高中物理光學知識分析與拓展

王子明

【摘 要】高中物理對光學的闡述非常到位，但是不夠全面，只能說是給與學生們一個初步的認識。由于光學知識比較難，大多數(shù)地區(qū)只對光電效應進行了學習，對其他的知識不做要求，而且基礎(chǔ)知識是在初中學習的。本文對以往知識進行了簡要的總結(jié)分析，并進行了其他方面的知識講解，如偏振、衍射、干涉、應用等，希望能對學生們了解光學知識有一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】光；光學；物理；高中

光源，是指能夠自行發(fā)光的物體。光具有能量，在介質(zhì)中傳播就是能量的傳播。生活中的光源非常多，有最大的光源——太陽，還有各種人造光源如LED燈、白熾燈、激光、氣體放電光源等。因為光，地球上有了生命有了文明；因為光，我們的世界變得絢麗多彩。光學知識，是從初中就開始學習，到高中進一步的細化，但是仍然不夠全面，有必要進一步的拓展，豐富廣大高中生對光學的認識，了解光學知識的應用。

一、光學基本知識總結(jié)

（一）光的直線傳播

光的直線傳播是指光在同一種均勻透明的介質(zhì)中沿直線傳播，這是光傳播的基本定理。各種頻率的光在真空中傳播速度C=3×108m/s；各種頻率的光在介質(zhì)中的傳播速度均小于其在真空中的傳播速度，即v

（二）光與影的關(guān)系

影是自光源發(fā)出并與投影物體表面相切的光線在背光面的后方圍成的區(qū)域，即通常所說的投影。本影是發(fā)光面較小的光源在投影物體后形成的光線完全不能到達的區(qū)域。半影是指發(fā)光面較大的光源在投影物體后形成的只有部分光線照射的區(qū)域。天象日食和月食就是光與影的知識，人位于月球的本影內(nèi)能看到日全食，位于月球的半影內(nèi)能看到日偏食，位于月球本影的延伸區(qū)域（即“偽本影”）能看到日環(huán)食。當?shù)厍虻谋居安糠只蛉繉⒃虑蚍垂饷嬲谧?，便分別能看到月偏食和月全食。

（三）小孔成像及視覺成像原理

用眼睛看物或像的本質(zhì)是凸透鏡成像原理：角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體共同作用的結(jié)果相當于一只凸透鏡。發(fā)散光束或平行光束經(jīng)這只凸透鏡作用后，在視網(wǎng)膜上會聚于一點，引起感光細胞的感覺，通過視神經(jīng)傳給大腦，產(chǎn)生視覺。

（四）光的反射

光的反射現(xiàn)象：光從一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)的界面上再返回原介質(zhì)的現(xiàn)象。反射定律：反射光線跟入射光線和法線在同一平面內(nèi)，且反射光線和人射光線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。光滑平面上的反射現(xiàn)象叫做鏡面反射，粗糙平面上的反射現(xiàn)象叫做漫反射。鏡面反射和漫反射都遵循反射定律。

（五）光路可逆原理及平面鏡成像

所有幾何光學中的光現(xiàn)象，光路都是可逆的。平面鏡只改變光束的傳播方向，不改變光束的聚散性質(zhì)；成像特點是等大正立的虛像，物和像關(guān)于鏡面對稱；像與物方位關(guān)系為上下不顛倒，左右要交換。

二、光學知識拓展

了解光的折射現(xiàn)象，掌握光的折射定律，理解折射率的含義，理解全反射、臨界角的物理概念和內(nèi)涵，了解光導纖維的工作原理和光纖在生產(chǎn)、生活中的應用，這些是目前需要學習和掌握的。此外還需要了解的是光的其他特性。比較難的是光的衍射和干涉現(xiàn)象、光源的輻射特性、光譜特性等，還有光與其他學科的交叉知識。

（一）光的干涉、衍射和光的色散現(xiàn)象

這三種現(xiàn)象都可出現(xiàn)彩色條紋，但光學本質(zhì)不同。區(qū)分干涉和衍射，關(guān)鍵是理解其本質(zhì)，實際應用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區(qū)分。

兩列光波在空間相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強，在另外一些區(qū)域總減弱，從而出現(xiàn)亮暗相間的條紋的現(xiàn)象叫光的干涉現(xiàn)象。只有相干波源發(fā)出的光互相疊加，才能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，在屏上出現(xiàn)穩(wěn)定的亮暗相間的條紋。

光的衍射現(xiàn)象是指光波在傳播過程中遇到障礙物時，能繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象。該現(xiàn)象只有在障礙物的線度比光的波長大得不多或可比擬時才能看到，著名的實驗有菲涅爾衍射、夫瑯和費單縫衍射、光柵衍射、圓孔衍射等。

（二）光的偏振

光的電磁理論指出光是電磁波，光的振動矢量與光的傳播方向垂直。但在實際情況中，光矢量總存在著不同的振動狀態(tài)，假如光的振動方向在振動面內(nèi)不具有對稱性，就發(fā)生了偏振。自然光是光矢量在各個方向上都不發(fā)生偏振即對稱分布的光。如果介質(zhì)是偏振材料，則光在傳播過程中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，入射角不一定等于出射角，但始終遵循光的直線傳播定理。

（三）光電效應

高中階段學習的光電效應實際上是指外光電效應，其實還有內(nèi)光電效應。外光電效應是指光線照射在某些物體上，使得電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象，逸出的電子叫做光電子，其前提是愛因斯坦的光子假說——光是一粒一粒的粒子流，即光子。內(nèi)光電效應包括光電導效應和光生伏特效應，前者是指半導體受到光照時會產(chǎn)生電子——空穴對，使得導電性能增強；光線越強阻值越低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做光電導效應。后者是指由光照射引起的PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的效應。

（四）光知識的應用

利用材料的光照特性能制作成光敏電阻、光敏二極管、硅光電池，用于傳感器制作、電源轉(zhuǎn)換設備。利用光的輻射特性，能制作光電高溫計、光電比色高溫計、紅外偵查、紅外遙感、天文探測等設備。利用光的傳播特性，制作而成的光纖及傳感器，是快速有線上網(wǎng)的設備。還有生活中常見的光控開關(guān)、玩具槍上的紅外線激光等等。光的應用不勝枚舉，遍及各個領(lǐng)域，掌握好知識就能做自己想做的東西，天道酬勤，相信自己能行。

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