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1、光的基本概念一、光的性质 什么是光？人类对光的本性的认真探讨，应该说是从十七世纪开始的。当时有两种学说并立： 一种学说是以牛顿为代表的一些人提出了微粒说，认为光是沿直线飞行的微粒流。 另一种学说是和牛顿同时代的惠更斯提出的光的波动理论，认为光是在一种特殊弹性媒介中传播的机械波。 十九世纪六十年代，麦克斯韦在前人的基础上，建立起他著名的电磁理论。这个理论预言了电磁波的存在，并指出电磁波的速度与光速相同。因此麦克斯韦确信光是一种电磁波。 十九世纪末二十世纪初发现了光的一个新的性质光电效应。电磁理论不能解释光电效应。为了解释光电效应，爱因斯坦推广了普朗克关于能量子的概念，提出了光子理论，认为光是由无
2、数具有极小能量的微粒即所谓“光子”组成。 至此，表明光具有“微粒”与“波动”的双重特性。光 波 前面说过，光是一种波动。光波的波动形式，简单说来，是一种正弦曲线运动。 正弦波的表达式为： 式中 为振幅， 为角频率， 为时刻坐标原点的初相位。 光波总是具有两种性质的方向，一种是光的传播方向，一种是光的振动方向。传播方向与振动方向正交，由此两方向组成的平面称为光的振动面。因此光波是一种横波。 一、振幅 离开平衡位置的最大距离叫做振幅，光波的振幅决定光的强度，振幅越大光越强。光的强度与振幅的平方成比例： 二、波长 正弦曲线上相邻两波峰或者相邻两波谷之间的距离称为波长。不同颜色的光，波长不相同，在可见
3、光谱中红光的光波最长，紫光的光波最短。对于同一颜色的光波当由一种介质进入另一种介质时，波长要发生改变，同一颜色光波在光密介质中的波长比光疏介质中的波长要短一些。 三、周期 光波移动相当于一个波长的距离所需要的时间称为周期。 四、光在单位时间内移动的距离称为光速，真空中 的光速大概是300000公里/秒。 五、波长、光速和周期三者的关系是： 波长等于光速乘以周期。 即： = 六、频率 单位时间内，光的震动次数称为频率。不同的光，振动频率不同，光波振动的频率决定光的颜色。对于同一颜色的光，不论它在何种介质内传播，频率总是一常数。 七、频率与周期的关系 =/ 八、相位、相位差和周相差 波的相位是指波
4、通过平衡点以后所经历的时间，因此相位总是周期的分数。 两个或两个以上的波沿着同一方向传播时，往往发生相位差，相位差是指两个波通过平衡点在时间上的差别。晶体学上往往以两个波上相对应的两点之间的距离相当于波长的几分之几来表示两波的相位差。 相位差用圆周运动表示就是周相差。 圆周运动的周相差与正弦运动的相位差之间有一很简单的关系： 表示圆周运动的周相差，表示正弦运动的位相差。 九、波前 简单说来，光自光源发出，在某一介质内传播，在某一瞬间，光波所达到的连续的表面，称为光波面。在光波面上任一点作一面与光波面相切，该面就是向该方向进行的光波的波前。波前可分为两种不同的情况：一种是光波从光源向四面八发出，
5、且假定是在均匀介质中传播，则在每瞬间，光波所达到的连续表面即光波面是一球面，在平面图上看，波前是一个圆；另一种情况是光源在无穷远处，因此可以认为光线是平行地进行，在每一定瞬间，光波所达到的连续表面是一平面，在平面图上来看波前是一直线。 十、 波前传播原理 波动学说的创立人惠更斯创设了一个原理名叫波前传播原理。此原理的要点如下：“波前上的任意一点都可以看成是独立的元波源，而新波前是所有已发生的半球面的包迹。”。反射定律 光的反射： 光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。 光的反射具有几点性质： 一、在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同 一平面内。 二、反射
6、光线，入射光线分居法线两侧。 三、反射角等于入射角。 四、在反射现象中，光路是可逆的 。折射定律 光的折射：光由一种介质斜射入另一种介质或在同一种不均匀介质中传播时,方向发生偏折的现象叫做光的折射。 光的折射具有几点性质： 一、折射光线和入射光线分居法线两侧。 二、折射光线、入射光线、法线在同一平面内。 三、在光的折射中，光路是可逆性的。 四、当光线从空气斜射入其它介质时，折射角小于入射角；当光线从其他介质射入空气时，折射角大于入射角。 光的折射可以通过惠更斯原理来解释，如下图： 光的反射可以通过惠更斯原理来解释，如下图所示：折射率n一、光连续穿过数个介质：说明不论光穿越多少层介质，第一介质中
7、的入射角正弦与最后一介质中折射角正弦之比等于最后一介质的折射率比上第一介质的折射率。二、折射率是波长的函数。柯西公式：全 反 射 全反射：光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。 公式为 ：sinc/sin90=n/N n=Nsinc (c为临界角） 当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射所以产生全反射射的条件是：光必须由光密介质射向光疏介质入射角必须大于临界角(c)临界角是折射角为90度时对应的入射角。a玻璃半球；b刻度盘；d移动望远镜筒之螺旋；e镜子；f固定螺旋；D望远镜筒晶体折射率仪
