中山大學(xué)課件-普物-光學(xué)

光學(xué)：探索光的奧秘歡迎來(lái)到中山大學(xué)普通物理學(xué)光學(xué)課程。我們將深入探討光的本質(zhì)、特性及其廣泛應(yīng)用。讓我們開(kāi)始這段激動(dòng)人心的光學(xué)之旅。光的性質(zhì)波動(dòng)性光表現(xiàn)出波的特性，如干涉和衍射。粒子性光也具有粒子特性，如光電效應(yīng)中的光子。直線傳播在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。電磁波光是電磁波的一種，具有電磁場(chǎng)的特性。光的波動(dòng)性波長(zhǎng)光的波長(zhǎng)決定了其顏色?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍約為380-780納米。頻率光的頻率與波長(zhǎng)成反比。頻率越高，能量越大。波動(dòng)特性光表現(xiàn)出干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，證實(shí)了其波動(dòng)本質(zhì)。光的直線傳播光源發(fā)出光線的起點(diǎn)。傳播路徑在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。成像利用光的直線傳播原理形成影像。光的衍射定義光遇到障礙物邊緣時(shí)，會(huì)繞過(guò)障礙物傳播的現(xiàn)象。原理基于惠更斯-菲涅耳原理，每個(gè)波陣面上的點(diǎn)都可視為次波源。應(yīng)用光柵光譜儀、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用衍射原理。光的干涉1相干光源兩束光源必須具有相同頻率和恒定相位差。2光程差兩束光傳播路徑的光程差決定干涉結(jié)果。3干涉條紋形成明暗相間的干涉圖樣。4應(yīng)用干涉技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量和薄膜制造。薄膜干涉肥皂泡日常生活中最常見(jiàn)的薄膜干涉現(xiàn)象。鍍膜利用薄膜干涉原理制造防反射鍍膜。測(cè)量用于精密測(cè)量微小距離和厚度。有限孔徑衍射1菲涅耳衍射2夫瑯禾費(fèi)衍射3艾里斑4分辨率極限有限孔徑衍射影響光學(xué)儀器的成像質(zhì)量和分辨率。了解這一現(xiàn)象對(duì)優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)至關(guān)重要。光的折射定義光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。斯涅爾定律n?sinθ?=n?sinθ?，其中n為折射率，θ為入射角和折射角。應(yīng)用透鏡、光纖通信等技術(shù)都基于光的折射原理。全反射1臨界角2全反射條件3光纖通信4棱鏡應(yīng)用全反射是光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。它在光纖通信和光學(xué)儀器中有重要應(yīng)用。棱鏡色散棱鏡可將白光分解成不同顏色的光。全反射利用全反射原理改變光路方向。光譜儀棱鏡是構(gòu)建光譜儀的重要光學(xué)元件。透鏡成像物體被觀察或成像的目標(biāo)。透鏡利用折射原理改變光路。像形成的圖像，可能是實(shí)像或虛像。成像公式1/u+1/v=1/f，u為物距，v為像距，f為焦距。近視、遠(yuǎn)視和老視近視遠(yuǎn)處物體的像落在視網(wǎng)膜前，需要凹透鏡矯正。遠(yuǎn)視近處物體的像落在視網(wǎng)膜后，需要凸透鏡矯正。老視晶狀體調(diào)節(jié)能力下降，需要使用雙焦或漸進(jìn)鏡片。眼睛的構(gòu)造眼球結(jié)構(gòu)包括角膜、虹膜、晶狀體、視網(wǎng)膜等重要組成部分。視網(wǎng)膜包含感光細(xì)胞（視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞），負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。光學(xué)系統(tǒng)角膜和晶狀體共同構(gòu)成眼睛的光學(xué)系統(tǒng)，將光聚焦在視網(wǎng)膜上。眼球的調(diào)節(jié)1瞳孔調(diào)節(jié)虹膜控制瞳孔大小，調(diào)節(jié)進(jìn)入眼球的光量。2晶狀體調(diào)節(jié)睫狀肌控制晶狀體形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離物體的清晰成像。3暗適應(yīng)視網(wǎng)膜中的視桿細(xì)胞對(duì)弱光敏感，需要時(shí)間適應(yīng)黑暗環(huán)境。4明適應(yīng)進(jìn)入明亮環(huán)境時(shí)，視錐細(xì)胞逐漸接管視覺(jué)功能。色散和色差色散不同波長(zhǎng)的光在介質(zhì)中傳播速度不同，導(dǎo)致折射率不同。色差由色散引起的光學(xué)系統(tǒng)成像缺陷，影響圖像質(zhì)量。校正方法使用消色差透鏡組或反射式光學(xué)系統(tǒng)來(lái)減少色差。光的色散1白光2棱鏡3色散4光譜5應(yīng)用色散現(xiàn)象解釋了彩虹的形成原理。它在光譜分析、光學(xué)儀器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。通過(guò)研究物質(zhì)的色散特性，我們可以了解其光學(xué)性質(zhì)。色差1軸向色差不同波長(zhǎng)的光在光軸上的焦點(diǎn)位置不同。2橫向色差不同波長(zhǎng)的光在像平面上的放大率不同。3消色差設(shè)計(jì)通過(guò)組合不同材料的透鏡來(lái)減少色差。4應(yīng)用考慮在高精度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮色差影響。光的偏振橫波性質(zhì)光的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于傳播方向。偏振器可以產(chǎn)生或分析偏振光的光學(xué)器件。應(yīng)用廣泛用于光學(xué)顯示、應(yīng)力分析等領(lǐng)域。偏振光的性質(zhì)線偏振光電場(chǎng)振動(dòng)方向在空間保持不變的偏振光。圓偏振光電場(chǎng)振動(dòng)方向隨時(shí)間呈圓周運(yùn)動(dòng)的偏振光。橢圓偏振光電場(chǎng)振動(dòng)方向隨時(shí)間呈橢圓運(yùn)動(dòng)的偏振光。偏振光的應(yīng)用LCD顯示液晶顯示器利用偏振光控制像素明暗。應(yīng)力分析通過(guò)偏振光觀察材料內(nèi)部應(yīng)力分布。3D電影利用偏振眼鏡實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)效果。攝影濾鏡偏振濾鏡可以減少反光，增強(qiáng)色彩飽和度。激光的基本原理1受激輻射2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3光學(xué)諧振腔4激光輸出激光產(chǎn)生的核心是受激輻射過(guò)程。通過(guò)泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在光學(xué)諧振腔中形成振蕩，最終輸出相干性好、方向性強(qiáng)的激光束。激光的特性單色性激光具有極窄的光譜線寬，接近單一波長(zhǎng)。相干性激光光波的相位關(guān)系保持穩(wěn)定。方向性激光束發(fā)散角很小，可以傳播很遠(yuǎn)距離。高亮度單位立體角內(nèi)的輻射功率密度很大。激光的應(yīng)用光的量子性質(zhì)光子光的基本粒子，具有確定的能量和動(dòng)量。波粒二象性光同時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性和粒子性。量子效應(yīng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)出量子特性。光電效應(yīng)定義光照射金屬表面時(shí)，使電子從金屬中逸出的現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦方程hν=W+Ek，其中hν為光子能量，W為逸出功，Ek為光電子動(dòng)能。應(yīng)用光電池、光電傳感器等設(shè)備的工作原理基于光電效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)入射光子高能X射線光子。碰撞與自由電子發(fā)生彈性碰撞。散射光子能量減小，波長(zhǎng)增加。電子反沖電子獲得動(dòng)能。玻爾模型1原子核2電子軌道3能級(jí)躍遷4光譜線玻爾模型解釋了氫原子的光譜線。電子在不同能級(jí)間躍遷時(shí)吸收或發(fā)射特定能量的光子。這一模型為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。電磁波的譜1射線波長(zhǎng)最短，能量最高。2X射線用于醫(yī)學(xué)診斷和材料分析。3紫外線殺菌消毒，但過(guò)量可能有害。4可見(jiàn)光人眼可見(jiàn)的光波范圍。5紅外線熱成像和遠(yuǎn)程通信應(yīng)用。6微波通信和加熱食物。7無(wú)線電波波長(zhǎng)最長(zhǎng)，用于廣播和通信。電磁波的應(yīng)用醫(yī)學(xué)診斷X射線用于骨折檢查和CT掃描。通信技術(shù)無(wú)線電波和微波廣泛應(yīng)用于各種