HeavenFox's Space

零 前言

光学是初中物理的第二部分,难度不大,因此我决定写一篇文章简单说一说光学.一篇四千字的文章不可能讲的很详细.因此,本文可以用做考试复习材料,这也是我写作本文的主要目的.

一 光是什么

光是一种波,也是一种粒子,具有波粒二象性......当我没说,这些东西在高中学习也不晚.回到正题.我们能够看到这个世界多亏了光.人的眼睛是什么?是一种接受光的"仪器".我们为什么能看到物体?因为物体发出的光进入的眼睛.

我们把能够发光的物体叫做光源.太阳是光源,电灯是光源,萤火虫是光源.而月亮,镜子都不是光源,因为它们不能发光.

为了方便研究,我们把光看成一根一根的直线,称作光线.这种研究方法叫物理模型法.因此题目中可以说"有两条光线...有三条光线..."但生活中光线是不存在的.它有点像空气和水.

二 光的传播

根据生活经验我们可以知道,光沿直线传播.物理学家经过实验得出结论:光在均匀介质中直线传播.在此我们可以悟出一条自然哲学:大自然总是按最快捷的方式行动.所以,我们看到天上的星星眨眼睛,就是因为光在不均匀的介质中传播时发生弯曲.因为我们的人眼总认为光是沿直线传来的,当光线拐着弯传来时就造成了一种错觉.包括我们在烤羊肉串摊子前看卖烤羊肉的大叔感觉似乎扭曲了也是如此.因为火加热了空气使空气膨胀,使空气不再是均匀介质.

古人认为光的传播不需要时间,也即光速是无穷大.后来一位科学家设计了精巧的实验,测出了光速.真空中的光速常记作c,是物理学中的一个重要常数.一般取c=3×10⁸m/s

推荐阅读:人民教育出版社高三物理教材(老版的,新版不知道有没有删除),上面提供了一个测量光速方法的例子

光速在不同介质中是不同的.空气中比真空略慢,但我们仍取3×10⁸m/s.水中是真空中的3/4,玻璃中是真空中的2/3.

人们利用光的直线传播可以做很多事情.例如,引导掘进机挖隧道,排队时看到前面同学遮住了其他同学就知道队伍是直的,等等.

同时,小孔成像也是因为光的直线传播.

什么是小孔成像?使用一个

什么是像?下面再说.

三 光的反射

光碰到物体会发生反射,否则我们就什么也看不见了.反射有两种,镜面反射和漫反射.在光滑物体上发生镜面反射,在凸凹不平的物体上发生漫反射.判断是镜面反射还是漫反射的主要依据是,如果入射光线是平行的,反射光线是否平行.平行的话是镜面反射,不平行是漫反射.

反射可以成像.你在镜子中看到的你的像就是反射形成的.

光的反射遵循一定的规律.规律概括起来就是

三线共面
两角相等
法线居中

三线共面--入射光线反射光线法线在同一平面上.

什么是法线?垂直于镜面(或其他物质表面)的直线就是法线.

为什么叫法线?问我们的古人去.其实,广义上的法线指的是垂直于曲线某一点的切线的直线.不过这个法--英文里是normal--似乎有垂直的意思,例如法向量......我又跑题了.

两角相等--入射角和反射角相等.入射角是入射光线与法线的夹角,绝非与镜面的夹角,反射角亦然.

法线居中--入射光线反射光线分居法线两侧,被王母娘娘无情地隔开,从此天隔一方......还是当我没说.

(嘿,初二的同学们,想没想起来"佛印居右,鲁直居左"?)

好啦,反射就这些内容.哦......对了,镜面反射遵守反射定律,漫反射也遵守哦~

四 光的折射

上面说过光在均匀介质中沿直线传播.所以如果一束光从空气中射到水中会发生偏折现象.

因此有折射角的概念.折射角和反射角一样,是折射光线和法线的夹角.

水中的折射角小于空气中的,玻璃中的折射角小于水中的.

所以,光从空气中射入水中,会向法线偏折,反之则远离法线.

折射也能成像.我们看到的水中的物体都是折射成的像.这个像比实际位置稍浅.

例题1:一根筷子插入水中,透过水面看,水中的筷子是向上偏折还是向下偏折?

解:有人认为,光线射入水中向法线偏折,那么筷子也是这样.但筷子不是光线.插入水中的筷子向上偏折.很好理解,上面我说过,折射成的虚像位置比实际位置稍浅.整个筷子变浅了.

那么,我们有一个问题是,入射角和折射角之间存在什么精确的关系?如果你对此没有兴趣可以略过下面的部分.

一开始人们认为入射角和折射角存在简单的成正比关系,也就是他们相除得数一定.但后来人们发现这是错的!

直到后来,经过大量的实验,科学家得出结论.这个结论在高中会讲到,在此我用最通俗的方法来阐述一遍:

作出入射光线和折射光线还有法线,在入射光线和折射光线上分别找一点,使得两点到入射点的距离相等.过这两点作界面的平行线.这两条平行线在法线和入射(折射)光线中间的部分长度成正比.

如果你的数学好,也许这种表达方式你更加喜欢:入射角的正弦和折射角的正弦成正比.

这个比值叫做折射率.

折射率等于两种介质中的光速之比.

五 像 实像 虚像

什么是像?顾名思义,像一定和原物体很像......你在镜子中看到的你自己就是你的像,投影仪投出的画面就是镜头后面LCD的像,等等.

小孔成像是原物体发出(反射)的光线汇聚而成的,像的每一点都是由一条光线汇聚成的.因此叫做实像.实像可以被光屏承接.

反射或折射成的像是因为光路被改变,人眼却认为光是沿直线传来的而形成的,是射入人眼的光线的反向延长线会聚成的,而非实际光线,因此叫虚像.虚像不能被光屏承接(谁让他不是实际光线会聚成的...).

什么是光屏?能承接光的都是光屏,无论是白纸还是白布还是什么东西

怎么判断是实像还是虚像?根据定义,根据光学元件,其实有更简单的方法:

--所有实像都是倒立的
--所有虚像都是正立的
--隔着东西看到的都是虚像(如果你戴眼镜,你看到的一切都是虚像...)

六 平面镜成像,折射成像

平面镜成像的原因是什么?就是上面提到过的.人的眼睛总认为光是沿直线传来的.可平面镜改变了光路,使光不再是沿直线传来的了.于是人就有一种错觉,认为光是从平面镜后面传来的.

平面镜成像的性质是,物像连线被镜面垂直平分.

七 色散,光谱,红外线和紫外线

太阳光是什么颜色的?当然,你决不能对着太阳去看一看.这样要么得不出正确的结论(清晨傍晚你看到的应该是一个黄色的太阳),要么你的眼睛就废掉了(正午的太阳).

太阳光是白色的.但事实上,这种白是由七种颜色混合成的.他们是,红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫

分解的这一过程叫做色散,是由英国伟大的物理学家牛顿发现的.

把这七种色光排列起来就制成了可见光谱,简称光谱.

人们发现,只用红 绿 蓝三种颜色的混合叠加可以显现出其他任何一种颜色,所以他们叫做色光的三原色.

三种颜色的光叠加起来就是白光,如果都没有就是黑色的.

另外,不透明物体的颜色是由它反射的色光决定的.一个绿色的物体只反射绿光,其它色光全部吸收.透明物体的颜色则是由通过它的色光决定的.

例题1:舞台上,红色的追光灯打到穿绿裙子的演员身上,人们看到她的裙子是什么颜色的?

解:一个绿色的东西只反射绿光,其他色光全部吸收.自然,红色光也被吸收了.因此呈黑色.

在光谱红色的左端,紫色的右端,也存在光,只不过人眼看不见而已.他们分别叫做红外线和紫外线.

红外线可以制作夜视仪,遥控器.

紫外线可以杀菌,制作验钞机.

八 透镜

如果一块玻璃中间和边缘厚度不等,他就是一块透镜.

透镜分凸透镜和凹透镜.凸透镜的中间厚一些,凹透镜反之.

所以,从数学的角度看,凸透镜和凹透镜都可以看成两个圆组成的图形.凸透镜是两个圆的重合部分,凹透镜是两个圆中间的部分.

两个圆的圆心所在直线是透镜的主光轴.或者,把凸透镜两端,凹透镜的两端中点连起来,作该线段的中垂线,也可以得到主光轴.垂足叫做光心. 

凸透镜对光有会聚作用.凹透镜对光有发散作用.

平行光通过凸透镜,会会聚在一点..通过凹透镜,发散光线反向延长线也会聚于一点.这点叫做焦点.一个透镜有两个焦点,都在主光轴上.焦点到光心的距离叫做焦距,两个焦距相等.

另外有一个有趣的事实.对于一个透镜,你可以把它砍下去一块,甚至可以把中间挖去,剩下的部分仍是一个透镜,而且主光轴焦距等性质都没有改变.

九 凸透镜成像规律

凸透镜可以成像,凹透镜也可以.不过凹透镜永远成正立缩小的虚像.因此不做深究.

凸透镜成像规律可以用表格表示.我们一般用u表示物距,v表示像距,f表示焦距

物距	像距	性质	应用
u<f	v>u	正立 放大 虚像	放大镜
f<u<2f	v>2f	倒立 放大 实像	幻灯机
u>2f	f<v<2f	倒立 缩小 实像	照相机

由此我们还可以得到结论(除了第五部分提到过的以外)

在成实像的情况下

如果物距大于像距,则像一定是缩小的
反之,像一定是放大的

另外有口诀:

一焦分虚实
二焦分大小
物近像远像变大
物远像近像变小

有了这四句口诀,打遍天下都不怕!

例题1:用幻灯机放映时,发现投出来的屏幕有点小.应该怎么办?

解答:要投出来的像大一些,找口诀:物近像远像变大.像变大,物就要近,同时像就远了.

所以答案就是,把幻灯机镜头向下调节,使幻灯机远离屏幕

就这么简单.

还有一个事实是课本没有提到的.物距像距还有焦距存在如下关系:

1/u + 1/v = 1/f

也就是,物距像距的倒数和等于焦距的倒数

这个东西有什么用呢?

例题2:有一个蜡烛距凸透镜20cm,在凸透镜后18cm的光屏上成了一个像.现在把蜡烛和光屏互换.请问还能否在光屏上成清晰的像?如果能,试求像的性质

解:不用这个公式也可以解.由光路可逆可知,一定可以成像.而此时的像距就是20cm,物距18cm,物距大于像距,那么一定成放大的像.而在光屏上承接到,一定是实像,而实像都是倒立的.所以,可以成像,成倒立放大的实像.

现在用这个公式求解.

首先,我们注意到,焦距是不变的.现在u和v互换,相当于上式左边的两个分数互换了一下,结果不变.所以肯定能够成清晰的像(因为等式仍然成立).

那么像的性质呢?求出焦距,得到焦距约是9.47cm.那18cm<9.47cm*2

所以成倒立放大的实像

当然,这种方法没有第一种纯分析的方法简单.但假如你想不到那里,这倒是个不错的方法.

十 透镜的应用

透镜最典型的应用是什么?当然是显微镜和望远镜啦.

无论是显微镜还是望远镜都是由两个凸透镜组成的.靠近人眼的叫目镜,靠近物体的叫物镜.

望远镜中,物镜的用途是将无穷远的物体拉近.此时,物距是无穷大,所以像就无穷接近焦点.

可这个像太小.我们需要目镜将其放大.

因此,目镜和物镜的作用分别相当于放大镜和照相机

而显微镜的物镜可以放大物体,所以物体在一倍焦距到二倍焦距之间.而目镜可以把这个像再放大

所以,目镜相当于放大镜,而物镜相当于幻灯机

除了显微镜和望远镜,透镜有一个极为重要的应用,它是我们每个人都离不开的.那就是我们的眼睛.

我们的人眼相当于一个照相机,镜头就是晶状体.所以晶状体相当于一个凸透镜,成倒立缩小的实像.

和相机不同的是,晶状体的焦距是可以调节的.如果物体靠近,根据口诀,像就远了.因此晶状体变厚,焦距变短,像就会靠近.

但假如晶状体过厚,像就会成在视网膜之前,我们看到的像就不清晰了.此时,需要让光线发散一点,所以需要佩戴凹透镜制成的近视镜.

反之就是远视,需要佩戴由凸透镜制成的远视镜.

例题1:小明要自制望远镜,那么他可以用:
A.两个度数不同的老花镜
B.两个度数不同的近视镜

解:

综合性强的一道题.只要我们知道望远镜由凸透镜制成,老花镜也由凸透镜制成,这道题就是小菜一碟

不过...你有没有注意到,题目中没有给出"一个老花镜一个近视镜"的选项?

因为这样也可以制成望远镜

望远镜有三种:伽利略望远镜,开普勒望远镜和牛顿望远镜.

我们学习的是开普勒望远镜

伽利略望远镜由一个凸透镜和一个凹透镜组合而成,前者为物镜,后者为目镜.这种望远镜结构简单,而且可以直接得到正立的像.现在多用于玩具.

开普勒望远镜和伽利略望远镜都是折射式望远镜.牛顿望远镜则是反射式望远镜.反射式望远镜可以避免折射望远镜中上面讲过的色散.

至此,光学全部讲完.