光的现象的剖析与归纳张益荣（湖北省麻城市第五中学 湖北 麻城 ）摘要：对光的各种现象做了全面详尽的阐述，分析了各种光现象遵从的原理，产生的原因，实际的应用，给出光的本质。关键词: 光的反射和折射 全反射 光的干涉 光的衍射 光的偏振 光的本质光给了我们明亮的世界，可是它自己却像一团迷。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。物理选修3-4（新课标人教版）第十三章对光进行了学习。为了使同学们对光的各种现象及光的本质进一步的认识和巩固，现将光的现象进行剖析，系统地进行归纳和总结。一、光的反射和折射1.反射和折射(1)概念：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）；另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫做光的折射(refraction)。(2)光的反射遵从反射定律(reflection law)：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两侧；反射角等于入射角。(3)光的折射遵从折射定律(refraction law)：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两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。即，为比例常数。(4)在光的反射和光的折射中光路都是可逆的。2.折射率(1)概念：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值之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率(refraction index),用符号表示。(2)光从第1种介质斜射入第2 种介质时满足，为介质的折射率，为光在该介质中光线与法线的夹角。(3)折射率关于速度的表达式1.即任何介质的折射率均大于1。空气近似看作真空。3.折射率的进一步理解(1)某种介质的折射率是指光从真空或空气进入该介质时入射角的正弦值与折射角的正弦值之比。如果不强调光进入的方式，则介质的折射率是指光在真空或空气中的角正弦值与光在介质中的角的正弦值之比。(2)折射率的大小反映了介质的光学性质和入射光的频率：折射率越大，说明介质对光的偏折作用越大，光线偏离原来传播方向的程度越厉害。介质对光的折射率越大，说明该光在介质中的传播速度越小。相对于同一介质，折射率越大的光，其频率越大。(3)各种色光相比较颜色红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 频率低高同一介质中折射率小大同一介质中速度大小波长大小临界角大小通过棱镜的偏折角小大4.全反射现象(1)概念：光传播到两种介质的界面上时，通常要同时发生反射和折射现象，若满足了某种条件，光线不再发生折射现象，而全部返回到原介质中传播的现象叫全反射现象（total reflection）。发生全反射时对应的入射角叫做临界角（critical angle）, 临界角满足。(2)发生全反射现象的条件光从光密介质进入光疏介质；入射角等于或大于临界角(3)全反射现象的理解与应用光密介质和光疏介质是相对而言的。同一种介质，相对于其他不同介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。如果光从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律；光路均是可逆的。当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但是在全反射现象中，只发生反射，不发生折射。当折射角等于90时，实际上就已经没有折射光线了。全反射可以从能量的角度去理解:当光由光密介质射向光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，这时就发生了全反射。应用：全反射棱镜，光导纤维，光纤通讯等。二、光的干涉1.定义：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且加强和减弱互相间隔的现象叫做光的干涉现象。2.两列光发生干涉的条件：频率相同、振动方向相同、相差保持恒定。3.双缝干涉(1)由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是相同的相干光波，屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹。(2)干涉条纹单色光为等间距明暗相间的条纹，明暗条纹的宽度也相同。相邻的明条纹（或暗条纹）之间的距离与波长、双缝间距及屏到双缝距离的关系为，同一实验装置光的频率越大，条纹间距越小。白光干涉图样为彩色，中央亮纹为白色。4.薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后表面反射的光相遇叠加形成的。(1)薄膜干涉现象的理解（以肥皂薄膜为例）竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，在膜的前后表面分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加。原理分析a.在两个表面反射回来的两列光波的路程差时，薄膜上出现明条纹。b. 两列反射回来的光波的路程差时，薄膜上出现暗条纹。同一条亮（或暗）条纹上所对应的膜的厚度相同。白光照射时膜上出现彩色条纹。(2)薄膜干涉的应用:检查样品的平整度。三、光的衍射1. 光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象。2.发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象。3.衍射图样(1)单缝衍射条纹特点：单色光发生单缝衍射时中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹；条纹宽度不等，中央最宽；各相邻条纹间距不等；中央条纹最亮，两边变暗；白光发生衍射时，中央仍为白光，最靠中央的时紫光，最远离中央的是红光。(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。(3)泊松亮斑:光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。4.干涉和衍射的本质：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成，与干涉条纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中，可认为从单缝通过两列或多列同频率的光波，他们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。四、光的偏振1.概念(1)自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。(2)偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动的光，叫偏振光。2. 光的偏振现象：光在垂直于传播方向上只沿某一特定方向振动的现象称为光的偏振.3.偏振光的产生方式：(1)自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用时把自然光变成偏振光，叫起偏器。第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器 (2)自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。4.光的偏振理论意义:光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波，光的偏振现象说明光是横波。5.应用：利用偏振滤光片摄影（照相机的镜头），电子表的液晶显示，观看立体电影，消除汽车灯炫光等。四、光的色散1.光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。2.光谱:含有多种颜色的光波分解后，各种色光按其波长的有序排列。3.棱镜(1)含义:截面是三角形的玻璃仪器，可以使光反生色散，白光的色散表明白光是由色光组成，各色光在同一介质中的折射率不同。(2)三棱镜对光线的作用:改变光的传播方向，是复合光发生色散。4.白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可以出现彩色条纹，但光学本质不同。五、光的本质这一章学习了光的反射和折射、干涉、衍射、偏振、色散等各种光的现象，后面我们还要学习光电效应，这些光的各种现象说明光的本质是电磁波，且光为横波，光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。参考文献：1.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4 第十三章 光2.黄冈课堂系列 高考经典(新课标) 物理第十二章 光学部分3.普通高中课程标准实验教科书 物理选修3-4教师教学用书