《光学基础知识》课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,光學基礎知識,10/8/2024,1,一光的本性,1.,光的學說的歷史發展,光的本質是什么這是一個非常古老的問題遠在兩千多年以前古希臘的學者們在探討視覺問題時就有人認為人的視覺是由所見物體射出的粒子進入眼睛引起的這種看法可以說已經接觸到了光的本性問題只不過停留在簡單的猜想上還沒有理論上和實驗上的依據對光的本性的科學的研究始于十七世紀下半葉當時形成了兩種截然不同的關于光的本性的學說一種是以牛頓為代表的微粒說認為光是由高速運動的細小粒子組成的。另一種是以荷蘭學者惠更斯為代表的波動說認為光是由細小的波組成的。,微粒說很容易解釋光的直進現象可以認為光的直進不過是慣性現象的簡單結果而波動說卻很難解釋這種現象因為常見的水波聲波都要發生衍射不會象光那樣在物體后面留下清晰的影子。但是微粒說在解釋几束光交叉相遇后會彼此毫無妨礙地繼續向前傳播時遇到了很大困難因為光如果是由粒子組成的相碰時就會象球體相撞那樣改變傳播的方向而波動說解釋這種現象卻比較容易。水面上几列水波能夠自由地互相穿過這是人們熟知的波的現象。,10/8/2024,2,光的微粒說和波動說各有其成功的一面但都不能完滿地解釋當時已知的所有光現象所以到十八世紀末兩種學說一直是平行存在的只是由于牛頓在學朮界有很高的聲望才使大多數學者傾向于微粒說。但是到了十九世紀發現了光的衍射和干涉現象這些現象都是波動所特有的無法用微粒說解釋。十九世紀七十至八十年代麥克斯韋創立了光的電磁理論認為光在本質上是一種電磁波赫茲又用實驗証明了電磁波的存在光的電磁理論得到了科學界的公認。于是光的波動說取得了“壓倒的勝利”微粒說受到了人們的冷落然而其后不久就發現了用波動說不能解釋的新的現象-光電效應証實了光的確具有粒子性。經歷了一段漫長而又曲折的過程之后在本世紀初人們終于認識到光既具有波動姓又具有粒子性。這兩種表面上看來截然不同的性質不過是光的本性的兩個不同的方面罷了。,從光的干涉衍射現象和光的電磁說証明光具有波動性從光電效應和光子說証實光具有粒子性。光具有波粒二象性,一光的本性,10/8/2024,3,2.,光的衍射,我們不能象觀察水波那樣直接看到光波只能通過間接的証據來確認光的波動性質。最好的証據就是光的衍射和干涉現象這是一切波都具有的特征。我們先來看一看光的衍射。,取一個不透光的屏在它的中間裝上一個寬度可以調節的狹縫用平行的單色光照射在縫后適當距離處放一個光屏我們看到當縫比較寬時光沿著直線方向通過縫在光屏上產生一個跟縫的寬度相當的亮線但是當縫調到很窄時光通過縫后就明顯偏離了直線傳播方向照到了屏上相當寬的地方并且出現了明暗相間的條紋一束單色光從光源S照射到有較大圓孔A的屏在后面的屏上就得到一個光亮的圓 B圓的大小跟按光沿直線傳播計算出來的結果是一致的縮小圓孔亮圓也跟著縮小但是縮小到一定程度在后一個屏上就出現一些明暗相間的圓環這些圓環達到的范圍遠遠超過了根據光的直線傳播所應照明的面積。,在上面講的實驗里我們看到了光離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的現象這種現象叫,光的衍射,衍射時產生的明暗條紋或光環叫,衍射圖樣,。,一光的本性,10/8/2024,4,不只是狹縫和圓孔各種不同形狀的障礙物都能使光發生衍射以致影的輪廓模糊不清出現明暗相間的條紋。,衍射現象的研究表明光沿直線傳播只是一種近似的規律只有在光的波長比障礙物小得多的情況下光才可以看作是直進的在障礙物的尺寸可能跟光的波長相比甚至比光的波長還要小的時候衍射現象就十分明顯了。,衍射証明了光的波動理論的正確性,3.光的干涉,雙縫干涉,光的干涉是光具有波動性的又一個証據。1801年英國物理學家托馬斯.楊在實驗室里成功地觀察到了光的干涉現象。,讓一束單色光（例如紅光）投射到一個有狹縫的屏上這個狹縫就成了一個“光源”。光從狹縫出來后射到第二個屏的兩個狹縫上這兩個狹縫離得很近（例如0.1毫米）而且與前一個狹縫的距離相等如果光是傳播某種振動的波那末任何時刻從前一個狹縫發出的光波都會同時傳到這兩個狹縫這兩個狹縫就成了兩個振動情況總是相同的波源它們發出的波在屏上疊加就會出現干涉現象在波峰跟波峰疊加波谷跟波谷疊加的地方光就互相加強在波峰跟波谷疊加的地方光就互相抵消或削弱實驗果然得到了預期的效果在光屏上產生了明暗相間的干涉條紋這就証明了光的確是一種波。,一光的本性,10/8/2024,5,波長和頻率,在雙縫干涉現象里明條紋和暗條紋之間的距離總是相等的。在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離都不變的條件下用不同顏色的光做實驗條紋間的間隔是不同的。紅光的條紋間隔最大紫光的條紋間隔最小。定量的研究告訴我們光波的波長越長干涉條紋之間的距離越大條紋的間距跟光波的波長成正比。所以不同色光的波長也不同紅光的波長最長紫光的波長最短。,如果我們換用白光來做雙縫干涉實驗在屏上就會出現不同顏色的彩色條紋這是因為白光是由不同顏色的單色光復合而成的而不同色光的波長不同產生的明暗條紋間距也不同所以在屏上出現了彩色條紋。,我們知道波長與頻率的乘積等于波速這個關系對于一切波都是適用的不同色光在真空中的傳播速度相同而波長不同因而它們的頻率也不同波長越長頻率越小波長越短頻率越大。,4.光譜和光諳分析,我們知道白光的色散可以形成不同顏色的單色光組成的光譜。其實各種光源發出的光都不是單色光因此都能產生自己的光譜。光譜可以用分光鏡進行觀察。,一光的本性,10/8/2024,6,發射光譜和吸收光譜,由發光物體直接產生的光譜叫做發射光譜。如果發光的是熾熱的固體或液體產生的光譜是由連續分布的一切波長的光組成的這種光譜叫做連續光譜。但是如果發光的是稀薄氣體或者是加有揮發性鹽的火焰光譜就有完全不同的特征它們是由一些不同顏色的不連續的亮線組成的。這種光譜叫做明線光譜,觀察氣體的光譜可以使用光譜管。,各種元素都有一定的明線光譜元素不同明線光譜也不同所以明線光譜又叫,原子光譜,。每種元素的原子只能發出某些具有特定波長的光譜線這些譜線叫做那種元素的,特征譜線,。,白光通過每一種氣體時光譜中都會產生一組暗線每條暗線的波長都跟那種氣體原子的一條特征譜線相對應這就表明每種氣體都 能從通過它的白光中吸收跟它的特征譜線波長相同的那些光使白光的連續光譜中出現暗線因此我們把連續光諳中某些波長的光被物質吸收后產生的光譜叫做,吸收光譜。,通常在吸收光譜中看到的特征譜線紕明線光譜中的要少一些,。,一光的本性,10/8/2024,7,光譜分析,由于每種元素都有自己的特征譜線因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成。這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時可以利用發射光譜也可以利用吸收光譜。這種方法的優點是非常靈敏而且迅速,5.紅外線 紫外線 X射線,紅外線,光譜中不同色光的波長約在0.40.7微米之間這是一個狹窄的范圍。在這個范圍之外是否還有光波存在呢1800年英國天文學家赫謝耳發現太陽光譜并不限于從紅到紫的可見部分。他用靈敏溫度計研究光譜里各種色光的熱作用時把溫度計移到光譜的紅光區域外側它的溫度上升得更高說明那里有看不見的射線照射到溫度計上。這種射線后來就叫做紅外張紅外線最顯著的作用是熱作用。所以可以利用紅外線來加熱物體。紅外線的波長比紅光還長因此衍射現象比較顯著容易透過云霧煙塵所以利用對紅外線敏感的底片可以進行遠距離攝影和高空攝影這種攝影還不受白天和夜晚的限制。由于一切物體都在不停地輻射紅外線并且不同物體輻射的紅外線的波長和強度不同利用靈敏的紅外線探測器吸收物體發出的紅外線然后用電子儀器對接收到的信號進行處理就可以察知被探測物體的特征。這種技朮叫做紅外線遙感。,一光的本性,10/8/2024,8,利用紅外線遙感技朮可以在飛機或衛星上勘測地熱。尋找水源監測森林火情。預報台風寒潮等。,紫外線,1801年德國物理學家里特又發現了紫外線。紫外線的波長比紫光還短。一切高溫的物體如太陽弧光燈發出的光都含有紫外線。紫外線的主要作用是化學作用。如果在光譜的紫外區域放一張照相底片底片就會感光。紫外線照相能辨認出細微的差別。例如可以清晰分辨出留在紙上的指紋。紫外線還有很強的熒光效應能使許多物質發出熒光日光燈和農業上誘殺害虫用的黑光燈都是用紫外線來激發熒光物質發光的。紫外線還有殺菌清毒作用。醫院里常紫外線來消毒病房和手朮室。紫外線還能促進生理作用和治療皮膚病軟骨病等。經常在礦井下勞動的工人適當地照射紫外線能促進身體健康但過強的紫外線能傷害人的眼睛和皮膚電焊的弧光中有強烈的紫外線因此電焊工在工作時必須穿好工作服并戴上防護面罩。,X射線,1895年德國物理學家倫琴發現在高真空氣體放電管中被電子射線擊中的管壁發出了一種 看不同的射線它能夠穿透黑紙板罩使涂有鉑氰酸鋇的紙屑發出熒光。當時倫琴弄不清這種射線的本質給它起了一個略帶神秘色彩的名稱-X射線人們也把它叫做倫琴射線。這種射線對于許多不透明的物質具有很強的穿透能力。高速電子流射到任何固體上都會產生這種射線。,一光的本性,10/8/2024,9,6.光的電磁說 電磁波譜,光的電磁說,到十九世紀中期光的波動說已經得到公認。但是光波的本質問題仍然沒有解決。人們總是習慣于照機械波模型把光波看成是在某種彈性媒質里傳播的振動。到了十九世紀六十年代英國物理學家麥克斯韋提出了電磁波的理論認為變化的電場和變化的磁場聯系在一起形成的統一的電磁場能以波的形式從它產生的地方向四周傳播并且從理論上得出了電磁波的傳播速度跟實驗測得的光速相同。在這個基礎上麥克斯韋提出光是一種電磁波。這就是光的電磁說。,1888年赫茲用實驗証實了電磁波的存在并且証明了電磁波也跟光波一樣具有反射折射干涉衍射等性質。他還通過干涉實驗測出了一定頻率的電磁波的波速 等于光速的預言符合的相當好。這說証明了麥克斯韋的光的電磁理論是正確的。,電磁波譜,根據光的電磁理論紅外線可見光紫外線X射線本質上都 是電磁波不過它們的波長是不同的。這些不同波長的電磁波跟以前學過的無線電波一起構成了范圍相當廣的電磁波譜。不同的電磁波產生的機理不同。無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運動產生的紅外線可見光紫外線是原子的外層電子受到激發后產生的X射線是原子的內層電子受到激發后產生的射線是原子核受到激發后產生的但是波譜中相鄰區段的波長并沒有截然的界線。,一光的本性,10/8/2024,10,7.光電效應,光的電磁說使光的波動理論發展到相當完美的的地步取得了巨大的成就。但是這個學說并不能完美地解釋所有的光現象還在赫茲用實驗証實光的電磁 說的時候就已經發現了后來叫做光電效應的現象這個現象使光的電磁說遇到了無法克服的困難。,光電效應,把一塊擦得很亮的鋅板連接在靈敏驗電器上用弧光燈照射鋅板驗電器的指針就張開了一個角度表示鋅板帶了電進一步檢查知道鋅板帶的是正電。這說明在弧光燈的照射下鋅板中有一部分自由電子從表面飛了出去鋅板中缺少了電子于是帶正電。,在光（包括不可見光）的照射下從物體中逸出電子的現象叫做光電效應逸出的電子叫,光電,子,進一步的實驗研究表明任何一種金屬都能產生光電效應但是對于每一種金屬都存在著一個極限頻率入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產生光電效應低于這個頻率的光無論強度多大都不能產生光電效應上述現象無法用光的波動理論來解釋。,金屬中的自由電子由于受到帶正電的原子核的吸引必須從外部獲得足夠的能量才能從金屬中逸出例如在電子管中必須給燈絲加熱才能發射電子。在光電效應中這種能量要由入射光來提供。,一光的本性,10/8/2024,11,按照波動理論光的能量是由光的強度決定的而光的強度又是由光波的振幅決定的跟頻率無關。因此無論光的頻率如何只要光的強度足夠大或照射時間足夠長都能使電子獲得足夠的能量產生光電效應。然而這跟存在著極限頻率這一實驗事實是直接矛盾的產生光電效應的時間之短也跟波動理論尖銳矛盾。入射光照到金屬上時光電子的發射几乎是瞬時的一般不超過10,-9,秒。按照波動理論一束光波照射到物體上時它的能量將分布到大量的原子上怎么可能在極短的時間里把足夠的能量集中到一個電子上面使它從物體中飛出來呢,光子說,為了解釋光電效應愛因斯坦于1905年提出