2023年高中物理選修機械振動機械波光學知識點好全

機械振動一、基本概念1.機械振動:物體（或物體一部分）在某一中心位置附近所做的往復運動2.回復力F：使物體返回平衡位置的力,回復力是根據(jù)效果（產(chǎn)生振動加速度，改變速度的大小，使物體回到平衡位置）命名的，回復力總指向平衡位置,回復力是某幾個性質(zhì)力沿振動方向的合力或是某一個性質(zhì)力沿振動方向的分力。(如①水平彈簧振子的回復力即為彈簧的彈力;②豎直懸掛的彈簧振子的回復力是彈簧彈力和重力的合力;③單擺的回復力是擺球所受重力在圓周切線方向的分力,不能說成是重力和拉力的合力)3．平衡位置：回復力為零的位置(物體本來靜止的位置)。物體振動通過平衡位置時不一定處在平衡狀態(tài)即合外力不一定為零（例如單擺中平衡位置需要向心力)。4.位移ｘ:相對平衡位置的位移。它總是以平衡位置為始點，方向由平衡位置指向物體所在的位置，物體經(jīng)平衡位置時位移方向改變。5．簡諧運動:物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比,并且總指向平衡位置的回復力的作用下的振動,叫簡諧運動。（1）動力學表達式為：F＝-kx（3)簡諧運動是變加速運動．物體經(jīng)平衡位置時速度最大,物體在最大位移處時速度為零,且物體的速度在最大位移處改變方向。(4)簡諧運動的加速度:根據(jù)牛頓第二定律，做簡諧運動的物體指向平衡位置的(或沿振動方向的）加速度.由此可知,加速度的大小跟位移大小成正比，其方向與位移方向總是相反。故平衡位置F、x、ａ均為零，最大位移處F、x、a均為最大。(5）簡諧運動的振動物體通過同一位置時，其位移大小、方向是一定的，而速度方向不一定。（6)簡諧運動的對稱性①瞬時量的對稱性:做簡諧運動的物體,在關(guān)于平衡位置對稱的兩點,回復力、位移、加速度具有等大反向的關(guān)系．速度的大小、動能也具有對稱性,速度的方向也許相同或相反。②過程量的對稱性：振動質(zhì)點來回通過相同的兩點間的時間相等,如tBC＝tＣB;質(zhì)點通過關(guān)于平衡位置對稱的等長的兩線段的時間也相等。6.振幅Ａ:振動物體離開平衡位置的最大距離，是標量,表達振動的強弱和能量的物理量，無正負之分。7．周期Ｔ和頻率f：表達振動快慢的物理量。完畢一次全振動所用的時間叫周期，單位時間內(nèi)完畢全振動次數(shù)叫頻率，大小由系統(tǒng)自身的性質(zhì)決定(與振幅無關(guān))，所以叫固有周期和頻率。任何簡諧運動都有共同的周期公式：(其中m是振動物體的質(zhì)量,k是回復力系數(shù),即簡諧運動的鑒定式F=-ｋｘ中的比例系數(shù),對于彈簧振子k就是彈簧的勁度，對其它簡諧運動它就不再是彈簧的勁度系數(shù)）。8．相位(ωt+φ):是用來描述周期性運動在各個時刻所處的不同狀態(tài)的物理量，其單位為弧度．初相位φ0：周期性運動的初始狀態(tài)9.全振動：振動物體連續(xù)兩次運動狀態(tài)(位移和速度）完全相同所經(jīng)歷的的過程，即物體運動完畢一次規(guī)律性變化。振子做一次全振動的路程為４Ａ。二、典型的簡諧運動1．彈簧振子：(１)簡諧運動條件:①彈簧質(zhì)量忽略不計②無摩擦等阻力③在彈性限度內(nèi)（2)說明回復力、加速度、速度、動能和勢能的變化規(guī)律（周期性和對稱性）①回復力指向平衡位置②位移從平衡位置開始③彈性勢能與動能的互相轉(zhuǎn)化,機械能守恒。(3)周期,與振幅無關(guān)，只由振子質(zhì)量和彈簧的勁度決定。(4)可以證明，豎直放置的彈簧振子的振動也是簡諧運動,周期公式也是。這個結(jié)論可以直接使用。(５）在水平方向上振動的彈簧振子的回復力是彈簧的彈力；在豎直方向上振動的彈簧振子的回復力是彈簧彈力和重力的合力。證明:如圖所示,設(shè)振子的平衡位置為O,向下方向為正方向，此時彈簧的形變?yōu)?，根?jù)胡克定律及平衡條件有①當振子向下偏離平衡位置為時,回復力(即合外力）為②將①代人②得:，可見，重物振動時受力符合簡諧運動的條件．(6）彈簧振子振動過程中各物理量大小、方向變化情況過程：物體從Ａ由靜止釋放，從Ａ→O→B→Ｏ→Ａ，經(jīng)歷一次全振動,圖中O為平衡位置,A、Ｂ為最大位移處:2.單擺：在一不可伸長、忽略質(zhì)量的細線下端拴一質(zhì)點,上端固定，構(gòu)成的裝置叫單擺。（1)單擺的特點:①單擺是實際擺的抱負化，是一個抱負模型；②單擺振動可看作簡諧運動的條件:a擺線為不可伸長的輕細線b無空氣等阻力ｃ最大擺角θ<5°；③單擺的等時性（伽利略）,在振幅很小的情況下,單擺的振動周期與振幅、擺球的質(zhì)量等無關(guān);④單擺的回復力由重力沿圓弧切線方向的分力提供；⑤重力勢能與動能的互相轉(zhuǎn)化,機械能守恒。(2)周期公式：(惠更斯）半徑方向：向心力改變速度方向切線方向:Ｆ回=mgｓinθ改變速度大小若θ角很小，則有sｉnθ＝tanθ＝ｘ/L,并且回復力指向平衡位置，與位移方向相反，所以對于回復力F,有(ｋ是常數(shù))(3）單擺周期公式的應(yīng)用：測量本地的重力加速度g，g=（L為擺長,是懸點到球心的距離。即：Ｌ＝繩長+擺球半徑）秒擺：擺長為1m，周期為２ｓ的單擺周期T通常是擺動30-50次測量時間求平均值注意：每次擺動時必須從平衡位置開始計時。擺線頂端要固定。單擺擺動時要平擺,不要錐擺。三、簡諧運動的圖象1．圖象的描繪:一個振子真實的運動軌跡用時間拉開。(１)描點法(3）從平衡位置開始計時，函數(shù)表達式為x＝Ａｓiｎωt從最大位移處開始計時,函數(shù)表達式x＝Aｃoｓωｔ注：簡諧運動的圖象并非振動質(zhì)點的運動軌跡(真實軌跡是一條往復的直線)2.振動圖象的信息:①直接讀出振幅（注意單位）②直接讀出周期③擬定某一時刻物體的位移④鑒定任一時刻運動物體的速度方向（最大位移處無方向)和加速度方向⑤鑒定某一段時間內(nèi)運動物體的速度、加速度、動能及勢能大小的變化情況⑥計算一段時間內(nèi)的路程：，一個周期通過的路程為４Ａ，位移為0。３.振動圖象的應(yīng)用任何復雜的振動都可以當作是若干個簡諧振動的合成四、受迫振動與共振１．振動能量=動能+勢能=最大位移的勢能=平衡位置的動能(由振幅決定,與周期和頻率無關(guān)）２.阻尼振動和無阻尼振動(１）阻尼振動：存在阻力做負功，能量減小,振幅減小（減幅振動）(2）無阻尼振動(等幅振動)：在振動中，為保持振幅不變（能量不變)３.受迫振動(1）受迫振動：物體在周期性外力作用下的振動叫受迫振動。（2）驅(qū)動力：周期性的外力作用于振動系統(tǒng)，對系統(tǒng)做功，克服阻尼作用，補償系統(tǒng)的能量損耗,使系統(tǒng)連續(xù)地振動下去，這種周期性的外力叫驅(qū)動力。（３)物體做受迫振動的頻率由驅(qū)動力決定,等于驅(qū)動力頻率,而與固有頻率無關(guān)（如:秋千）B4.共振:B(1)在受迫振動中,驅(qū)動力的頻率和物體的固有頻率相等時,振幅最大①產(chǎn)生共振的條件：驅(qū)動力頻率等于物體固有頻率②共振曲線：以驅(qū)動力頻率為橫坐標，以受迫振動的振幅為縱坐標.它直觀地反映了驅(qū)動力頻率對受迫振動振幅的影響，f驅(qū)與f固越接近，振幅Ａ越大;當ｆ驅(qū)＝f固時，振幅Ａ最大。（2）共振的防止和應(yīng)用①運用共振：驅(qū)動力頻率靠近固有頻率,如共振篩、轉(zhuǎn)速計、微波爐、打夯機、跳板跳水、打秋千等。②防止共振:驅(qū)動力頻率遠離固有頻率，如機床底座、航海、軍隊過橋、高層建筑、火車車廂等。機械波一、機械波的產(chǎn)生和傳播波的概念1.機械波:機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播2.形成條件:（1）波源:振源波源、波的發(fā)源地，最先振動的質(zhì)點,不是自由振動,而應(yīng)是受迫振動,有機械振動,不一定有機械波,有機械波必有機械振動。(決定了波的周期T和頻率f）（２）介質(zhì):介質(zhì)應(yīng)具有彈性的媒質(zhì)，這里的彈性與前述彈性不同，能形成波的媒質(zhì)叫彈性媒質(zhì)。(決定了波的傳播速度v)3．波的特點和傳播(1）把介質(zhì)當作是由大量的質(zhì)點構(gòu)成的,規(guī)定離振源近的稱為前一質(zhì)點,離振源遠的稱為后一個質(zhì)點。相鄰的質(zhì)點間存在著互相作用力，振動時，前一質(zhì)點帶動后一質(zhì)點振動（2）機械波傳播的只是振動的形式和能量，各個質(zhì)點只在各自的平衡位置附近往復振動，不隨波的傳播而遷移（水中的樹葉)(3)質(zhì)點做受迫振動，質(zhì)點的振幅、振動周期和頻率都與波源的相同（4)各質(zhì)點開始振動(即起振)的方向均相同(5）振動速度和波速的區(qū)別。在均勻媒質(zhì)中波是勻速、直線前進的，波由一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)，f不變,而v變,而質(zhì)點的振動是變加速運動,兩者沒有聯(lián)系,不能混淆。4.波的意義(1）傳播振動的能量——啟動受迫（機械波傳播機械能，電磁波傳播電磁能。）(２）傳播振動的形式——振幅周期頻率(振源如何振動,質(zhì)點就如何振動）(3)傳播信息(聲波、光波、電磁波）５．波的分類(1)橫波：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直,有波峰(凸部)和波谷（凹部）（如水波)(2)縱波:質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向共線,有密部和疏部(如聲波）二、機械波的圖象１.波的圖象(簡諧波圖像為正弦或余弦曲線)：用x表達波的傳播方向的各個質(zhì)點的平衡位置，用y表達某一時刻各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移，并規(guī)定在橫波中位移的方向向上為正。取得方法：（1）描點法――找到某一時刻介質(zhì)的各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移（2)拍照縱軸：某一時刻介質(zhì)的各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移橫軸:介質(zhì)各個質(zhì)點的平衡位置2．波動圖象的信息：（１）波長、振幅(２）任意一質(zhì)點此刻的位移(3)任意一質(zhì)點在該時刻加速度方向(４)由傳波方向擬定振動方向；由振動方向擬定傳播方向。(５)畫出一定期間的機械波的圖象①描點法②平移法（6）波上各質(zhì)點振動方向的判斷3．振動圖象和波的圖象的聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系：波動是振動在介質(zhì)中的傳播，兩者都是按正弦或余弦規(guī)律變化的曲線;振動圖象和波的圖象中的縱坐標均表達質(zhì)點的振動位移，它們中的最大值均表達質(zhì)點的振幅。區(qū)別：①振動圖象描述的是某一質(zhì)點在不同時刻的振動情況，圖象上任意兩點表達同一質(zhì)點在不同時刻偏離平衡位置的位移；波的圖象描述的是波在傳播方向上無數(shù)質(zhì)點在某一時刻的振動情況，圖象上任意兩點表達不同的兩個質(zhì)點在同一時刻偏離平衡位置的位移。②振動圖象中的橫坐標表達時間,箭頭方向表達時間向后推移；波的圖象中的橫坐標表達離開振源的質(zhì)點的位置，箭頭的方向可以表達振動在介質(zhì)中的傳播方向,即波的傳播方向，也可以表達波的傳播方向的反方向。③振動圖象隨時間的延續(xù)將向著橫坐標箭頭方向延伸，原圖象形狀不變;波的圖象隨著時間的延續(xù)，原圖象的形狀將沿橫坐標方向整個兒地平移,而不是原圖象的延伸。④在不同時刻波的圖象是不同的；對于不同的質(zhì)點振動圖象是不同的。三、描繪機械波的物理量1．周期和頻率：在波動中，各個質(zhì)點的振動周期是相同的,它們都等于波源的振動周期，這個周期也叫做波的周期。同樣,各個質(zhì)點的振動頻率也是波的頻率。(由振源決定)2.波長(λ):在波的傳播方向上，相對于平衡位置的位移總相等的兩個相鄰質(zhì)點間的距離，叫做波長(波長由波源和介質(zhì)共同決定）(1)在橫波中，兩個相鄰的波峰或波谷間的距離等于波長,在縱波中兩個相鄰的密部或疏部間的距離等于波長。(2)波動在一個周期中向前推動一個波長（3）在一個周期內(nèi)波峰或波谷向前推動一個波長（4)一個完整的正弦曲線橫軸長度。3.波速：(1)波速:波在介質(zhì)中的傳播速度。(由介質(zhì)決定，固體、液體中波速比空氣中大）(波速、波長和頻率的關(guān)系:)（2）波峰或波谷的推動速度(波的傳播方向就是波峰或波谷的推動方向)（３）與波源無關(guān)，所以波從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)時f不變、v變化，波速也是波的能量傳播速度。(4)波由一種介質(zhì)進入到此外一種介質(zhì)時，波速改變，波長改變,但是頻率不變。類比：頻率相同,“步長”不同。4.波的多解問題(１）周期性①時間周期性：時間間隔Δt與周期T的關(guān)系不明確②空間周期性：波傳播距離Δx與波長λ的關(guān)系不明確(2）雙向性①傳播方向雙向性:波的傳播方向不擬定②振動方向雙向性:質(zhì)點振動方向不擬定四、波的特性１.波的衍射：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象,說明波能偏離直線而傳到直線傳播以外的空間。任何波都能發(fā)生衍射現(xiàn)象。明顯衍射現(xiàn)象的條件：當障礙物或孔的尺寸小于波長或與波長相差不多2.波的干涉（1)波的疊加原理:在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個質(zhì)點都同時參與兩列波引起的振動，其振動的位移為兩列波單獨存在引起的位移的矢量和。波的獨立傳播原理:兩列波相遇前,相遇過程中和相遇后,各自波形和位移不發(fā)生任何變化。①相遇時，位移和速度都是矢量和②相遇后,保持原狀,繼續(xù)傳播③峰峰疊加加強，谷谷疊加加強，峰谷疊加減弱(2)波的干涉:頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強，某些區(qū)域的振動減弱，并且加強和減弱的區(qū)域相間分布的現(xiàn)象。（相干波源:周期頻率都完全相同的波源）①波的傳播就是波峰或波谷的推動②干涉條件：頻率相同的兩列波（相干波源）疊加③干涉圖樣的特點:A)形成加強區(qū)和減弱區(qū)B)加強區(qū)和減弱區(qū)互相間隔C)強總強,弱總?cè)鮀）加強區(qū)振幅增長，但是位移有時可認為零步調(diào)一致減弱區(qū):步調(diào)一致加強區(qū)：步調(diào)相反減弱區(qū)：步調(diào)相反加強區(qū):3.干涉和衍射（折射和反射）現(xiàn)象是波的特有的現(xiàn)象,一切波（涉及電磁波)都能發(fā)生干涉知衍射（折射和反射)，反之，能發(fā)生干涉和衍射（折射和反射）的一定是波。4．多普勒效應(yīng)：(1）波源發(fā)出的頻率f：波源單位時間內(nèi)發(fā)出波的個數(shù)觀測者接受到的頻率f′:觀測者單位時間內(nèi)接受到的波的個數(shù)（2)相對運動時對頻率的影響①波源和觀測者都不動ｆ′=f②波源不動：觀測者接近波源f′>f，觀測者遠離波源f′＜f,波長不變波速不變③觀測者不動：波源遠離觀測者ｆ′＜f，波源靠近觀測者f′＞ｆ，波長改變波速不變BASBAS當波源與觀測者有相對運動時，假如兩者互相接近，觀測者接受到的頻率增大；假如兩者遠離,觀測者接受到的頻率減小。（4)應(yīng)用①有經(jīng)驗的鐵路工人可以從火車的汽笛聲判斷火車的運動方向和快慢.②有經(jīng)驗的戰(zhàn)士可以從炮彈飛行時的尖叫聲判斷飛行的炮彈是接近還是遠去.③交通警察向行進中的汽車發(fā)射一個已知頻率的電磁波，波被運動的汽車反射回來時，接受到的頻率發(fā)生變化，由此可指示汽車的速度.④由地球上接受到遙遠天體發(fā)出的光波的頻率可以判斷遙遠天體相對于地球的運動速度.（5)多普勒效應(yīng)是波動過程共有的特性．五、次聲波和超聲波聲波：①空氣中的聲波是縱波②人耳能感覺的聲波的頻率范圍是２０Hz～２０230Hｚ,波長范圍是17ｍm~1７m。③人耳能區(qū)分回聲和原聲的最小時間是0．1ｓ④聲波有干涉、衍射、反射現(xiàn)象,聲音的共振叫共鳴1、次聲波:頻率低于20HZ的聲波。2、超聲波:頻率高于２0２3０HＺ的聲波光的傳播幾何光學一、光的直線傳播1.幾個概念①光源：可以發(fā)光的物體②點光源:忽略發(fā)光體的大小和形狀，保存它的發(fā)光性。（力學中的質(zhì)點，抱負化)③光能：光是一種能量,光能可以和其他形式的能量互相轉(zhuǎn)化（使被照物體溫度升高，使底片感光、熱水器電燈、蠟燭、太陽萬物生長靠太陽、光電池）④光線：用來表達光束的有向直線叫做光線，直線的方向表達光束的傳播方向,光線事實上不存在，它是細光束的抽象說法。（類比:磁感線電場線）⑤實像和虛像點光源發(fā)出的同心光束被反射鏡反射或被透射鏡折射后，若能會聚在一點,則該會聚點稱為實像點;若被反射鏡反射或被透射鏡折射后光束仍是發(fā)散的，但這光束的反向延長線交于一點,則該點稱為虛像點.實像點構(gòu)成的集合稱為實像,實像可以用光屏接受，也可以用肉眼直接觀測;虛像不能用光屏接受，只能用肉眼觀測．2.光在同一種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的注意前提條件:在同一種介質(zhì)中，并且是均勻介質(zhì)。否則,也許發(fā)生偏折。如光從空氣斜射入水中（不是同一種介質(zhì)）;“海市蜃樓”現(xiàn)象（介質(zhì)不均勻）。點評:光的直線傳播是一個近似的規(guī)律。當障礙物或孔的尺寸和波長可以比擬或者比波長小時，將發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，光線將也許偏離本來的傳播方向。二、反射平面鏡成像1．反射定律光射到兩種介質(zhì)的界面上后返回原介質(zhì)時,其傳播規(guī)律遵循反射定律．反射定律的基本內(nèi)容包含如下三個要點：①反射光線、法線、入射光線共面;②反射光線與入射光線分居法線兩側(cè);③反射角等于入射角，即２．平面鏡成像的特點——平面鏡成的像是正立等大的虛像，像與物關(guān)于鏡面對稱3．光路圖作法——根據(jù)成像的特點,在作光路圖時，可以先畫像,后補畫光路圖。4.充足運用光路可逆——在平面鏡的計算和作圖中要充足運用光路可逆。（眼睛在某點Ａ通過平面鏡所能看到的范圍和在A點放一個點光源,該點光源發(fā)出的光經(jīng)平面鏡反射后照亮的范圍是完全相同的。）5．運用邊沿光線作圖擬定范圍三、折射與全反射１．折射定律（荷蘭斯涅爾)：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi),折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè);入射角的正弦與折射角的正弦成正比(折射光路是可逆的）(不管是光從真空射入介質(zhì)，還是由介質(zhì)射入真空,θ1總是真空中的光線與法線間夾角，θ2總是介質(zhì)中的光線與法線間的夾角，v是光在介質(zhì)中的波速，是光在介質(zhì)中的波長,C為全反射時的臨界角。)折射率：折射率僅反映介質(zhì)的光學特性，折射率由介質(zhì)自身的光學性質(zhì)和光的頻率決定,與入射角的大小無關(guān)。折射率大,說明光從真空射入到該介質(zhì)時,偏折大。任何介質(zhì)的折射率總大于1。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)(１)與密度不同（2)相對性（3)ｎ大角小,n小角大２．全反射現(xiàn)象(１)現(xiàn)象：光從光密介質(zhì)進入到光疏介質(zhì)中時,隨著入射角的增長,折射光線遠離法線，強度越來越弱,但是反射光線在遠離法線的同時強度越來越強,當折射角達成90度時，折射光線認為所有消失，只剩下反射光線——全反射。（2）條件：①光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；②入射角達成臨界角,即（３）臨界角:折射角為900（發(fā)生全發(fā)射）時相應(yīng)的入射角,3.光導纖維,海市蜃樓和內(nèi)窺鏡全反射的一個重要應(yīng)用就是用于光導纖維(簡稱光纖）。光纖有內(nèi)、外兩層材料,其中內(nèi)層是光密介質(zhì),外層是光疏介質(zhì)。光在光纖中傳播時，每次射到內(nèi)、外兩層材料的界面,都規(guī)定入射角大于臨界角，從而發(fā)生全反射。這樣使從一個端面入射的光,通過多次全反射可以沒有損失地所有從另一個端面射出。四、棱鏡和玻璃磚對光路的作用1.棱鏡對光的偏折作用一般所說的棱鏡都是用光密介質(zhì)制作的。入射光線經(jīng)三棱鏡兩次折射后,射出方向與入射方向相比，向底邊偏折,虛像向頂角偏移。2．全反射棱鏡橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡。選擇適當?shù)娜肷潼c，可以使入射光線通過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉(zhuǎn)90ｏ或18０ｏ。要特別注意兩種用法中光線在哪個表面發(fā)生全反射。3．光的折射和色散一束白光通過三棱鏡折射后形式色散,構(gòu)成紅橙黃綠藍靛紫的七條彩色光帶，形成光譜。光譜的產(chǎn)生表白白光是由各種單色光組成的復色光,各種單色光的偏轉(zhuǎn)角度不同。顏色紅紫紅橙黃綠藍靛紅紫頻率γ低―→高折射率n小―→大同介質(zhì)速度v大―→小波長λ大―→小臨界角C大―→小4.玻璃磚:所謂玻璃磚一般指橫截面為矩形的棱柱。當光線從上表面入射,從下表面射出時，其特點是：⑴射出光線和入射光線平行；⑵各種色光在第一次入射后就發(fā)生色散;⑶射出光線的側(cè)移和折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關(guān)；⑷可運用玻璃磚測定玻璃的折射率。光的本性物理光學一、粒子說和波動說1.微粒說——(牛頓）認為個光是粒子流,從光源出發(fā),在均勻介質(zhì)中遵循力學規(guī)律做勻速直線運動。成功——直線傳播（勻速直線運動)、反射（經(jīng)典粒子打在界面上)困難——干涉,衍射(波的特性)，折射（粒子受到界面的吸引和排斥：折射角、不能一視同仁),光線交叉2．波動說——(荷蘭)惠更斯、（法)菲涅爾，光在“以太”中以某種振動向外傳播成功——反射、折射、干涉、衍射困難——光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、偏振19世紀以前,微粒說一直占上風(１）人們習慣用經(jīng)典的機械波的理論去理解光的本性。（2）牛頓的威望(３)波動理論自身不夠完善（以太、惠更斯無法科學的給出周期和波長的概念)3.光的電磁說:(英)麥克斯韋,光是一種電磁波4．光電效應(yīng)：證明光具有粒子性二、光的雙縫干涉:證明光是一種波１.實驗182０23,（英)托馬斯·楊單色光單孔屏雙孔屏接受屏2.現(xiàn)象（1）接受屏上看到明暗相間的等寬等距條紋。中央亮條紋（2)波長越大，條紋越寬(3)假如用復色光(白)，出現(xiàn)彩色條紋。中央復色(白)因素:相干光源在屏上疊加(加強或減弱）3.小孔的作用：產(chǎn)生同頻率的光雙孔的作用：產(chǎn)生相干光源(頻率相同,步調(diào)一致，兩小孔出來的光是完全相同的。)4.條紋的亮暗L2—L1=(2K+1)λ/2暗條紋L2—Ｌ1=2Ｋλ／2=Kλ亮條紋５.條紋間距∝波長△X=λL／d（波長、雙縫到屏的距離、雙縫距離)6．１m=10９nｍ1m＝10１0A三、薄膜干涉：光是一種波１.實驗酒精中撒鈉鹽，火焰發(fā)出單色的黃光２.現(xiàn)象（1）薄膜的反射光中看到了明暗相間的條紋。條紋等寬(2）波長越大,條紋越寬（3）假如用復色光,出現(xiàn)彩色條紋３.因素：薄膜厚度上薄下厚,入射光照在薄膜的同一位置,來自前后兩個面的反射光（頻率相同)路程差不同，疊加后出現(xiàn)明條紋或暗條紋(陽光下的肥皂泡、水面上的油膜、壓緊的兩塊玻璃)。4.科技技上的應(yīng)用（1)查平面的平整限度單色光入射,a的下表面與ｂ的上表面反射光疊加,出現(xiàn)明暗相間的條紋,假如被檢查的平面是平的，那么空氣厚度相同的各點就位于同一條直線上,干涉后得到的是直條紋，否則條紋彎曲。（2)增透膜膜的厚度為入射光在薄膜中波長的1/４倍時,從薄膜的兩個面反射的波相遇，峰谷疊加,反射減，抵消黃、綠光,鏡頭呈淡紫色。四．光的衍射：光是一種波光繞過直線途徑到障礙物的陰影里去的現(xiàn)象，稱光的衍射,衍射產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)叫衍射圖樣．１．實驗ａ單縫衍射：明暗相間的不等距條紋,中央亮紋最寬最亮,兩側(cè)條紋具有對稱性b圓孔衍射:明暗相間的不等距圓環(huán)，圓環(huán)遠遠超過孔的直線照明的面積c圓盤衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，中心有一亮斑稱為泊松亮斑（證實波動性).泊送亮斑：(法)菲涅爾理論泊松數(shù)學推導2.條紋的特點:條紋寬度不相同，正中央是亮條紋，最寬最亮,若復色光（白）,彩色條紋,中央復色（白）3.產(chǎn)生明顯衍射條件：障礙物或孔的尺寸比波長小或差不多4．光的直線傳播是近似規(guī)律五．光的電磁說:麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中的傳播速度相同，提出光在本質(zhì)上是一種電磁波,這就是光的電磁說,赫茲用實驗證明了光的電磁說的對的性。1.電磁波譜：波長從大到小排列順序為：無線電波、紅外線(一切物體都放出紅外線，18202３,英國赫謝爾）、可見光、紫外線（一切高溫物體，如太陽、弧光燈發(fā)出的光都具有紫外線，182023,德國里特）、Ｘ射線（高速電子流照射到任何固體上都會產(chǎn)生x射線,1８95年，德國倫琴,）、γ射線。各種電磁波中,除可見光以外，相鄰兩個波段間都有重疊(如紫外線和Ｘ射線、X射線和γ射線都有重疊）。各種電磁波的產(chǎn)生機理分別是:無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運動產(chǎn)生的;紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；倫琴射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的;γ射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。2．各種電磁波的產(chǎn)生、特性及應(yīng)用。電磁波產(chǎn)生機理特性應(yīng)用無線電波LC電路中的周期性振蕩波動性強無線技術(shù)紅外線原子的最外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的熱作用顯著，衍射性強加熱、高空攝影、紅外遙感可見光引起視覺產(chǎn)生色彩效應(yīng)照明、攝影、光合作用紫外線化學、生理作用顯著、能產(chǎn)生熒光效應(yīng)日光燈、醫(yī)療上殺菌消毒、治療皮膚病、軟骨病等倫琴射線原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的穿透本領(lǐng)很大醫(yī)療透視、工業(yè)探傷γ射線原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的穿透本領(lǐng)最強探傷;電離作用;對生物組織的物理、化學作用；醫(yī)療上殺菌消毒；３.實驗證明：物體輻射出的電磁波中輻射最強的波長λm和物體溫度T之間滿足關(guān)系λmＴ=ｂ（b為常數(shù)）。可見高溫物體輻射出的電磁波頻率較高。在宇宙學中，可以根據(jù)接受到的恒星發(fā)出的光的頻率,分析其表面溫度。六、光電效應(yīng):在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。(右圖裝置中，用弧光燈照射鋅版,有電子從鋅版表面飛出，使本來不帶電的驗電器帶正電。）光效應(yīng)中發(fā)射出來的電子叫光電子。1.光電效應(yīng)的規(guī)律。①各種金屬都存在極限頻率ν0，只有ν≥ν０才干發(fā)生光電效應(yīng)；②光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān),只隨入光的頻率增大而增大；③當入射光的頻率大于極限頻率時,光電流的強度與入光的強度成正比;④瞬時性（光電子的產(chǎn)生不超過１０-9s）。2.光子說①、普朗克量子理論：電磁波的發(fā)射和接受是不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫能量子或量子,每一份的能量是E=ｈγ,h=6.63×１0-3４Ｊ·ｓ，稱為普朗克常量。②愛因斯坦光子說：光的發(fā)射、傳播、接受是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫一個光子。其能量E=hγ。③愛因斯坦光電效應(yīng)方程E=⑷:Ek=-Ｗ（Ek是光電子的最大初動能；W是逸出功,即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）３.光電管陰極K陽極A陰極K陽極A玻璃泡（堿金屬）4.康普頓效應(yīng)在研究電子對X射線的散射時發(fā)現(xiàn):有些散射波的波長比入射波的波長略大?？灯疹D認為這是由于光子不僅有能量，也具有動量。實驗結(jié)果證明這個設(shè)想是對的的。因此康普頓效應(yīng)也證明了光具有粒子性。七、光的波粒二象性１．光的波粒二象性人們無法用其中一種觀點把光的所有現(xiàn)象解釋清楚，只能認為光具有波粒二象性，但不能把它當作宏觀經(jīng)典的波和粒子。減小窄縫的寬度，減弱光的強度,使光子一個一個的通過，到達接受屏的底片上。若暴光時間短,底片上是不規(guī)則的亮點，若暴光時間長,底片上是條紋干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實表白光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實表白光是一種粒子;因此現(xiàn)代物理學認為:光具有波粒二象性。2．對的理解波粒二象性波粒二象性中所說的波是一種概率波，對大量光子才故意義。波粒二象性中所說的粒子,是指其不連續(xù)性，是一份能量。⑴個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。⑵ν高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；ν低的光子容易表現(xiàn)出波動性。⑶光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性;在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。⑷由光子的能量E＝hν，光子的動量表達式也可以看出,光的波動性和粒子性并不矛盾：表達粒子性的粒子能量和動量的計算式中都具有表達波的特性的物理量——頻率ν和波長λ。八、物質(zhì)波(德布羅意波)由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去,得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念:任何一個運動著的物體都有一種波與它相應(yīng),該波的波長λ=。九、光的偏振⑴光的偏振也證明了光是一種波,并且是橫波。各種電磁波中電場Ｅ的方向、磁場Ｂ的方向和電磁波的傳播方向之間,兩兩互相垂直。⑵光波的感光作用和生理作用重要是由電場強度E引起的，將Ｅ的振動稱為光振動。⑶自然光。太陽、電燈等普通光源直接發(fā)出的光,包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光,并且沿各個方向振動的光波的強度都相同，這種光叫自然光。⑷偏振光。自然光通過偏振片后,在垂直于傳播方向的平面上，只沿一個特定的方向振動，叫偏振光。自然光射到兩種介質(zhì)的界面上,假如光的入射方向合適,使反射和折射光之間的夾角恰好是90°,這時，反射光和折射光就都是偏振光,且它們的偏振方向互相垂直。我們通?？吹降慕^大多數(shù)光都是偏振光。自然光通過起偏器:通過兩個共軸的偏振片觀測自然光,第一個偏振片的作用是把自然光變成偏振光，叫起偏器;第二個偏振片的作用是檢查光是否為偏振光,叫檢偏器．十、激光1．方向性好.激光束的光線平行度極好，從地面上發(fā)射的一束極細的激光束,到達月球表面時,也只發(fā)散成直徑ｌm多的光斑,因此激光在地面上傳播時，可以當作是不發(fā)散的．2.單色性強.激光器發(fā)射的激光，都集中在一個極窄的頻率范圍內(nèi)，由于光的顏色是由頻率決定的，因此激光器是最抱負的單色光源．3.平行性好．由于激光束的高度平行性極強的單色性,因此激光是最佳的相干光,用激光器作光源觀測光的干涉和衍射現(xiàn)象,都能取得較好的效果.４.亮度高.所謂亮度,是指垂直于光線平面內(nèi)單位面積上的發(fā)光功率，自然光源亮度最高的是太陽，而目前的高功率激光器,亮度可達太陽的１萬倍．第十四章電磁波和相對論簡介一、電磁振蕩1．振蕩電路：大小和方向都隨時間做周期性變兒的電流叫做振蕩電流，可以產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路，LC回路是一種簡樸的振蕩電路。212.LC回路的電磁振蕩過程：可以用圖象來形象分析電容器充、放電過程中各物理量的變化規(guī)律,如圖所示21３．LC回路的振蕩周期和頻率注意：（1)LＣ回路的Ｔ、f只與電路自身性質(zhì)L、C有關(guān)（2）電磁振蕩的周期很小，頻率很高，這是振蕩電流與普通交變電流的區(qū)別。4、分析電磁振蕩要掌握以下三個要點（突出能量守恒的觀點）：⑴抱負的LＣ回路中電場能E電和磁場能E磁在轉(zhuǎn)化過程中的總和不變。⑵回路中電流越大時,Ｌ中的磁場能越大（磁通量越大)。⑶極板上電荷量越大時，C中電場能越大（板間場強越大、兩板間電壓越高、磁通量變化率越大)。５、ＬC回路中的電流圖象和電荷圖象總是互為余函數(shù)。６、注意特殊點和過程a.充電完畢和放電完畢時的特點iqtiqttoo放電充電放電充電c.電場能和磁場能的轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài)d.電流在什么時候方向改變二、電磁場和電磁波１．麥克斯韋的電磁場理論(1）變化的磁場(電場）可以在周邊空間產(chǎn)生電場（磁場)；(2）均勻變化的磁場（電場）可以在周邊空間產(chǎn)生穩(wěn)定的電場（磁場）;（3)振蕩的磁場(電場)可以在周邊空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場（磁場)；可以證明:振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場；振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場。點評:變化的磁場在周邊激發(fā)的電場為渦旋電場，渦旋電場與靜電場同樣,對電荷有力的作用,但渦旋電場又于靜電場不同，它不是靜電荷產(chǎn)生的,它的電場線是閉合的，在渦旋電場中移動電荷時，電場力做的功與途徑有關(guān)，因此不能引用“電勢”、“電勢能”等概念。此外要用聯(lián)系的觀點結(jié)識規(guī)律，變化的磁場產(chǎn)生電場是電磁感應(yīng)的本質(zhì)。2.電磁場：按麥克斯韋的電磁場理論，變化電場和磁場總是互相聯(lián)系的,形成一個不可分離的統(tǒng)一場，稱為電磁場。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。理解電磁場是統(tǒng)一的整體:根據(jù)麥克斯韋電磁場理論的兩個要點：在變化的磁場的周邊空間將產(chǎn)生渦漩電場，在變化的電場的周邊空間將產(chǎn)生渦漩磁場.當變化的電場增強時,磁感線沿某一方向旋轉(zhuǎn),則在磁場減弱時,磁感線將沿相反方向旋轉(zhuǎn),假如電場不改變是靜止的,則就不產(chǎn)生磁場．同理,減弱或增強的電場周邊也將產(chǎn)生不同旋轉(zhuǎn)方向的磁場.因此，變化的電場在其周邊產(chǎn)生磁場,變化的磁場在其周邊產(chǎn)生電場，一種場的忽然減弱,導致另一種場的產(chǎn)生．這樣，周期性變化的電場、磁場互相激發(fā)，形成的電磁場鏈一環(huán)套一環(huán)，如下圖所示.需要注意的是，這里的電場和磁場必須是變化的，形成的電磁場鏈環(huán)不也許是靜止的，這種電磁場是無源場（即：不是由電荷激發(fā)的電場,也不是由運動電荷－電流激發(fā)的磁場.）,并非簡樸地將電場、磁場相加，而是互相聯(lián)系、不可分割的統(tǒng)一整體.在電磁場示意圖中,電場E矢量和磁場B矢量,在空間互相激發(fā)時,互相垂直,以光速c在空間傳播．3．電磁波變化的電場和磁場從產(chǎn)生的區(qū)域由近及遠