物理竞赛辅导讲座（物理光学）
（Ⅰ）基础知识
一、光的本性的认识过程简介
微粒说（牛顿·英国）
→电磁说（麦克斯韦·英国）→
波动说（惠更斯·荷兰）
光子说（爱因斯坦·美籍德国人）→波粒二象性（德布罗意·法国）
二、光的波动性
1、光的速度v，波长λ，频率υ和折射率n
1）光的速度，真空中的光速为C=3.0×108m/s
在折射率为n的介质中的光速为v=C/n
2）光的频率υ，波长λ，波速v三者之间的关系为v=λ·υ
2、惠更斯——菲涅耳原理
1）惠更斯——菲涅耳原理：由波源发出的波，在同一时刻t时，波所达到的各点的集合所构成的面，叫做此时刻的波阵面（简称波面，又称波前），在同一波阵面上各点的相位都相同，且波阵面上各点都可看作为新的波源（次级波源，所以这些波源都是相干波源）向外发射子波，子波相遇时相互叠加历时△t后，这些子波的包络面就是t+△t时刻的新的波阵面，且波的传播方向与波阵面垂直。(如图1所示) 2）惠——菲原理是波动光学的理论基础，光的干涉与衍射现象是光的波动性的体现。
3）平面波、球面波及柱向波
（1）平面波：波阵面是一个平面的波，
其传播方向与平面垂直。
（2）球面波：波阵面是一个球面的波，
其传播方向为沿球面的半径方向。
（3）柱面波：波阵面是一个柱面的波。
3、光程
1）光程：光在介质中传播的几何路程r与介质折射率n的乘积n·r。
2）引入光程这个概念后，就可以将其在介质中走过的几何路程换算为光在真空中（同一时间间隔内）的等价路程，从而可以对光在不同介质中所走的路程折算为真空中的光程进行比较。
例，在t时间内，光在折射率为n的介质中走过的几何路程为r=mλ（λ为光在该介质中的波长，并设光在真空中的波长为λ0，且n=λ0/λ，则在时间t内光在真空中的几何路程r0=m·λ0=m·nλ=n·mλ=n·r。
3）由于光在两介质界面上发生反射时，可能会出现“半波损失”，即反射光与入射光相位可能相差π，计算光程时应增加（或减小）半个波长，即可能要加上一
个附加光程差δ’=2λ=n
20λ，而是否出现半波损失，需不需要增加此项，则由界面两侧的介质的折射率决定。
当光由光疏介质进入光密介质，在界面反射时会出现半波损失。
当光由光密介质进入光疏介质，在界面反射时不会出现半波损失。
4、光的干涉
1） 条件：相干光源——频率相同，相位差恒定，振动方向相同。
（1）任何两个独立光源都不能满足相干条件，不能发生干涉现象。
（2）而从同一光源分离出来的两列光波可满足相干条件。
2） 分波阵面法产生的光的干涉（双缝干涉）
分波阵面法是把由同一光源发出的光波的波阵面分成两部分或更多部分，形成相光波，使它们相遇而产生的干涉现象。
（1）扬氏双缝干涉
如右图2所示，单色光照射到单缝S 上，
S 成为线光源，光从S 射出后照射到S 1、S 2上，
由于双缝S 1、S 2到S 等距，位于同一波阵面上，
则成为同相相干光源，从S 1、S 2射出的光在屏
L 3上叠加，可看到明暗相间的干涉条纹，若照
射光为白光，可看到彩色的干涉条纹。
若双缝S 1、S 2间的距离为d ，双缝到屏L 3之间的距离为l ，O 为S 1、S 2的中垂线与L 3的交点，屏上一点P 到O 点的距离为y 。
由几何知识可知，光源S 1、S 2到P 点的光程差δ=PS 2－PS 1=l
d y 若S 1、S 2为同相光源，当δ为波长的整数倍时，P 为加强点（亮条纹），当δ为半波长的奇数倍时，P 为减弱点（暗条纹）
所以，当δ=
l d y=k λ （k=0，±1，±2……） 即屏上y=d
l k λ （k=0，±1，±2……）的位置出现亮条纹 当δ=l
d y=(k －21)λ （k=0，±1，±2……） 即屏上y=d
l (k －21)λ （k=0，±1，±2……） 的位置出现暗条纹 其中k=0时的明条纹为中央明条纹，称为零级明条纹，k=1,2……时，分别为中央明条纹两侧的第1条、第2条……，明（暗）条纹，称为一级、二级……明（暗）条纹。
相邻两明（或暗）条纹间的距离△y=d
l λ，该式表明，双缝干涉所得到的干涉条纹间的距离是均匀的，在d 、L 一定的条件下，所用光波波长越长，其干涉条纹间距越宽，而由此推得λ=l
d △y ，则可用来测定光源的波长。 不同颜色（频率不同）在同一双缝干涉装置的干涉规律：
光的颜色：红→紫
干涉条纹间距：大→小
波长：大→小
频率：低→高
（2）类双缝干涉
a 、菲涅耳双面镜
如右图3所示，夹角α很小的两个平面
镜L 1、L 2构成一个双面镜（图中α已经扩大了）
点光源S 经双面镜成的像S 1、S 2就是两个相
干光源。
b 、埃洛镜
如右图4所示，一个与平面镜L 的距离很小
（数量级0.1mm ）的点光源S ，它和通过平面镜L
所成的像S ’ 是相干光源，经平面镜反射的光线
与未经反射的光线叠加在屏上形成干涉条纹。
c 、双棱镜
如右图5所示，当光垂直入射到双棱镜上，经
双棱镜上下两半折射后，成为两束倾角均为θ的相
干平行光，屏与双棱镜之间的距离为d ，当d ≥L 0
时，两束光在屏上重叠的区域为零，干涉条纹数为
零，最少当d=L 时，两光束在屏上重叠的区域最大，
干涉条纹数最多。
d 、对切双透镜
如图6所示，过光心将透镜对切，拉开一小段距离，中间加挡光板（图a ），或错开一定距离（图6），或两片切口各磨去一部分再胶合（图c ），置于透镜原主轴上的点光源或平行于原主轴的平行光线，经对切透镜折射后，在叠加区也可发生干涉。
3）分振幅法产生的光的干涉（薄膜干涉）
当一束光射到两种透明介质的界面上时，光能一部分反射、一部分折射，每部分光的振幅都比入射光振幅小，这种分光方法叫分振幅法。
薄膜干涉就是用分振幅法产生干涉现象的，也是常见的干涉现象。当透明薄膜的厚度与光波波长可以相比时，入射到薄膜表面上的光束从薄膜前后两个表面反射的光束来自于同一入射光的两部分，这样两部分光频率相同，因光经过的路径不同，因此有恒定的相差，这样的两部分光相遇就产生了干涉，常见的是厚度不均匀薄膜表面上的等厚干涉条纹和厚度均匀的薄膜在无穷远处形成的等倾干涉条纹。
① 等倾干涉条纹
如右图7所示，光线a 入射到厚度为h ，折射
率为n 的薄膜的上表面，其反射光线为a 1，折射光
线为b ，光线b 在下表面发生反射和折射，反射光
线是b 1，折射光线是c 1，光线b 1再经过上、下表面
的反射和折射，依次得到b 2、a 2、c 2等光线，其中a 1、
a 2两光线叠加，c 1、c 2两光线叠加能产生干涉现象。
②等厚干涉条纹
当一束平行光入射到厚度不均匀的透明介质薄
膜上，在薄膜表面上也可以产生干涉现象，由于薄
膜上下表面的不平行，从上表面反射的光线b 1和从
下表面反射并透出上表面的光线a 1也不平行。如右
图8所示，两光线a 1和b 1的光程差的精确计算比较
困难，但在膜很薄的情况下，A 点和B 点距离很近，
因而可认为AC 近似等于BC ，并在这一区域的薄膜
厚度可看作相等设为h 。
其光程差近似为δ=2hcosr=2h r n n 22122sin · ,
当i 保持不变（平行光束），光程差δ仅与膜的厚度h 有关，凡厚度相同的地方光程差相同，从而对应同一条干涉条纹，将此类干涉条纹称为等厚干涉条纹。
③劈尖膜
如图9所示两块平面玻璃片，一端叠合，
另一端夹一薄纸片（为了便于说明问题和易于
作图，图中纸片的厚度已经予以夸大），这时，
在两玻璃片之间形成的空气薄膜称为空气劈尖，
当光线射向空气膜时在空气膜上、下表面反射
后形成的两列光波是由同一入射波产生的，具
有相干性，产生干涉。
④牛顿环
在一块光平的玻璃片B 上，放曲率半径R 很
大的平凸透镜A，在A、B之间形成一劈尖形空
气薄层如图10所示，当平行光束垂直地射向平
凸透镜时可以观察到，在透镜表面出现一组干涉
条纹，这些干涉条纹是以按触点O为中心的同心
环称为牛顿环。
5、光的衍射
按几何光学观点，自点（或线）光源发出的光波照射障碍物后到达屏上，在屏上将出现障碍物的几何影子，给障碍物遮掉的区域没有光，未遮到的区域有均匀的光强，分界线清晰。但在事实上，尤其是障碍物较小时，结果完全不是这样，阴影区域有光线进入，影外光强分布也不均匀，这是光的直线传播规律所不能解释的，这种现象称为光的衍射，它是波动所具有的另一个重要特征。
光的衍射可分为两类：菲涅耳衍射和夫琅和（禾）费衍射。
1）菲涅耳衍射
在菲涅耳衍射中，入射波和衍射波均为球面波，各子波到达屏上某点时，由于相位差的不同而出现子波干涉，在屏上呈现明暗相间条纹。
2）夫琅和费衍射
在夫琅和费衍射中，入射波和衍射波都是平面波。在这种衍射中沿同一方向传播的各子波将在无限远处叠加。在实际观察中都利用会聚透镜把沿各方向衍射的平行光分别会聚在位于焦平面的屏上进行叠加，由于沿各方面衍射的子波叠加时的相位差不同而出现子波干涉，从而呈现明暗相间的条纹。
常见的夫琅和费衍射有圆孔、单缝、双缝衍射和光栅衍射，它们的衍射条纹也是明暗相间的，但要注意它们与双缝干涉条纹的区别。
（1）泊松亮斑：法国著名的数学家泊松当时指出：按照菲涅耳的理论，如果让平行光垂直照射不透光的圆盘，那么在圆盘后面的光屏上所留下的黑影中央将会出现一个壳斑，这是因为垂直圆盘的平行光照射时，圆盘边缘将位于同一波阵面上，各点的相位相同，它们所发生的子波到达黑影中央的光程差为零，应当出现增强干涉，即应有一个亮斑，这种现象当时人们从未看到也从未听说过，泊松原想以不能观察到这一亮斑来否定菲涅耳原理和惠更斯的光的波动理论，但菲涅耳后来用实验得到了这个亮斑，从而有力地证明了光的波动理论。
（2）单缝的夫琅和费衍射
装置如图11所示，S为与狭缝平行的线光源，置与L1的前焦平面上，由惠更
期——菲涅耳原理可计算出屏上任一点P 的光强为
I （θ）=I 0sin 2β/β2
式中，β=λ
πbsin θ，λ为波长，b 为狭缝宽度，θ为P 点对L 2中心轴线所张的角，I 0为中心点光强。
单缝的夫琅和费衍射图像和光强分布如图11和图12所示，在衍射光强分布中，可知sin θ=m λ/b ，m=±1，±2……时，I=0，暗条纹。其中心条纹对应的夹角为 2λ/b ，屏上的宽度则为b
λ2f （f 为L 2的焦距）， 它表明当狭缝宽度b 变小时，中心衍射亮条纹
变宽。
（3）圆孔的夫琅和费衍射
用圆孔和点光源分别代表图11中的狭缝
和线光源，在屏上便可得到小圆孔的衍射条纹，
其衍射条纹和光强分布如图13所示，D 为小圆
孔的直径，中央亮斑称为爱里斑，爱里斑边缘对
L 2中心光轴的夹角为θ≈1.22λ/D 。
（4）衍射光栅
由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学元件称为衍射光栅，将衍射光栅放置在图11的狭缝位置上，在衍射屏上便可观察到锐利的亮条纹，这些亮条纹所对应的角度θ应满足：
dsin θ=m λ，m=0，±1，±2……
这个式子称为光栅方程，其中d 为两狭缝之间的间距，m 为光栅级数，从方程中可以看出，不同的波长λ，其亮条纹所对应的θ不同，所以光栅可用来作光谱分析仪中的色散元件。
6、光的偏振
1）光的偏振现象，说明了光是一种横波
2）光的偏振实验，用两块偏振片来观察某一普通的轴光源，保持一块不动，旋转另一块偏振片（绕与偏振片垂直的方向，即光传播方向转动），我们会发现每旋转360°，观察到的光强会由暗变亮，再变暗，再变亮，交替变化两次，这就是光的偏振现象。
3） 自然光，偏转光部分偏振光
常见的普通光源，发出的光含有和光传播方向垂直的各个方向的光振动，这种光称自然光，自然光通过某些物质的反射、折射或吸收后，只保留某一方向上的光振动，这种光叫做偏振光，若某一方向的光振动比另一方向上的光振动要强，这种光称为部分偏振光。
4）自然光射到两种不同介质的界面时，其反射光和折射光均为部分偏振光，当反射光线与折射光线垂直时，反射光为偏振光，而折射光则为部分偏振光。
7、光的电磁说
1）麦克斯韦在研究电磁场理论时发现：光波和电磁波都可以在真空中传播，都是横波，在真空中传播速度也相同，据此他认为光是一种电磁波；
2）光波为电磁波谱的一部分，可分为可见光、红外线、紫外线等；
3）产生机理：由原子内部电子运动（受激发）产生的。
8、光的色散
1）光的色散与光谱
2）色散现象表明：
(1)白光是复色光由单色光复合而成，各单色光的频υ不同；
(2)同一介质对不同光的折射率不同，n紫＞n红
(3)各种色光在真空中的传播速度相同为c，而频率不同（υ红＜υ紫），波长不
同（λ红＞λ紫），进入介质后，各单色光的频率υ不变而波长、传播速度都
发生了变化，同一介质中，υ红＞υ紫）。
9、光谱与光谱分析
1）光谱的分类
连续光谱
发射光谱
光谱明线光谱原子特征谱线原子光谱
吸收光谱(暗线光谱)
2）光谱分析：通过对原子特征谱线的分析，可快速准确的知道物质的组成。
三、光的量子性
1、光子说
1）光电效应现象及其规律
(1)光电效应：物体因受到光（包括不可见光）的照射而有电子逸出的现象，叫做光电效应。所逸出的电子叫光电子，光电子定向移动形成的电流叫光电流。
(2)光电效应实验现象（实验原理图如图）
a、饱和光电流与入射光的强度成正比；
b、反向截止电压与入射光的频率有线性
关系，随着入射光的频率的增大而增大；
c、要使某种金属产生光电效应，入射光的
频率必须大于或等于某一频率，这一频
率叫极限频率，各种不同金属具有不同
的极限频率。
d、无论光的强度如何，只要光的频率大于
或等于金属的极限频率，当光一照射到
金属表面，马上就有光电子逸出，低于
极限频率的光，无论强度多大，照射时间多长，都没有光电子逸出。
(3)光电效应的规律
a 、 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度成正比；
b 、 光电子的最大初动能随着入射光的频率的增大而线性增大，而与入射光的
强度无关；
c 、 各种不同的金属具有不同的极限频率，如果照射光的频率小于金属的极限
频率，无论照射光的强度多大，照射时间多长，都不会产生光电效应；
d 、 光电效应具有瞬时性，从光照到光电子逸出，所需时间一般不超过10－9秒。
2）光子说：（1905，爱因斯坦）
(1)内容：空间传播的光（以及其它电磁波）都是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量与它的频率成正比。
(2)光子的能量、质量、动量
光子的能量：E=h υ
光子的质量：由爱因斯坦质能方程 E=mc 2得m=E/c 2=h υ/c 2=λ
c h 光子的动量p=h υ/c=h/λ
其中h 为普朗克恒量 h=6.63×10－34J/s ，c 为光速，υ为光的频率，λ为光的
波长
(3)爱因斯坦的光电效应方程（能量守恒）
2
1mv 2=h υ－W (4)康普顿效应
当用可见光或紫外线作为光电效应的光源时，入射的光子将全部被电子吸收，但如果用x 射线照射物质，由于它的频率高、能量大，不会被电子全部吸收，只需交出部分能量，就可以打出光电子，这样光子本身的能量减少，频率降低，波长变长，这种现象称为康普顿效应。
康普顿效应可利用光子与散射物质中自由电子的弹性碰撞来解释，而这一解释的成功，是对光子说的有力支持，并说明在作用过程中，光子——电子系统是遵从动量守恒定律的。
（5）光压
从光子具有能量这一假设出发，除了可解释康普顿效应外，还可以直接说明光压的作用。光压就是光子流产生的压强，从光子的观点看，光压的产生是由于光子把它的动量传递给物体的结果。
光压的数值为P=(1+ρ)φ/c ，其中φ为入射光线，ρ为物体表面的反射系数。 光压存在这一事实，进一步证明，光不但具有能量，还具有动量，这有力直接证明了光的物质性，证明光子和电子、原子、分子、实物一样，是物质的不同形式。
2、波粒二象性
1） 光的波粒二象性
光的干涉、衍射和偏振表明光具有波动性，而光电效应又表明光具有粒子性，
也就是说光具有波粒二象性。一般说来，个别光子产生的效果显示出粒子性，而大量光子则显示出波动性，很容易观察到低频光子的波动性。对于高频光子，容易观察到的则是其粒子性。从统计的观点来看，光波绝不是我们所认识的机械波，而是属于一种几率波，光强的地方，实际上是指光子到达的几率较大的地方，而暗处则指光子到达的几率极小的地方。
2）德布罗意波
1924年，德布罗意指出二象性并不是光子才具有，一切实物粒子都具有波粒二象性；所有实物粒子都能在用能量E 和动量p 对其粒子性的描述的同时，还能用频率υ和波长λ对其作波的描述，其能量E 和频率υ、动量p 和波长λ的关系分别为：
E=h υ p=λ
h 因为 p=mv 则有 λ=
mv h 又因为实物粒子的运动质量和静止质量之间的关系为
m=220
1c v m -， λ=v m h 0·22
1c v - 这种波叫做德布罗意波，又称物质波。对于德布罗意波的概念，已由电子衍射实验作出证明。同样，这种波也绝不是我们熟悉的机械波，而是一种几率波。
3、黑洞
黑洞是指光子无法脱离其引力，因而接收不到从它发射出的光子，所以称为黑洞。
可以认为光子具有质量 m=2
c h υ 设星体是一个质量为M ，半径为R 的均匀球，则质量为m 的光子在星球表面所受到的引力为 f=G 2R Mn =G 22c
R Mh υ 光子以光速c 作半径为R 的圆周运动的向心加速度 a=R
c 2
当引力大于向心力时，光子不会外溢，即f ＞ma ，也就是：
G 22R c Mh υ＞2c h υR
c 2
从上式可得：
R ＜2c
GM =R c 可以认为R c =2c GM 就是黑洞的临界半径（从广义相对论所得结论为R c =2c GM ）。 对于太阳，可估算它演变成黑洞时的临界半径的数量级为103m 。
4、引力红移
引力红移是指由于引力的作用，我们观察星体的光比星体表面发射的光的波长长。因为可见波长最长的光是红光，也即光谱向红端移动，称为引力红移。
根据广义相对论的等效性原理，引力质量和惯性质量是等价的。光子能量以及光子——地球系统的势能满足能量守恒定律。
即光子的能量加引力势能为常量，而光子的能量E=h υ，引力势能为mgh ，其中m=h υ/c 2。所以当高度改变△h ，频率就会改变△υ
－h △υ=mg △h=
2c
h υ△h 即=υ△υ=－2c h g △ 这说明频率υ发生了红移。
(Ⅱ)例题与习题
1、在杨氏双缝干涉装置中，光源S 发出的单色光的波长为588nm ，当屏位于P 1位置时，测得屏上干涉条纹的间距为△x 1=0.1470cm ，现将屏远离S 到P 2位置，平移距离为20cm ，此时条纹间距变为△x 2=0.1764cm ，试求双缝的距离d 以及屏P 1到双缝的间距D 。
(d=0.40mm ，D=1.0×102cm)
2、如图所示，夹角α很小的平个平面镜L 1、L 2构成一个双面镜（图中α角被夸大了），点光源S 经双面镜生成的像S 1和S 2，就是两个相干光源，若已知α=20’，缝光源S 与两镜交线的距离为R=10cm ，单色光的波长为λ=6×102nm ，屏与两虚像光源平行，屏与两缝交线相距210cm ，
(1) 屏上干涉条纹的间距多大，在屏上最多能看到多少条干涉条纹；
(2) 若光源距两镜交线的距离增大一倍，干涉条纹如何变化。
[△x=1.13mm △N=22 条纹间距减半]
3、如图所示某射电天文台的接收天线位于海平面上的高度为h=2.00m 处，当一颗能发射波长为λ=21.0cm 的电磁波的射电星，从海平面升起时，接收机将相继地记录下一系列极大值和极小值，(1)确定观察到极大值和极小值电磁波的方向，用与海平面的夹角θ表示该方向；(2)当射电星从海平面上方出现时，试问接收到的电磁波的强度是增加还是减小？
[1）接收到极大值时 sin θ=
h 2λ(k －2
1) k=1、2…… 接收到极小值时 sin θ=h 2λk k=0、1、2…… 2）增加]
4、一薄透镜的焦距f=10cm ，其光心为O ，主轴为MN ，现将透镜对半切开，剖面通过主轴并与纸面垂直。
1） 将切开的二半透镜各沿垂直于剖面
的方向拉开，使剖面与MN 的间距均为0.1mm ，
移开后的空隙用不透光的物质填充成干涉装置，
如图所示，P 为单色点光源，λ=5500A °，
PO=20cm ，OB=40cm ，(1)用作图法画出干涉光
路图；(2)算出屏B 上呈现的干涉条纹的间距；
(3)如屏B 向右移动，干涉条纹的间距将如何变化？
2）将切开的二半透镜沿主轴MN 方向移开一
小段距离，构成干涉装置，如图所示，P 为单色光
源，位于半透镜L 1的焦点F 1外，(1)用作图法画出
干涉光路图；(2)用斜线标出相干光束交叠区；(3)
在交叠区内放一观察屏，该屏与MN 垂直，画出所
呈现的干涉条纹的形状。
3）在本题2问的情况下，使点光源P 沿主轴移到半透镜L 1的焦点F 1处，试回答第2问中各问。
△x=2.75×10－4m
5、利用劈尖状空气隙的薄膜干涉可以检测精密加工工件表面质量，并能测量表面纹路的深度，测量的方法是：把待测工件放在测微显微镜的工作台上，使待测表面向上，在工件表面放一块具有标准光学平面的玻璃，使其光学平面向上，将一条细薄片垫在工件和玻璃板之间，形成劈尖状空气隙，如图所示，用单色平行光垂直照射到玻璃板上，通过显微镜可以看到干涉条纹，
如果由于工件表面不平，观测中看到如图上部所
示弯曲的干涉条纹，①请根据条纹的弯曲方向，
说明工件表面的纹路是凸起还是下凹？②证明纹
路凸起的高度（或下凹的深度）可以表示为h=b
a 2λ， 式中λ为入射单色光的波长，a 、
b 的意义如图。
[下凹]
6、为了测出光波波长的近似值，可以做如下实验，取两块75毫米×25毫米的薄玻璃片，将一端捏紧，另一端嵌进一片薄
铝片，如图，已测得铝片嵌进玻璃的长度为
5毫米，其厚度为0.02毫米，现用单色光垂直
照射，观察到从A 端数起第7条暗纹的距离是
x=8.0毫米，问这种单色光的波长为多少？
[λ=0.76×10－6m]
7、讨论折射率为n ，厚度为d 的透明薄膜
反射干涉条纹的分布规律。
[提示：δ=2ndcosr －20
λ]
8、在一块平板玻璃片A 上，放一曲率
半径R 很大的平凸透镜如图，在A 、B 之间
形成一劈形空气薄层。当平行光束垂直地射
向平凸透镜时，由于透镜下表面所反射的光
和平板玻璃上表面反射的光发生干涉，将呈
现干涉条纹，这称为牛顿环。证明干涉条纹
暗环半径r 由下式给出 r=λkR
k 为干涉级数。当在空气劈中加入水，干涉
条纹变密还是变疏，为什么？[变密]
[提示：S=2d+2λ=R r 2+2
λ]
9、沿着与肥皂膜法线成45°角的方向观察时，膜显绿色（λ1=50nm ）。设肥皂膜折射率为1.33，求：(1)肥皂膜的最薄厚度；(2)如改为垂直观察，膜是何种颜色？
（d min =111nm 黄色）
10、单缝宽度b=0.05mm ，用平行单色光λ=600nm 垂直照射。
(1) 求第一级暗条纹的衍射角；
(2) 若将此装置全部浸入折射率n=1.62液体中，求第一级暗条纹的衍射角；
(3) 若单缝后凸透镜的焦距为0.40m ，折射率n’=2.0，求在空气中和液体中的中
央明条纹的宽度。
[(1)1.2×10－2rad ；(2)0.74×10－2rad ；(3)9.6mm ，2.52cm]
11、一密度均匀的球形天体，它的质量M=2×1030kg ，问它的半径R 最大为多少时，才会使它具有第一宇宙速度？（说明：这一半径就是黑洞的临界半径）
[R=103m]
12、设有一功率P=IW 的点光源，距光源d=3m 处有一钾薄片，假定钾薄片中
的电子可以在半径约为原子半径r=0.5×10－10m 的圆面积范围内收集能量，已知钾的
逸出功A=1.8eV ，(1)按照经典电磁理论，计算电子从照射到逸出需要多长时间；(2)如果光源发出波长为λ=589.3nm 的单色光，根据光子理论，求每单位时间打到钾片单位面积上有多少光子。
[t=4×103s ，N=2.6×1016m －2·s －1]
13、波长λ0=0.02nm的X射线与静止的自由电子碰撞，现在从和入射方向成90°角的方向去观察散射辐射，求：(1)散射X射线的波长；(2)反冲电子的能量；(3)反冲电子的动量。
[λ=0.0224nm，E=6.66×103ev，P=4.44×10－23kg m/s θ≈41°9’]
14、假设我们所在的宇宙就是一个黑洞，即我们不可能把光发射到我们的宇宙之外。所以即使在宇宙之外还存在空间，还存在天体的话（这完全是一种假设），那么外面的天体看我们的宇宙就是一个“大黑洞”。试从这一假定估算我们宇宙的半径。设宇宙是密度均匀的球体。宇宙的平均密度约为ρ=10－26kg/m3的数量级。
[R=1026m]
第十七章 光的干涉 一. 选择题 1．在真空中波长为λ的单色光，在折射率为n 的均匀透明介质中从A 沿某一路径传播到B ，若A ，B 两点的相位差为3π，则路径AB 的长度为：（ D ） A. 1.5λ B. 1.5n λ C. 3λ D. 1.5λ/n 解： πλπ ?32==?nd 所以 n d /5.1λ= 本题答案为D 。 2．在杨氏双缝实验中，若两缝之间的距离稍为加大，其他条件不变，则干涉条纹将 （ A ） A. 变密 B. 变稀 C. 不变 D. 消失 解：条纹间距d D x /λ=?，所以d 增大，x ?变小。干涉条纹将变密。 本题答案为A 。 3．在空气中做双缝干涉实验，屏幕E 上的P 处是明条纹。若将缝S 2盖住，并在S 1、S 2连线的垂直平分面上放一平面反射镜M ，其它条 件不变(如图)，则此时 ( B ) A. P 处仍为明条纹 B. P 处为暗条纹 C. P 处位于明、暗条纹之间 D. 屏幕E 上无干涉条纹 解 对于屏幕E 上方的P 点，从S 1直接入射到屏幕E 上和从出发S 1经平面反射镜M 反射后再入射到屏幕上的光相位差在均比原来增π，因此原来是明条纹的将变为暗条纹，而原来的暗条纹将变为明条纹。故本题答案为B 。 4．在薄膜干涉实验中，观察到反射光的等倾干涉条纹的中心是亮斑，则此时透射光的等倾干涉条纹中心是（ B ） A. 亮斑 B. 暗斑 C. 可能是亮斑，也可能是暗斑 D. 无法确定 解：反射光和透射光的等倾干涉条纹互补。 本题答案为B 。 5．一束波长为λ 的单色光由空气垂直入射到折射率为n 的透明薄膜上，透明薄膜放在空气中，要使反射光得到干涉加强，则薄膜最小的厚度为 ( B ) A. λ/4 B. λ/ (4n ) C. λ/2 D. λ/ (2n ) 6．在折射率为n '=1.60的玻璃表面上涂以折射率n =1.38的MgF 2透明薄膜，可以减少光的反射。当波长为500.0nm 的单色光垂直入射时，为了实现最小反射，此透明薄膜的最小厚度为（ C ） A. 5.0nm B. 30.0nm C. 90.6nm D. 250.0nm 选择题3图
高考物理光学知识点之几何光学单元检测附答案(3) 一、选择题 1．如图所示，一束复色光由空气射向玻璃，发生折射而分为a 、b 两束单色光．则 A ．玻璃对a 、b 光的折射率满足n a >n b B ．a 、b 光在玻璃中的传播速度满足v a >v b C ．逐渐增大入射角，a 光将先消失 D ．分别通过同一双缝干涉实验装置时，相邻亮条纹间距离a 光大于b 光 2．如图所示，将等腰直角棱镜截去棱角，使截面平行于底面，制成“道威棱镜”，可以减小棱镜的重量和杂散的内部反射。从M 点发出一束平行于底边CD 的单色光从AC 边射入，已知折射角γ＝30°，则 A ．光在玻璃中的频率比空气中的频率大 B ．玻璃的折射率6n C ．光在玻璃中的传播速度为2×108 m/s D ．CD 边不会有光线射出 3．先后用两种不同的单色光，在相同的条件下用同双缝干涉装置做实验，在屏幕上相邻的两条亮纹间距不同，其中间距较大．．．．．的那种单色光，比另一种单色光（ ） A.在真空中的波长较短 B.在玻璃中传播的速度较大 C.在玻璃中传播时，玻璃对其折射率较大 D.其在空气中传播速度大 4．半径为R 的玻璃半圆柱体，截面如图所示，圆心为O ，两束平行单色光沿截面射向圆柱面，方向与底面垂直，∠AOB ＝60°，若玻璃对此单色光的折射率n ＝3，则两条光线经柱面和底面折射后的交点与O 点的距离为（ ） A ． 3 R B ． 2 R C ． 2R D ．R
5．如图所示，一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的a、b、c三束单色光。比较a、b、c三束光，可知() A．当它们在真空中传播时，a光的速度最大 B．当它们在玻璃中传播时，c光的速度最大 C．若它们都从玻璃射向空气，c光发生全反射的临界角最大 D．若它们都能使某种金属产生光电效应，c光照射出的光电子最大初动能最大 6．如图所示，两束单色光a、b同时从空气中斜射入平行玻璃砖的上表面，进入玻璃砖中后形成复合光束c则下列说法中正确的是 A．a光的能量较大 B．在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度 C．在相同的条件下，a光更容易发生衍射 D．a光从玻璃到空气的全反射临界角小于b光从玻璃到空气的全反射临界角 7．如图所示，放在空气中的平行玻璃砖，表面M与N平行，一束光射到表面M上，(光束不与M平行) ①如果入射角大于临界角，光在表面M即发生反射。 ②无论入射角多大，光在表面M也不会发生全反射。 ③可能在表面N发生全反射。 ④由于M与N平行，光只要通过M，则不可能在表面N发生全反射。 则上述说法正确的是( ) A．①③ B．②③ C．③ D．②④ 8．如图所示，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，下图中能正确描述其光路的是() A． B．
物理光学实验题及答案文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
第三章光学（一）概述 光学的学生实验共有4个，它们分别是“光反射时的规律”、“平面镜成像的特点”、“色光的混合与颜料的混合”、“探究凸透镜成像的规律”。 （二）光学探究实验对技能的要求 1.明确探究目的、原理、器材和步骤。 2.会正确使用各种实验器材，知道它们的摆放要求。 3.知道各种器材在实验实践与探究能力指导 中的作用，并能根据实验原理、目的，选择除教科书规定仪器之外的其他器材完成实验。 4.会设计实验步骤并按合理步骤进行实验。 5会设计实验报告，会填写实验报告。 6.会正确记录实验数据。 7.会组装器材并进行实验。 8.明确要观察内容，会观察实验现象，并能解释实验中的一般问题。 9.会分析实验现象和数据，并归纳实验结果。 实验与探究能力培养 探究光反射时的规律 基础训练 1.为了探究光反射时的规律，小明进行了如图19所示的实验 （1）请在图19中标出反射角的度数。
（2）小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操作 --————————————————————————————————。（3）如果让光线逆着OF的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE方向射出，这表明：————————————————————————————————。 图19 2.雨后天晴的夜晚，为了不踩到地上的积水，下列判断中正确的是（）。 A.迎着月光走，地上暗处是水，背着月光走地上发亮处是水 B.迎着月光走，地上发亮处是水，背着月光走地上暗处是水 C.迎着月光走或背着月光走，都应是地上发亮处是水 D.迎着月光走或背着月光走，都应是地上暗处是水 探究平面镜成像的特点 基础训练 1.平面镜能成像是由于平面镜对光的————射作用，所称的想不能在光屏上 呈现， 是————像，为了探究平面镜成像的特点，可以用————代替平面镜，选用两只 相同的蜡烛是为了————。
《物理光学》课程研究生入学考试大纲 一、考试要求： 本科目的考试内容主要包括光在各向同性介质中的传播规律；光在各向异性介质中的传播规律；介质对光的吸收、色散和散射；光的干涉理论及应用；光的衍射理论及应用以及光的偏振理论及应用等几部分。要求考生对光在介质中传播时发生的基本现象和基本规律有深入的了解，具有综合运用所学的知识分析和解决实际问题的能力。 二、考试内容 从光的电磁理论出发，掌握光在传播过程中发生各种现象的基本规律和应用，重点考查考生在给定条件下，综合运用基本概念和基本原理，分析和解决具体问题的能力。 . 掌握光在各向同性介质当中的传播规律：掌握交变电磁场当中积分形式和微分形式的麦克斯韦方程组，掌握电磁场的波动方程和亥姆霍兹方程，掌握平面波及其基本性质，了解球面波和柱面波的基本特点，掌握光波的叠加方法，了解电磁场的边值关系，了解光在介质表面的反射和折射规律，掌握菲涅耳公式和斯托克斯倒逆关系，了解全反射及其应用，了解光在金属表面的反射和透射特点。 . 掌握光在各向异性介质当中的传播规律：掌握晶体的基本性质，掌握光轴、主平面和主截面的基本概念，掌握光在晶体当中传播的基本规律，掌握晶体的晶体的菲涅耳方程，掌握光在单轴晶体中的传播规律，了解波矢折射率曲面和光线折射率曲面、了解波矢曲面和光线曲面，了解波矢速度面和光线速度面，掌握光在晶体表面的反射和折射规律，了解双轴晶体产生的锥形折射。 . 掌握介质对光的吸收、色散和散射规律：具体要掌握光与介质相互作用的经典理论，掌握介质对光的吸收的基本规律及应用，掌握介质对光的色散的基本规律及应用，掌握介质对光的散射的基本规律及应用。 . 掌握光的干涉理论及应用相关知识：具体要掌握产生光的干涉的基本条件，掌握杨氏双缝干涉的基本原理，掌握等倾干涉和等厚干涉的原理，掌握平面干涉仪和球面干涉仪的基本原理及应用，了解多光束干涉图样的特点，掌握法布里－珀罗干涉仪结构、原理及应用，了解单层膜和多层介质膜的特点及应用。 . 掌握光的衍射理论及应用相关知识：具体要掌握惠更斯原理，了解惠更斯－菲涅耳原理，掌握基尔霍夫衍射理论，掌握菲涅耳－基尔霍夫衍射公式，了解
物理光学实验题及答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第三章光学 （一）概述 光学的学生实验共有4个，它们分别是“光反射时的规律”、“平面镜成像的特点”、“色光的混合与颜料的混合”、“探究凸透镜成像的规律”。（二）光学探究实验对技能的要求 1.明确探究目的、原理、器材和步骤。 2.会正确使用各种实验器材，知道它们的摆放要求。 3.知道各种器材在实验实践与探究能力指导 中的作用，并能根据实验原理、目的，选择除教科书规定仪器之外的其他器材完成实验。 4.会设计实验步骤并按合理步骤进行实验。 5会设计实验报告，会填写实验报告。 6.会正确记录实验数据。 7.会组装器材并进行实验。 8.明确要观察内容，会观察实验现象，并能解释实验中的一般问题。 9.会分析实验现象和数据，并归纳实验结果。 实验与探究能力培养 探究光反射时的规律 基础训练 1.为了探究光反射时的规律，小明进行了如图19所示的实验 （1）请在图19中标出反射角的度数。 （2）小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操作？--————————————————————————————————。（3）如果让光线逆着OF的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE方向射出，这表明：————————————————————————————————。
图19 2.雨后天晴的夜晚，为了不踩到地上的积水，下列判断中正确的是（）。 A.迎着月光走，地上暗处是水，背着月光走地上发亮处是水 B.迎着月光走，地上发亮处是水，背着月光走地上暗处是水 C.迎着月光走或背着月光走，都应是地上发亮处是水 D.迎着月光走或背着月光走，都应是地上暗处是水 探究平面镜成像的特点 基础训练 1. 平面镜能成像是由于平面镜对光的————射作用，所称的想不能在光屏上 呈现， 是————像，为了探究平面镜成像的特点，可以用————代替平面镜，选用两只 相同的蜡烛是为了————。 2.水平桌面上放置一平面镜，镜面与桌面成45度角，小球沿着桌面向镜滚去，如图5-3所示，那么镜中小球的像如何云动？5—3
单元四 (二) 杨氏双缝实验 一、填空题 1. 相干光满足的条件是1）频率相同；2）位相差恒定；3）光矢量振动方向平行，有两束相干光, 频率为ν，初相相同，在空气中传播，若在相遇点它们几何路程差为r r 21-,则相位差 )r r (c 212-= πν ??。 2. 光强均为I 0的两束相干光相遇而发生干涉时，在相遇区域内有可能出现的最大光强是 0I 4。可能出现的最小光强是0。 3. 在真空中沿Z 轴负方向传播的平面电磁波，O 点处电场强度)3 t 2cos(300E x π πν+ = (SI)，则O 点处磁场强度：)3 t 2cos(300 H 00y π πνμε+-=。用图示表明电场强度、磁场强度和传播速度之间的关系。 4. 试分析在双缝实验中，当作如下调节时，屏幕上的干涉条纹将如何变化? (A) 双缝间距变小：条纹变宽； (B) 屏幕移近： 条纹变窄； (C) 波长变长： 条纹变宽； (D) 如图所示，把双缝中的一条狭缝挡住，并在两缝垂直平分线上放一块平面反射镜： 看到的明条纹亮度暗一些，与杨氏双缝干涉相比较，明暗条纹相反； (E) 将光源S 向下移动到S'位置：条纹上移。 二、计算题 1. 在双缝干涉的实验中，用波长nm 546=λ的单色光照射，双缝与屏的距离D=300mm ，测得中央明条纹两侧的两个第五级明条纹之间的间距为1 2.2mm ，求双缝间的距离。 * 由在杨氏双缝干涉实验中，亮条纹的位置由λk d D x = 来确定。 用波长nm 546=λ的单色光照射，得到两个第五级明条纹之间的间距：λ?10d D x 5= ) 4(填空题) 3(填空题
一、光的反射： 例：为了探究光反射时的规律，某同学将一个平面镜放在水平桌面上，再把纸板ENF放置在平面镜上，如图甲所示 1、让光沿着白纸的表面照射，这样做的目的是显示光的传播路径 2、使一束光贴着纸板EON沿某一角度入射到O点，纸板FON上观察到了反射光；接着他让白纸沿ON折叠90°，这时他只观察到了入射光，而反射光在纸上看不到了，这样做的目的是探究反射光线、入射光线和法线在同一平面上； 3、其中使用可绕ON转动的纸板的目的是①呈现反射光线；②验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内 4、使一束光贴着纸板EON沿某一角度入射到O点，纸板FON上没有观察到反射光，原因可能是纸板EON与FON不在同一平面上（纸板没有与平面镜垂直） 5、正确操作实验，并在纸板上记录每次光的径迹，如图乙所示．取下纸板，接下来进行的操作是测量入射角和对应反射角的大小，将数据记录在表格中，并比较反射角与入射角 6、为了得到反射角等于入射角的规律，应当改变入射角大小，进行多次实验，进行多次测量． 7、实验中，放置平面镜和白纸的顺序是：先把一个小平面镜竖直立在一块长方 形木板上，然后把一张白纸平铺在木板上，使白纸边缘紧贴平面镜放置，而不 是先放白纸再把平面镜竖直立在白纸上，这样做的好处是什么？ 因为法线与镜面垂直，所以先把一个小平面镜竖直立在一块长方形木板上，然 后把一张白纸平铺在木板上，使白纸边缘紧贴平面镜放置，这样能准确确定白 纸的镜面的垂直关系，而先放白纸再把平面镜竖直立在白纸上，若桌面不是水 平的，那么白纸和平面镜就不一定垂直，因此不是先放白纸再把平面镜竖直立在白纸上． 二、平面镜成像： 进行探究“平面镜成像特点”的实验．实验步骤如下： （1）将一块薄玻璃板竖直立在铺有白纸的水平桌面上； （2）取两支相同的蜡烛A和蜡烛B，点燃玻璃板前的蜡烛A，并移动玻璃板后的蜡烛B，使它与蜡烛A在玻璃板后所成的像完全重合，并用笔在白纸上标记出蜡烛A和蜡烛B的位置；（3）多次改变蜡烛A的位置，重复前面的步骤； （4）用刻度尺分别测量蜡烛A和蜡烛B到玻璃板的距离． 在此实验中：
大学物理光学实验 平行光管的调整及使用 1．测量凸透镜及透镜组的焦距 １）平行光管调整后，拿下平面镜，将被测凸透镜置于平行光管的前方，在透镜的前方放上测微目镜，调节平行光管、被测凸透镜和测微目镜，使它们大致在同一光轴上，尽量让测微目镜拉近到实验人员方便观察的位置。 ２）将平行光管的十字分划板换成玻罗板，并拿下高斯目镜上的灯泡，放在直筒形光源罩上，然后装在平行光管上。 ３）转动测微目镜的调节螺丝，直到从测微目镜里面能看到清晰的叉丝、标尺为止。 ４）前后移动凸透镜，使被测凸透镜在平行光管中的玻罗板成像于测微目镜的标尺和叉丝上，表明凸透镜的焦平面与测微目镜的焦平面重合。 ５）用测微目镜测出玻罗板像中10毫米两刻线间距的测量值y，读出平行光管的焦距实测值'f和玻罗板两刻线的实测值'y（出厂时仪器说明书中给定），重复五次，将各数据填入自拟表中。 2．用平行光管测凸透镜的鉴别率 （１）取下玻罗板，换上3号鉴别板，装上光源。 （２）将测微目镜、被测透镜、平行光管依次放在光具座上。 （３）移动被测透镜的位置，使被测透镜在平行光管的3号鉴别率板成像于测微目镜的焦平面上。用眼睛认真地从1号单元鉴别率板上开始朝下看，分辨出是哪一个号数单元的并排线条，记下号码。 （４）在表4－4－1中查出条纹宽度a值及鉴别率角值，也可将a、'f（平行光管焦距，出厂的实测值）代入（4－4－3）式，求出鉴别率角值 。
光的干涉实验 若将同一点光源发出的光分成两束，在空间各经不同路径后再会合在一起，当光程差小于光源的相干长度时，一般都会产生干涉现象。干涉现象是光的波动说的有力证据之一。“牛顿环”是一种分振幅法等厚干涉现象，1675年，牛顿首先观察到这种干涉，但由于牛顿信奉光的微粒说而未能对其作出正确的解释。干涉现象在科学研究和工业技术上有着广泛的应用，如测量光波波长，精确测量微小长度、厚度和角度，检验试件表面的光洁度，研究机械零件内应力的分布以及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等。 【实验目的】 1. 观察光的等厚干涉现象，加深对干涉现象的认识； 2. 掌握读数显微镜的使用方法，并用牛顿环测量平凸透镜的曲率半径； 3. 学习用逐差法处理实验数据。 【实验原理】 在一块平滑的玻璃片B 上，放一曲率半径很大的平凸透镜A(图1)，在A 、B 之间形成一劈尖形空气薄层。当平行光束垂直地射向平凸透镜时，可以观察到在透镜表面出现一组干涉条纹，这些干涉条纹是以接触点O 为中心的同心圆环，称为牛顿环(图2)。牛顿环是由透镜下表面反射的光和平面玻璃上表面反射的光发生干涉而形成的，两束反射光的光程差(或相位差)取决于空气层的厚度，所以牛顿环是一种等厚条纹。 设透镜的曲率半径为R ，与接触点O 相距为r 处的空气膜厚度为e ，则2222222)(r e eR R r e R R ++-=+-=由于e R >>，式中可略去2e 得到： R r e 22 = (1) 两束相干光的光程差为 2 2λ +=?e (2) 其中2/λ是光从空气射向平面玻璃反射时产生的半波损失而引起的附加光程 图1 牛顿环实验装置
高考物理光学知识点之几何光学技巧及练习题附答案 一、选择题 1．如图所示，将一个折射率为n的透明长方体放在空气中，矩形ABCD是它的一个截 面，一单色细光束入射到P点，入射角为θ． 1 2 AP AD =，则( ) A．若要使光束进入长方体后能射至AD面上，角θ的最小值为arcsin 1 2 n B．若要使光束进入长方体后能射至AD面上，角θ的最小值为arcsin 5 n C．若要此光束在AD面上发生全反射，角θ的范围应满足arcsin 1 2 n＜θ≤arcsin21 n- D．若要此光束在AD面上发生全反射，角θ的范围应满足arcsin 25 5 n＜θ≤arcsin21 n- 2．下列现象中属于光的衍射现象的是 A．光在光导纤维中传播 B．马路积水油膜上呈现彩色图样 C．雨后天空彩虹的形成 D．泊松亮斑的形成 3．如图所示，将等腰直角棱镜截去棱角，使截面平行于底面，制成“道威棱镜”，可以减小棱镜的重量和杂散的内部反射。从M点发出一束平行于底边CD的单色光从AC边射入，已知折射角γ＝30°，则 A．光在玻璃中的频率比空气中的频率大 B．玻璃的折射率 6 n= C2×108 m/s D．CD边不会有光线射出 4．半径为R的玻璃半圆柱体，截面如图所示，圆心为O，两束平行单色光沿截面射向圆柱面，方向与底面垂直，∠AOB＝60°，若玻璃对此单色光的折射率n3 经柱面和底面折射后的交点与O点的距离为（）
A ． 3 R B ． 2 R C ． 2R D ．R 5．如图所示，一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的a 、b 、c 三束单色光。比较a 、b 、c 三束光，可知() A ．当它们在真空中传播时，a 光的速度最大 B ．当它们在玻璃中传播时，c 光的速度最大 C ．若它们都从玻璃射向空气，c 光发生全反射的临界角最大 D ．若它们都能使某种金属产生光电效应，c 光照射出的光电子最大初动能最大 6．如图所示，两束单色光a 、b 同时从空气中斜射入平行玻璃砖的上表面，进入玻璃砖中后形成复合光束c 则下列说法中正确的是 A ．a 光的能量较大 B ．在玻璃中a 光的传播速度小于b 光的传播速度 C ．在相同的条件下，a 光更容易发生衍射 D ．a 光从玻璃到空气的全反射临界角小于b 光从玻璃到空气的全反射临界角 7．甲、乙两单色光分别通过同一双缝干涉装置得到各自的干涉图样，相邻两个亮条纹的中心距离分别记为Δx 1和Δx 2，已知Δx 1＞Δx 2。另将两单色光在真空中的波长分别用λ1、λ2，在同种均匀介质中传播的速度分别用v 1、v 2，光子能量分别用E 1、E 2、在同种介质中的折射率分别用n 1、n 2表示。则下列关系正确的是 A ．λ1<λ2 B ．v 1
物理光学总复习
一、选择题 1.E=E0exp(-i(wt-kz))和E=E0(-i(wt+kz))描述的是相反（沿+z或-z方向）传播的光波。 2.牛奶在自然光照时呈白色，由此可以肯定牛奶对光的散射主要是米氏散射。 3.早上或晚上看到太阳是红颜色，这种颜色可以用瑞利散射解释。 4.拍摄薄雾景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片，其原因可以用瑞利散射解释。 5.天空呈蓝色，这种现象可以用（瑞利散射）解释。 6.对右旋圆偏振光， ? ? ? ? ? ? -i 1 2 2 逆着光传播的方向看，E顺时针方向旋转）。对 左旋圆偏振光，（ ? ? ? ? ? ? i 1 2 2 逆着光传播的方向看，E逆时针方向旋转）。 7.根据光强度的物理意义，光波的强度正比于振幅的平方（E2）。8光波的能流密度S正比于（电场强度E和磁场强度H）。 9琼斯矩阵 ? ? ? ? ? ? 1 表示的是沿x轴方向振动的线偏振光标准归一化琼斯矢量形式。 10.光在介质中传播时，将分为o光和e光的介质属于单轴晶体。 11.光束经过乌拉斯敦棱镜后，出射光只有一束，入射光应为线偏振光或入射光束锥角大于偏振棱镜的有效孔径。 12.劈尖的干涉属于等厚干涉，对反射光的干涉，若（不）考虑半波损失，其棱线总是处于暗纹（亮纹）位置。 13.如果线偏振光的光矢量与1/4玻片光轴夹角为45°，那么该线偏振光通过1/4玻片后一定是圆偏振光。
14.一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设入射光等于布儒斯特角θB，则在界面的反射光为线偏振光(完全偏振光)。 15.对于完全非偏振光，其偏振度为P=(IM-Im)/(IM+Im)=0；对于完全偏振光，其偏振度为P=(IM-Im)/(IM+Im)=1。 16.线偏振片通过玻片后，一定是线偏振光，只是振动面的方位较入射光转过了2 。 17.在晶体中至少存在4个（单轴晶体），5个（双轴晶体）方向，当强度E沿这些方向时，E与相应的电位移矢量D的方向相同。 18.四个复数exp[-i(wt-kz)]、exp[+i(wt-kz)]、exp[-i(kz-wt)]、exp[+i(kz-wt)]表示的是同一列光波。 19.对于单轴晶体中的o光而言，以下说法正确的是O光：E//D,k//s；e光：E 与D有夹角α，E不平行D。 20.斯托克斯参量表示法描述的光部分、完全非偏振光。 21.喇曼散射和瑞利散射的主要区别在于散射光和入射光波长不同。 22.菲涅尔衍射和夫琅和费衍射的区别条件是观察屏到衍射屏距离Z1与衍射孔的线度之间的相对大小。当λ=0.633um，孔径线度为2mm时，菲涅尔衍射区域是Z1>>1cm(Z1>>3cm为夫琅和费衍射)。 23.为表征椭圆偏振，必要的三个独立量是（振幅α１、α２和位相差δ，或长短轴ａ、ｂ和表明椭圆取向的ψ角）。 24.由光密介质射向光疏介质的能量入口处和返回能量的出口处不在同一点，相隔大约（半个波长）。
实验十：光栅衍射 一、实验目的 1．观察光线通过光栅后的衍射光谱。 2．学会用光栅衍射测定光波波长的方法。 3．学会用光栅衍射原理测定光栅常数。 4．进一步熟悉分光计的调整和使用方法。 二、实验仪器 分光计 光栅 钠光灯 平面反射镜 三、实验原理 光栅是有大量的等间隔、等宽度的狭缝平行放置组成的一种光学元件。设狭缝宽度（透光部分）为a ，不透光部分为b ，则a b +为光栅常数。 设单色光垂直照射到光栅上，光透过各个狭缝后，向各个方向发生衍射，衍射光经过透镜后会聚后相互干涉，在焦平面上形成一系列的被相当宽的暗区分开的明亮条纹。 衍射光线与光栅平面的夹角称为衍射角。设衍射角为θ的一束衍射光经透镜会聚到观察屏的点。在P 点出现明条纹还是暗条纹决定于这束衍射光的光程差。 由于光栅是等宽、等间距，任意两个相邻缝的衍射光的光程差是相等的，两个相邻狭缝的衍射光的光程差为()sin a b θ+，如果光程差为波长的整数倍，在P 点就出现明条纹，即 ()sin a b k θλ+=± (0,1,2,)k = 这就是光栅方程。 从上式可知，只要测出某一级的衍射角，就可计算出波长。 四、实验步骤 1、调整分光计。 使望远镜、平行光管和载物台都处于水平状态， 平行光管发出平行光。 2、安置光栅 将光栅放在载物台上，让钠光垂直照射到光栅上 。 可以看到一条明亮而且很细的零级光谱，左右转动望远 镜观察第一、二级衍射条纹。 3．测定光栅衍射的第一、二级衍射条纹的衍射角θ，并记录。 五、数据记录 （）
'111[()θθθ=-（右边读数）+'11()θθ-（右边读数）]/4 '222[()θθθ=-（右边读数）+'22()θθ-（右边读数）]/4 六、数据处理 将上表中的1θ、2θ分别代入光栅方程()sin a b k θλ+=计算出6个波长，（1 300 a b mm += ） 1λ= 2λ= 3λ= 4λ= 5λ= 6λ= 计算平均波长：λ= 绝对误差：λ?= （取平均波长与6个波长的差中的最大者） 相对误差：100%E λλ λ ?= ?= 结果表示：()nm λλλ=±?= nm 。 七、思考题
《物理光学》课程教学大纲 课程编码：MF 课程名称：物理光学 课程英文名称：Physical Optics 总学时：50 讲课学时：50 实验学时：上机学时：课外辅导学时：学分：3.0 开课单位：航天学院光电子信息科学与技术系 授课对象：电子科学与技术专业本科生 开课学期：2春 先修课程：工科数学分析、大学物理、电动力学 主要教材及参考书： 教材：《物理光学与应用光学》石顺祥等编著，西安电子科技大学出版社，2008。 参考书：1、Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press, 1999；2、《物理光学》（第三版），梁铨廷，电子工业出版社，2008年4月；3、《物理光学学习指导与解题》刘翠红编著，电子工业出版社，2009。 一、课程教学目的 光学是研究光的本性，光的产生、传播、接收，以及光与物质相互作用的科学；同时又是与现代科学技术以及现代工程有紧密联系的一门学科。本课程作为一门重要的专业基础课，以光的电磁理论为理论基础，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，以及光的吸收、色散、散射现象。其教学目的是使学生深入了解并熟练掌握物理光学的重要知识，掌握重要的分析问题的方法，培养学生运用光学知识，解决后续课程以及今后工作中所遇有关问题的能力。
二、教学内容及基本要求 1. 本门课程的教学内容 第一章光在各向同性介质中的传播特性（共10学时） 光波的特性：光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程、物质方程；几种特殊形式的光波；光波场的时域频率谱；相速度和群速度；光波场的空间频率与空间频率谱；光波的横波性、偏振态及其表示。光波在介质界面上的反射和折射：包括反射和折射定律；菲涅耳公式；反射率和透射率；反射和折射的相位特性；反射和折射的偏振特性；全反射。光波在金属表面上的反射和折射等。 第二章光的干涉（共10学时） 双光束干涉；平行平板的多光束干涉；典型干涉仪及其应用；光的相干性理论。 第三章光的衍射（共10学时） 衍射的基本理论：包括光的衍射现象；惠更斯—菲涅耳原理；基尔霍夫衍射公式。夫琅和费衍射：包括夫琅和费衍射装置；矩孔、单缝、多缝以及圆孔的夫琅和费衍射；巴俾涅原理。菲涅耳衍射：包括圆孔和直边菲涅耳衍射。衍射的应用和傅立叶光学基础等。 第四章光波在各向异性介质中的传播特性（共10学时） 晶体的光学各向异性：包括张量的基础知识；晶体的介电张量。单色平面光波在晶体中的传播：包括光波在晶体中传播的解析法和几何法描述。平面光波在晶体界面上反射和折射。晶体光学元件及晶体的偏光干涉等。 第五章晶体的感应双折射（共4学时） 晶体的电光效应（原理及应用）、声光效应和旋光效应（自然旋光现象、菲涅耳的解释、磁致旋光效应、应用）。
初中物理光学实验精选 1. 平面镜成像 1．小明利用平板玻璃、两段完全相同的蜡烛等器材探究平面镜成像的特点。 (1)选用玻璃板的目的是 。 (2)选取两段完全相同蜡烛的目的是 。如果将点燃的蜡烛远离玻璃板， 则像将 移动。 2.．在探究“平面镜成像规律”时 （1） 用平面镜做实验（填“能”与“不能”） （2）用平板玻璃代替平面镜做实验，其好处是： 。 3.．一组同学在探究平面镜成像的特点时，将点燃的蜡烛A 放在玻璃板的一侧，看到玻璃板后有蜡烛的像。 （1）此时用另一个完全相同的蜡烛B 在玻璃板后的纸面 上来回移 动，发现无法让它与蜡烛A 的像完全重合（图甲）。你分析出现 这种情况的原因可能是： 。 （2）解决上面的问题后，蜡烛B 与蜡烛A 的像能够完全重合，说 明 。 （3）图乙是他们经过三次实验后，在白纸上记录的像与 物对应点的位置。他们下一步应该怎样利用和处理这张“白纸” 上的信息得出实验结论。 ____________________________________________。 （4）他们发现，旁边一组同学是将玻璃板和蜡烛放在方格纸上进行 实验的。你认为选择白纸和方格纸哪种做法更好？说出你的理由： ____________________________________________。 2. 凸透镜成像 1．小明用蜡烛、凸透镜和光屏做“探究凸透镜成像的规律”实验（如图）： ⑴要使烛焰的像能成在光屏的中央，应将蜡烛向 ▲ （填“上”或“下”）调整． ⑵烛焰放距凸透镜20cm 处，移动光屏至某位置，在光屏 上得到一个等大清晰的像，则凸透镜的焦距是 cm ． ⑶使烛焰向右移动2cm ，此时应该将光屏向 （填“左” 或“右”）移至另一位置，才能得到一个倒立、 （填“放大”、“缩小”或“等大”）的清晰实 2.在“探究凸透镜成像规律”时，所用的凸透镜的焦距为10cm 。 ①现将凸透镜、蜡烛和光屏放在如图16所示的光具座上进行实验。若图中C 位置上放置光屏，则B 位置上应放置＿＿＿＿＿＿。 ②如图16所示，，现要在光屏上成缩小 的像，蜡烛应向＿＿＿＿＿＿移动，光 屏应向＿＿＿＿＿移动。（填“左”或 “右”） 3.关于凸透镜： （1）在探究凸透镜成像的实验中，王聪同学先将凸透镜对着太阳光， 调整凸透镜和白纸间的距离，直到太阳光在白纸上会聚成一个最小、 最亮的点，如图所示，这一操作的目的是 ； 图乙 原放置 玻璃板图甲 纸
光纤通信实验 光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。 因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。 半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。 【实验目的】 1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流 2. 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 3. 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。 4. 了解光纤通信的基本原理。 【实验仪器】 导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。 【实验原理】 一、半导体激光器的电光特性 实验采用的光源是半导体激光器，由于它的体积小、重量 轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。 因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。本实验 对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激
高中物理课程内容---来自美国物理教师协会的观点 副标题:高中物理课程内容---来自美国物理教师协会的观点来源：https://www.doczj.com/doc/327501009.html,作者：xchen 更新时间：2005-6-5 7:49:00 以预览模式查看：高中物理课程内容---来自美国物理教师协会的观点 内容预览：一、教什么从可供选择的宽广领域中为中学物理课程选择合适的内容，对教师和学校来说都不是一件容易的事。深度和广度，学生的兴趣和经历，师资力量等这些都需要加以考虑，对许多学生来说，中学物理课程可能是他们接受物理学正规训练的唯一机会。对另外一些学生来说，中学物理课程给他们打下一个基础，以备今后进一步深造。于是，课程所提供的准备是否充分，便引起学生和家长以及高等院校的密切关注。一些州关注课程的内容并提供大纲，以便有助于对学校进行指导。但是，说到底，这种选择必须由任课教师来做，因为他们了解自己的学生和社区，了解学校情况，尤其是了解不同的课题对学习的重要性。二、概述在“初级物理”这个题目下有很多知识。在一学年内无法把它们学好。初任教的老师应该特别注意不要试图教太多的课题。教好少数课题比了解物理学的概况更为可取，那么教师应当怎样选择课程内容呢？也就是哪些课题应该教给学生呢？首先我们将考虑作为一门科学和作为一种活动的物理学的范围。展现在师生面前可供考虑的课题范围是极其广泛的，但选择时要注意以下问题。虽然过分狭窄和专业性不是中学物理应该具有的特征，但是，在选择适合于中学不同学生所需要的课题时，理解要比单纯知道更重要。应该让学生学会一些必要的课题。还需要考虑教学目标和希望学生获得哪些能力。三、可供选择的广泛领域物理学的范围十分广阔，其中大量课题应该包括在中学课程之中……
物理光学实验 华中科技大学光电子科学与工程学院 2011.9
前言 本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。 本实验教材共选入8个实验。内容涉及光的干涉、衍射、偏振等方面。 本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验》，适用于光电子信息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。
光学实验室的一般规则 光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、周围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。因此，在做实验之前，除必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、步骤和要求外，进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特殊要求。现将实验室的一般规则叙述如下： 1.光学仪器多是精密贵重仪器。取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意接通电源。 2.大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫落地面导致损坏。 3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影响其透光性和其它光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。 4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成污痕。 5.光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。 6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。 7.光学仪器中有很多经过精密加工的部件。如光谱仪和单色仪的狭缝、迈克耳逊干涉仪的蜗轮蜗杆、分光计的读数度盘等，都要小心使用，按规则操作，切忌拆御仪器，乱拧旋钮。 8.要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。 9.实验完毕，要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况。整理好仪器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。
高考物理光学知识点之几何光学真题汇编附答案 一、选择题 1．下列说法正确的是（） A．麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在 B．光导纤维传送图象信息利用了光的衍射原理 C．光的偏振现象说明光是纵波 D．微波能使食物中的水分子热运动加剧从而实现加热的目的 2．题图是一个1 4 圆柱体棱镜的截面图，图中E、F、G、H将半径OM分成5等份，虚线 EE1、FF1、GG1、HH1平行于半径ON，ON边可吸收到达其上的所有光线．已知该棱镜的折 射率n=5 3 ，若平行光束垂直入射并覆盖OM，则光线 A．不能从圆孤射出B．只能从圆孤射出 C．能从圆孤射出D．能从圆孤射出 3．一束光线从空气射向折射率为1.5的玻璃内，人射角为45o下面光路图中正确的是A． B． C． D． 4．图示为一直角棱镜的横截面，。一平行细光束从O点沿垂直于bc面的方向射入棱镜。已知棱镜材料的折射率n=，若不考试原入射光在bc面上的反射光，则有光线（）
A．从ab面射出 B．从ac面射出 C．从bc面射出，且与bc面斜交 D．从bc面射出，且与bc面垂直 5．两束不同频率的平行单色光。、从空气射入水中，发生了如图所示的折射现象（a>）。下列结论中正确的是（） A．光束的频率比光束低 B．在水中的传播速度，光束比小 C．水对光束的折射率比水对光束的折射率小 D．若光束从水中射向空气，则光束的临界角比光束的临界角大 6．一束单色光由玻璃斜射向空气，下列说法正确的是 A．波长一定变长 B．频率一定变小 C．传播速度一定变小 D．一定发生全反射现象 7．如图所示，黄光和紫光以不同的角度，沿半径方向射向半圆形透明的圆心O，它们的出射光线沿OP方向，则下列说法中正确的是（） A．AO是黄光，穿过玻璃砖所需时间短 B．AO是紫光，穿过玻璃砖所需时间短 C．AO是黄光，穿过玻璃砖所需时间长 D．AO是紫光，穿过玻璃砖所需时间长 8．图1、2是利用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置得到的干涉图样．下列关于a、b两束单色光的说法正确的是（） A．真空中，a光的频率比较大
第三章光学 （一）概述 光学的学生实验共有4个，它们分别是“光反射时的规律”、“平面镜成像的特点”、“色光的混合与颜料的混合”、“探究凸透镜成像的规律”。 （二）光学探究实验对技能的要求 1.明确探究目的、原理、器材和步骤。 2.会正确使用各种实验器材，知道它们的摆放要求。 3.知道各种器材在实验实践与探究能力指导 中的作用，并能根据实验原理、目的，选择除教科书规定仪器之外的其他器材完成实验。 4.会设计实验步骤并按合理步骤进行实验。 5会设计实验报告，会填写实验报告。 6.会正确记录实验数据。 7.会组装器材并进行实验。 8.明确要观察内容，会观察实验现象，并能解释实验中的一般问题。 9.会分析实验现象和数据，并归纳实验结果。 实验与探究能力培养 探究光反射时的规律 基础训练 1.为了探究光反射时的规律，小明进行了如图19所示的实验 （1）请在图19中标出反射角的度数。 （2）小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操作 --————————————————————————————————。 （3）如果让光线逆着OF的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE方向射出，这表明：————————————————————————————————。 图19 2.雨后天晴的夜晚，为了不踩到地上的积水，下列判断中正确的是（）。 A.迎着月光走，地上暗处是水，背着月光走地上发亮处是水 B.迎着月光走，地上发亮处是水，背着月光走地上暗处是水 C.迎着月光走或背着月光走，都应是地上发亮处是水 D.迎着月光走或背着月光走，都应是地上暗处是水
探究平面镜成像的特点 基础训练 1.平面镜能成像是由于平面镜对光的————射作用，所称的想不能在光屏上呈现，是————像，为了探究平面镜成像的特点，可以用————代替平面镜，选用两只 相同的蜡烛是为了————。 2.水平桌面上放置一平面镜，镜面与桌面成45度角，小球沿着桌面向镜滚去，如图5-3所 示，那么镜中小球的像如何云动5—3 3．在“探究平面镜成像特点”的试验中在平薄玻璃板前放一只点燃的蜡烛A，在玻璃板后放上一只相同的蜡烛，如图22所示： （1）移动后面的蜡烛B，直到看上去跟前面的蜡烛A的像完全重合，这样做的目的是（）A验证像与物到镜面的距离相等 B验证像与物的大小相等图22 C验证平面镜所成的是虚像 D验证平面镜成像满足他的反射条件 （2）烛焰在平面镜中所成的像是————像（选填“实”或“虚”）放在图中B处“烛焰” 上的手指————被烧痛（填“会”或“不会”） （3）操作中某同学在桌面上无论怎样调整后方的蜡烛都不能与像重和，其原因可能是—————————————————————————————————————。
习题13 13.1选择题 （1）在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是[ ] (A) 使屏靠近双缝． (B) 使两缝的间距变小． (C) 把两个缝的宽度稍微调窄． (D) 改用波长较小的单色光源． [答案：C] （2）两块平玻璃构成空气劈形膜，左边为棱边，用单色平行光垂直入射．若上面的平玻璃以棱边为轴，沿逆时针方向作微小转动，则干涉条纹的[ ] (A) 间隔变小，并向棱边方向平移． (B) 间隔变大，并向远离棱边方向平移． (C) 间隔不变，向棱边方向平移． (D) 间隔变小，并向远离棱边方向平移． [答案：A] （3）一束波长为λ的单色光由空气垂直入射到折射率为n 的透明薄膜上，透明薄膜放在空气中，要使反射光得到干涉加强，则薄膜最小的厚度为[ ] (A) λ / 4 ． (B) λ / (4n )． (C) λ / 2 ． (D) λ / (2n )． [答案：B] （4）在迈克耳孙干涉仪的一条光路中，放入一折射率为n ，厚度为d 的透明薄片，放入后，这条光路的光程改变了[ ] (A) 2 ( n -1 ) d ． (B) 2nd ． (C) 2 ( n -1 ) d +λ / 2． (D) nd ． (E) ( n -1 ) d ． [答案：A] （5）在迈克耳孙干涉仪的一条光路中，放入一折射率为n 的透明介质薄膜后，测出两束光的光程差的改变量为一个波长λ，则薄膜的厚度是 ［ ］ (A) λ / 2 ． (B) λ / (2n )． (C) λ / n ． (D) λ / [2(n-1)]． [答案：D] 13.2 填空题 （1）如图所示，波长为λ的平行单色光斜入射到距离 为d 的双缝上，入射角为θ．在图中的屏中央O 处 (O S O S 21=)，两束相干光的相位差为 ________________． [答案：2sin /d πθλ] （2）在双缝干涉实验中，所用单色光波长为λ＝562.5 nm (1nm ＝10-9 m)，双缝与观察屏的距离D ＝1.2 m ，若测得屏上相邻明条纹间距为?x ＝1.5 mm ，则双缝的间距d ＝