光 5000A ，由图中衍射光强分布确定
(1) 缝数 N = ?
I
(2) 缝宽 a = ?
(3) 光栅常数 d = a+b = ? 0
sin 0.25
解： （1）由相邻主极大之间有N-1条暗纹，N-2条 次极大可知：N＝5。
（2）由单缝衍射暗纹公式 a sin k k 1 sin 0 25
d sin 3紫
d sin 2
400 ~ 760nm
3 2
紫
600nm
二级光谱重叠部分:
600 ~ 760nm
用途——光谱分析
如果光源发出的是白光，则光栅光谱中除零级 近似为一条白色亮线外，其它各级亮线都排列成连 续的光谱带。由于电磁波与物质相互作用时，物质 的状态会发生变化，伴随有发射和吸收能量的现象， 因此关于对物质发射光谱和吸收光谱的研究已成为 研究物质结构的重要手段之一。
大一物理第五章知识点总结
大一物理第五章知识点总结物理作为自然科学的一门重要学科，是研究物质及其运动规律的科学。
大一物理课程的第五章主要涉及到光学方面的内容，对于我们理解光的特性和光学现象具有重要的作用。
本文将对大一物理第五章的知识点进行总结和梳理。
第一节：光的直线传播光在真空和同质均匀介质中的传播呈直线传播，遵循光的直线传播原理。
光的直线传播过程中，遵循光的折射定律和反射定律。
折射定律描述了光从一个介质进入另一个介质时，发生折射的规律。
反射定律则描述了光射入到介质边界时，以相同的角度和强度反射回原来的介质。
第二节：光的反射与折射光的反射是指光线遇到介质的边界时，按照反射定律产生反射现象。
光的折射是指光线从一种介质进入到另一种介质时，按照折射定律产生折射现象。
反射和折射都是光学中常见的现象，对我们理解光的传播具有重要的意义。
第三节：光的波动性光既具有粒子性，又具有波动性。
在一些特定的实验中，我们可以观察到光的干涉和衍射现象，证明了光的波动性。
光的波动性是由于光是电磁波，具有波粒二象性。
光的波动性使得我们可以对光线进行干涉、衍射等实验，研究光的传播规律。
第四节：光的干涉与衍射光的干涉是指两束或多束同频率、同相的光波相遇时，互相干涉而产生明暗相间的干涉条纹的现象。
干涉可分为两种类型：构成干涉的两个光源可以是同一光源经过分路之后再重合，这种叫做自相干干涉；构成干涉的两个光源可以是两个不同的光源，这种叫做外自相干干涉。
衍射是指光通过障碍物或光通过有限孔径的障碍物时产生的光的偏折现象。
干涉和衍射是光学研究中重要的现象，有广泛的应用价值。
第五节：光的偏振光的偏振是指光的振动方向在空间中的取向。
有两种主要的偏振方式：线偏振和圆偏振。
线偏振是指光的振动方向在同一平面上，可以是水平方向、垂直方向或其他方向。
圆偏振是指光的振动方向绕光线方向旋转形成的。
偏振光在光学仪器的制造和传感器技术中具有重要的应用。
第六节：光的衍射与互补波光的衍射现象在实际生活中有广泛的应用，例如光栅、衍射仪器等。
大学物理光学第一章 振动
π
ω
x
4） ）
x = A cos( ω t +
π
2
)
v A
ω
ω
v A
t=0 =0
π
t =0
O
2
x
5） x = A cos( ω t − ）
O
−
π
3
)
6） ）
x = A cos( ω t +
π
3
ω
v A
π
3
)
v A
ω
O
x
t =0
3
π
t =0
2π ) 7） x = A cos( ω t − ） 3
O
π 即质点在A/2和A两个状态下的相位差 即质点在A/2和 A/2
3
∆ ϕ = (ω t 2 + ϕ ) − (ω t1 + ϕ ) = ω∆t
T π T ∆t = = = ω 2π 3 6 T T T = 2 .4 ( s ) + = 1( s ) 6 4
O
∆ϕ
x
A A/2
●
π
3
v A
ω
x
O
●
1
t（s)
ω −π 3 = π 2
ω = 5π 6
T = 2.4s
另解： 另解：
O
π
v t=0 A
3
ω
x
质点由A/2到平衡位置的时间为1s 质点由A/2到平衡位置的时间为1s A/2到平衡位置的时间为
T 即： ∆t + = 1 4
质点由A/2到 质点由A/2到A，旋转矢量转过的角度为π/3 A/2 旋转矢量转过的角度为π/3
华中科技大学-物理光学-第一章
他的灿烂一生属于爱丁堡，属于剑桥大学，更属于全世界”。
2021/7/11
1-2 平面电磁波
波动方程
2E
1 v2
2E t 2
0..........(1 8)
2B
1 v2
2B t 2
0..........(1 9)
1-2
• 平面波方向余弦为cosα，cosβ的情况
在z＝z0平面的复振幅：
E~( x )
A ex p (i
2
z0 cos )
exp[i 2 (x cos y cos )] y
x
y
kz x
x cos y cos const
x
dx y dy
dx / cos,dy / cos
u 1 cos ,v 1 cos
Ex
Acos
z c
t , Ey
0, Ez
0
试写出相联系的磁场表达式。
2021/7/11
1-5 光波的辐射
➢光源：热光源、气体放电光源、激光器
➢原子发光—电中心振荡 电偶极子辐射模型
+q Bk
p ql p0 exp(it)
l
距离谐振偶极子很远的地方考察
E
辐射球面波，幅度随角变化 -q
E在p和r的平面内，E、B和k
式中： A、 A'— —电场、磁场的振幅，
— —简谐波的波长， [2 (z vt)] — —波的相位.
[ 2 (z vt)] const — —等相面或波面，
其中最前面的波面称为波前.
2021/7/11
1－2
光学课程教学大纲
《光学》课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分课程名称：光学所属专业：材料物理课程性质：专业基础课学分：3.0（二）课程简介、目标与任务光学是自然科学中发展最早的学科之一，它与人类生活密不可分，与自然科学的发展密切相关。
光学是材料物理学本科专业的一门重要的专业必修基础课程，是研究光的本性、光的传播及光和物质的相互作用的基础学科，激光的出现和发展使光学的研究进入了一个崭新的阶段，更加扩大了光学在高科技领域、生产和国防上的应用。
通过本门课程的学习，使学生系统地掌握有关光学的基本概念，基本规律和基本的计算方法，掌握光学的基础理论，基础知识和基本技能，了解现代光学及光学与其他学科、技术相结合的发展状况，为学习后续课程以及今后的工作打下基础。
本课程的任务是使学生掌握光的干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律，了解光学在科研、生产和实践上的应用；培养学生学习的兴趣；培养学生的学习能力、科学探究能力和分析解决问题的能力，培养学生实事求是、勇于探究的科学精神和辩证唯物主义世界观。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接学习光学，需要对电磁波理论和粒子理论有一定的了解，所以光学应滞后于高等数学、力学、电磁学等课程开设。
光学又是原子物理学、电动力学和量子物理学等课程的基础，应先于这些课程开设。
（四）教材与主要参考书。
教材：《现代光学基础》，钟锡华编著，北京大学出版社，2003年8月主要参考书：1.《高等物理光学》,羊国光,宋菲君编著,中国科学技术大学出版社,2008年9月2.《光学原理》,马科斯·玻恩著,电子工业出版社,2005年8月3.新概念物理教程《光学》,赵凯华编著, 高等教育出版社,2004年11月二、课程内容与安排按照光学的教学目的和要求，本大纲按54学时作安排，其内容及课时分配如下。
“*”号的内容作为了解，可以讲授，但是这些内容在考试时都不作统一要求。
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光是电磁波, 光在界面上反射和折射时应满足电磁 场的边界条件. 即
E1t E2t ,
H1t H 2t .
将入射光、反射光和折射光分解为s和p分量.
E p1
H s1
z
H s1
E p2 H s2
y
o
E 1 p
x
为便于讨论 , 取入射面, 分别用两个图描述电场 s 分量 和 p 分量在反射和折射时振动振幅及方向变化.
s2
2 半波损失
半波损失
半波损失
Es1 Es1 Es2 .
解得 s 分量的振幅反射比:
x
Es1.
⊙H p1
⊙ Es1
H p1
Es1 sin( i1 i2 ) rs , Es1 sin( i1 i2 )
振幅透射比:
n1 y n2
i1 i1
O
H p2
i2⊙ E .
Es2 2 sin i2 cos i1 ts . Es1 sin( i1 i2 )
⊙ i2 H s2
Ep 2
由边界条件, 各切向分量之间关系可表示为
E p1 cos i1 E 1 cos i1 E p 2 cos i2 , p
H s1 H s1 H s 2 .
根据
H
(1) (2)
0 r E, 0 r
且透明介质有
r 1.
因此上面(2)式可变为
(3)
n1 sin i1 n2 sin i2 ,
rp
E 1 p E p1
tg (i1 i2 ) , tg (i1 i2 )
振幅透射比:
tp
Ep2 E p1
2 sin i2 cosi1 . sin(i1 i2 )
(b) 讨论S分量 对于 s 分量, 同理有
H p1 cos i1 H p1 cos i1 H p2 cos i2 ,
1.5菲涅耳公式
(1) 菲涅耳公式 当光通过不同的介质界面时, 入射光分为反射光和入射光两部分, 折射定律和反射定律决定了它们的方向, 而这两部分光的强度和振 动的取向, 则需要用电磁理论来讨论.
因为光在介质界面上反射和折射时, 其平行于入射面的分量(又称 平行分量,用 p表示,或简称p分量)，与垂直于入射面的分量(又称垂 直分量,用s 表示,或简称s分量) 的行为不同.
0 r1 0 r1 0 r 2 E p1 E 1 Ep2 , p 0 0 0
即
r1 E p1 r1 E 1 r 2 E p 2 , p
n1 E p1 n1 E 1 n2 E p 2 . p
联立(1),(3) ,并代入 得 p 分量 振幅反射比:
(2)首先讨论电场的p分量: 先确定入射面内Ep1方向, 随后 由“随线坐标”定
H s1
Ep1 i1 ⊙
n1
x
Epi1 i1
O
i1
Ep1
⊙H s1
S E H, H s1 , H s1 , H s 2 .
y
n2
i2
图中六个分量都是O点处的值,为明显 起见,画在远离O点的位置.