第十三章光.docx

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1、第十三章光固执于光的旧有理论的人们,最好是从它自身的原理出发,提出实验的说明。并且,如果他的这种努力失败的话,他应该承认这些事实。托马斯杨I光给了我们一个明亮的世界，可是它自己却像一团谜。人们不断争论着关于光的问题。光学既是物理学中一门古老的基础科学，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景.按照不同的研究目的，光学可以粗略地分为两大分支：一支利用几何学的概念和方法研究光的传播规律，称为几何光学；另一支主要研究光的本性以及光与物质相互作用的规律，通常称为物理光学。我们先学习几何光学，然后学习物理光学。光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时

2、期内对它的认识却进展得很慢。到17世纪时，科学界已经形成了两种学说：一种是微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播；另一种是波动说，是惠更斯首先提出的，认为光是在空间传播的某种波。微粒说和波动说都能解释一些光现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象。到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波。此后，赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。但是，19世纪末又发现了新的

3、现象一一光电效应，这种现象用波动说无法解释。爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。不过，这里所说的光子己经不同于过去所说的微粒了。1托马斯杨(T.Young,17731829)。英国物理学家、考占学家、医生，光的波动说的奠基人之一。现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性。第十三章1光的折射折射定律阳光能够照亮水中的鱼和水草，同时我们也能通过水面看到烈日的倒影，这说明：光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分先返回到空气中。一般说来，光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫做光的反射(reflection):

4、另一部分光会进入第2种介质,这个现象叫做光的折射(refraction)N图13.1-1光的反射和折射同时存在光从一种介质射到两种介质的分界面时发生反射，反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角.这就是光的反射定律(reflectionlaw)。光在折射时遵循哪些规律呢？如图13.1-2,让窄光束由一种介质斜射向另一种介质表面，例如，从空气射向水，或从水射向玻璃，我们研究入射光的折射情况。图中入射光线与法线间的夹角仇叫做入射角，折射光线与法线间的夹角仇叫做折射角实验表明，当入射角变化时折射角随着改变。但是折射角与入射角之间有什么定量的关系呢

5、？AN直到1621年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量数据后终于找到了两者之间的关系，并把它总结为光的折射定律（refractionlaw）:折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧:入射角的正弦与折射角的正弦成正比.即式中12是比例常数。说一说我们在上一章研究波的折射时已经见过这个等式，那是从惠更斯原理得出的推论；而这里的（1）式是由实验得出来的。由此我们是否可以推测：光可能是一种波，我们常说的光线”就是光波的波线？所有事实都表明，在光的折射现象中，当光从水射向空气后（图13-2）也会发生偏折，而且光线沿BO的方向进入空气时，会沿OA的方向射出。也就是说，与光

6、的反射现象一样，在光的折射现象中，光路也是可逆的光路可逆现象很有用处。例如，我们只对光从空气射入介质的情况做过深入的研究，但如果遇到光从介质射入空气的问题，由于光路电逆，也能得出结论.折射率光从第1种介质射人第2种介质时，入射角的正弦与折射角的正弦之比小2是个常数,它与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关。在实际应用中，遇到最多的情形是光从空气射入某种介质，或从某种介质射入空气，而空气对光的传播的影响很小，可以作为真空处理。因此，以后我们只讨论光从真空射入介质的情形。这时，常数切2可以简单地记为。对于不同的介质来说，常数是不同的。例如，光从空气射入水中时，=1.33；光从空气射入某

7、种玻璃时，=1.50。可见常数与介质有关系，是一个反映介质的光学性质的物理量。常数越大，光线从空气斜射入这种介质时偏折的角度越大.光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率(refractiveindex),用符号表示。研究表明，光在不同介质中的速度不同：某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度C与光在这种介质中的传播速度V之比，即(2)式也与惠更斯原理的结论一样。见第十二章第4节。由于光在真空中的传播速度C大于光在任何其他介质中的传播速度V,因而任何介质的折射率都大于I。所以，光从真空射入任何介质时，sin仇都大于Sin仇，即入射角

8、总是大于折射角。下表列出了几种介质的折射率表1几种介质的折射率介质折射率介质折射率金刚石2.42岩盐1.55二硫化碳1.63酒精1.36玻璃15FS水1.33水晶1.55空气1.00028说一说光从介质1射入介质2(二者都不是真空)，可能有几种折射情况?测定玻璃的折射率如图I3.L3,当光以一定的入射角透过一块玻璃砖时，只要找出与入射光线Ao相对应的出射光线OD,就能够画出光从空气射入玻璃后的折射光线OO，,于是就能测量入射角后、折射角仇。根据折射定律，就可以求出玻璃的折射率了。图13.1-3测定玻病的折射率怎样确定与入射光线AO相对应的折射光线OO，?把玻璃砖放在木板上，下面垫一张白纸，在纸

9、上描出玻璃砖的两个边a和al然后，在玻璃砖的一侧插两个大头针A、B,AB的延长线与直线a的交点就是O。眼睛在另一侧透过玻璃病看两个大头针，使B把A挡住（图13.1-3）。如果在眼睛这-侧再插第三个大头针C,使它把A、B都挡住，插第四个大头针D,使它把前三个都挡住，那么后两个大头针就确定了从玻璃砖射出的光线。在白纸上描出光线的径迹，测量相应的角度，就能计算玻璃的折射率了。实验中，应该采取哪些措施以减小误差？例题如图13.14所示，一个储油桶的底面直径与高均为/当桶内没有油时，从某点A恰能看到桶底边缘的某点B。当桶内油的深度等于桶高的一半时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的点C,C、B两点相距（

10、O求油的折射率和光在油中传播的速度。甲没有油时刚好看到B点乙有油时沿同一方向看去可以看到C点图13.1-4计算油的折射率和油中的光速【分析】在图乙中过豆线AB与油面的交点O做油面的垂线，交桶底于N，点.此题是说，来自C点的光线沿Cc）到达油面后沿OA方向射入空气.折射现象中光路是可逆的，因此如果光线沿AO方向由空气射到油面，折射光将沿OC进入油中。以NAON作为入射角，以么CoN，作为折射角，由折射定律可以求出油的折射率。【解】因为底面直径与桶高相等，所以NAoN=NBON=45由O=2CN可知CN,1sinZCON*=-）=可CN,2+ONr25因此，油的折射率85 =ISinNAoN=Si

11、nNCObT光在油中的传播速度r-=3?：丁m=1.910问题与练习I.图13.1-5是光由空气射入半圆形玻璃砖，再由玻璃砖射入空气的光路图，O点是半圆形玻璃传的圆心.指出哪些情况是可能发生的，哪些情况是不可能发生的。图13.1-6求介质的折射率图13.1-5哪些情况可能发生2 .光以60。的入射角从空气射入折射率=5的玻璃中,折射角是多大？画出光路图。3 .根据水和水晶的折射率，分别算出光在其中的传播速度。水中的光速大约是真空中的光速的几分之几？4 .图13.1-6是光由空气射入某种介质时的折射情况，试由图中的数据求出这种介质的折射率和这种介质中的光速。5 .图13.1-7是射水鱼在水中准确射中水面上约Im远的小昆虫的照片。请你利用光的折射的知识分析，水中的鱼看到小昆虫的位置是在实际昆虫的上方还是卜方？图13.1-7射水鱼射中小昆虫6 .关于图13.1-3测定玻1因折射率的实验.回答以下问题。(1)证明图中的入射光线与射出玻璃砖的光线是平行的。(2)如果光射入和射出玻璃的两个平面是平行的，射出玻璃砖的光线相对入射光线来说产生了侧移。证明：入射角越大侧移越大。(3)为减小实验误差，入射角大-些好还是小一些好？