光学基本概念和规律

光学包括两大部分内容：几何光学和物理光学．几何光学（又称光线光学）是以光的直线传播性质为基础，研究光在煤质中的传播规律及其应用的学科；物理光学是研究光的本性、光和物质的相互作用规律的学科．

一、重要概念和规律

（一）、几何光学基本概念和规律

1、基本规律

光源发光的物体．分两大类：点光源和扩展光源．点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合．光线——表示光传播方向的几何线．光束通过一定面积的一束光线．它是温过一定截面光线的集合．光速——光传播的速度。光在真空中速度最大。恒为C=3×108m/s。丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大距离测出了光速。法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出了光这。实像——光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的．虚像——光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。本影——光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区．半影——光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域．

2．基本规律

（1）光的直线传播规律先在同一种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直线传播的例证。

（2）光的独立传播规律光在传播时虽屡屡相交，但互不扰乱，保持各自的规律继续传播。（3）光的反射定律反射线、人射线、法线共面；反射线与人射线分布于法线两侧；反射角等于入射角。

（4）光的折射定律折射线、人射线、法织共面，折射线和入射线分居法线两侧；对确定的两种介质，入射

角（i）的正弦和折射角（r）的正弦之比是一个常数．介质的折射串n=sini/sinr=c/v。全反射条件①光从光密介质射向光疏介质；②入射角大于临界角A，sinA=1/n。

（5）光路可逆原理光线逆着反射线或折射线方向入射，将沿着原来的入射线方向反射或折射．

3．常用光学器件及其光学特性

（1）平面镜点光源发出的同心发散光束，经平面镜反射后，得到的也是同心发散光束．能在镜后形成等大的、正立的虚出，像与物对镜面对称。

（2）球面镜凹面镜有会聚光的作用，凸面镜有发散光的作用．

（3）棱镜光密煤质的棱镜放在光疏煤质的环境中，入射到棱镜侧面的光经棱镜后向底面偏折。隔着棱镜看到物体的像向项角偏移。棱镜的色散作用复色光通过三棱镜被分解成单色光的现象。

（4）透镜在光疏介质的环境中放置有光密介质的透镜时，凸透镜对光线有会聚作用，凹透镜对光线有发散作用．透镜成像作图利用三条特殊光线。成像规律1/u+1/v=1/f。线放大率m=像长/物长=|v|/u。说明①成像公式的符号法则——凸透镜焦距f取正，凹透镜焦距f 取负；实像像距v取正，虚像像距v取负。②线放大率与焦距和物距有关．

（5）平行透明板光线经平行透明板时发生平行移动（侧移）．侧移的大小与入射角、透明板厚度、折射率有关。

4．简单光学仪器的成像原理和眼睛

（1）放大镜是凸透镜成像在。u

（3）幻灯机是凸透镜成像在f＜u＜2f时的应用。得到的是倒立放大的实像．

（4）显微镜由短焦距的凸透镜作物镜，长焦距的透镜作目镜所组成。物体位于物镜焦点

外很靠近焦点处，经物镜成实像于目镜焦点内很靠近焦点处。再经物镜在同侧形成一放大虚像（通常位于明视距离处）。

（5）望远镜由长焦距的凸透镜作物镜，辕焦距的〕透镜作目镜所组成。极远处至物镜的光可看成平行光，经物镜成中间像（倒立、缩小、实像）于物镜焦点外很靠近焦点处，恰位于目镜焦点内，再经目镜成虚像于极远处（或明视距离处）。

（6）眼睛等效于一变焦距照相机，正常人明视距约25厘米。明视距离小子25厘米的近视眼患者需配戴凹透镜做镜片的眼镜；明视距离大于25厘米的远视25者需配戴凸透镜做镜片的眼镜。

（二）物理光学——人类对光本性的认识发展过程

（1）微粒说（牛顿）基本观点认为光像一群弹性小球的微粒。实验基础光的直线传播、光的反射现象。困难问题无法解释两种媒质界面同时发生的反射、折射现象以及光的独立传播规律等。

（2）波动说（惠更斯）基本观点认为光是某种振动激起的波（机械波）。实验基础光的干涉和衍射现象。

①个的干涉现象——杨氏双缝干涉实验

条件两束光频率相同、相差恒定。装置（略）。现象出现中央明条，两边等距分布的明暗相间条纹。解释屏上某处到双孔（双缝）的路程差是波长的整数倍（半个波长的偶数倍）时，两波同相叠加，振动加强，产生明条；两波反相叠加，振动相消，产生暗条。应用检查平面、测量厚度、增强光学镜头透射光强度（增透膜）．

②光的衍射现象——单缝衍射（或圆孔衍射）

条件缝宽（或孔径）可与波长相比拟。装置（略）。现象出现中央最亮最宽的明条，两边不等距发表的明暗条纹（或明暗乡间的圆环）。困难问题难以解释光的直进、寻找不到传播介质。

（3）电磁说（麦克斯韦）基本观点认为光是一种电磁波。实验基础赫兹实验（证明电磁波具有跟光同样的性质和波速）。各种电磁波的产生机理无线电波自由电子的运动；红外线、可见光、紫外线原子外层电子受激发；x射线原子内层电子受激发；γ射线原子核受激发。可见光的光谱发射光谱——连续光谱、明线光谱；吸收光谱（特征光谱。困难问题无法解释光电效应现象。

（4）光子说（爱因斯坦）基本观点认为光由一份一份不连续的光子组成每份光子的能量E=hν。实验基础光电效应现象。装置（略）。现象①入射光照到光电子发射几乎是瞬时的；②入射光频率必须大于光阴极金属的极限频率ν。；

③当ν＞v。时，光电流强度与入射光强度成正比；④光电子的最大初动能与入射光强无关，只随着人射光灯中的增大而增大。解释①光子能量可以被电子全部吸收．不需能量积累过程；②表面电子克服金属原子核引力逸出至少需做功（逸出功）hν。；③入射光强。单位时间内入射光子多，产生光电子多；④入射光子能量只与其频率有关，入射至金属表，除用于逸出功外。其余转化为光电子初动能。困难问题无法解释光的波动性。

（5）光的波粒二象性基本观点认为光是一种具有电磁本性的物质，既有波动性。又有粒子性。大量光子的运动规律显示波动性，个别光子的行为显示粒子性。实验基础微弱光线的干涉，X射线衍射．

二、重要研究方法

1．作图锋几何光学离不开光路图。利用作图法可以直观地反映光线的传播，方便地确定像的位置、大小、倒正、虚实以及成像区域或观察范围等．把它与公式法结合起来，可以互相补充、互相验证。

2．光路追踪法用作图法研究光的传播和成像问题时，抓住物点上发出的某条光线为研究

对象。不断追踪下去的方法．尤其适合于研究组合光具成多重保的情况。

3．光路可逆法在几何光学中，一所有的光路都是可逆的，利用光路可逆原理在作图和计算上往在都会带来方便。

实验辅导

物理学是一门以实验为基础的科学。近年来对学生物理知识的各种全面测试中（如高考等）也非常重视对学生实验能力的考查。因此，物理实验的复习是整个总复习中不可缺少的一个重要组成部分．

一、实验的基本类型和要求

中学物理学生实验大体可以分为四范其要求如下：

1．基本仪器的使用除了初中已接触过的常用仪器（如天平秤、弹簧秤、压强计、气压计、温度计、安培计、伏特计等）外．高中又学习了打点计时器、螺旋测微器、游标卡尺、万用电表等，要求了解仪器的基本结构，熟悉各主要部件的名称，懂得工作（测量）原理，掌握合理的操作方法，会正确读数，明确使用注意事项等．

2．基本物理量的测量初中物理中巴学过长度、时间、质量、力、温度、电流强度、电压等物理量的测量，高中物理进一步学习了对微小长度和极短时间、加速度（包括g）、速度、电阻和电阻率、电动势、折射率、焦距等物理量的测量。要求明确被测物理量的含义，懂得具体的测量原理。掌握正确的实验方法（包括了解实验仪器、器材的规格性能、会安装和调试实验装置、能选择合理的实验步骤，正确进行数据测量以及能分析和排除实验中出现的常见故障等），妥善处理实验数据并得出结果。

3．验证物理规律计有验证共点力合成的平行四边形定则、有固定转动轴物体的平衡条件、牛顿第二定律、机械能守恒定律、玻意耳定律等。其要求与物理量的测量相同，着重注意分析实验误差，并能有效地采取相应措施尽量减少实验误差，提高准确度。

4．观察、研究物理现象，组装仪器如研究平抛运动、弹性碰撞、描绘等势线、研究电磁感应现象、变压器的作用、观察光的衍射现象。把电流计改装为伏特计等．其中，对观察型实验，只要求会正确使用仪器，显示出（或观察到）物理现象，并通过直觉的观察定性了解影响该现象的有关因素。对研究型实验（包括组装仪器），要求不仅能使用仪器，掌握正确的实验研究方法，把有关现象的物理内客反映出来；或把有关参数测量出来，还能够通过具体的测量作进一步的定量研一究或实验设计。

二、实验的设计思想

在中学物理实验中涉及的主要设计思想为：

1．垒积放大法把某些物理量（有时往在是难以直接测量的测量的微小量）累积后测量，或把它们放大后显示出来的一种方法。如通过若干次全振动的时间测出单摆的振动周期；把员杨螺杆的微小进退．通过周长较大的可动到度盘显示出来（螺旋测微器）等。

2．平衡法根据物理系统内普遍存在的对立的、矛盾的双方使系统偏离平衡的物理因素，列出对应的平衡方程式，从而找出影响平衡的一种方法如用天平测质量、验证有固定转动因乎衔条件、验证玻意耳定律等。

3．控制法在多因素的物理现象中，可以先控制某些量不变，依次研究某一个因素对现象产生影响的一种方法。如牛顿第二定律实验。可以先保持质量一定，研究加速度与力的关系等。

4. 转换法用某些容易直接测量，（或显示）的量（或现象）代替不容易直接测（或显示）的量（或现象）。或者根据研究对象在一定条件下可以有相同的效果作间接的观察、测量。如把流逝的时间转换成振针周期性的振动；把对电流、电压、电阻的测量转换成对指针偏角的测量；用从等高处抛出的两球的水平位移代替它们的速度等。

5. 留迹法把瞬息即逝的（位置、轨迹、图象等）记录下来的一种方法。如通过纸带上打

出的小点记录小车的位置Z用描述法画出平抛物体的运动轨迹；用示波器显示变化的波形等。

三、实验验数据处理

数据处理是对原始实验记录的科学加工。通过数据处理，往往可以从一堆表面上难以觉察的、似乎毫无联系的数据中找出内在的规律，在中学物现中只要求掌握数据处理的最简单的方法．

1．列表法把被测物理量分类列表表示出来。通常需说明记录表的要求（或称为标题）、主要内容等。表中对各物理量的排列月惯上先原始记录数据，后计算果。列表法可大体反映某些因素对结果的影响效果或变化趋势，常用作其他数据处理方法的一种辅助手段。2．算术平均值法把待测物理量的若干次测且值相加后除以测量次数。必须注意，求取算术平均值时，应按原测量仪器的准确度决定保留有效数字的位数。通常可先计算比直接测量值多一位，然后再四会五入。

3．图象法把实验测得的量按自变量和应变量的函数关系在坐标平面上用图象直观地显示出来．根据实验数据在坐标纸上画出图象时。最基本的要求是：

（1）两坐标轴要选取恰当的分度

（2）要有足够多的描点数目

（3）画出的图象应尽是穿过较多的描点在图象呈曲线的情况下，可先根据大多数描点的分布位置（个别特殊位置的奇异点可舍去），画出穿过尽可能多的点的草图，然后连成光滑的曲线，避免画成拆线形状。

四、实验误差分析

测量值与待测量真实值之差，称为测量误差。主要来源于仪器（如性能和结构的不完善）、环境（如温度、湿度、外磁场的影响等）、实验方法（如实验方法粗糙、实验理论不完善等）、人为因素（如观测者个人的生理、心理习惯、不同观察者的反应快慢不一等）四方面。在中学物理中只要求定性分析实验误差的主要原因，了解绝对误差和相对误差的概念。