高中物理光学知识点的总结, 编号是74949。光学是物理学里面一个既有很长的历史, 同时又有活力的一个分支。它研究的是光是怎么产生的, 它是怎么传播的, 它的本性是什么, 还有光和物质之间是怎么产生相互作用的。
在高中物理里头, 光学的知识内容主要被分成了两个大的部分, 一个是几何光学, 还有一个是物理光学。其中, 几何光学侧重于去探讨光的传播所遵循的规律。而物理光学则是更深入地去讨论和探究光的波粒二象性这个本质问题。。
接下来, 要对高中这一教育阶段在光学领域里面的那些最核心的学习要点做一个非常全面的、从头到尾的仔细整理和分析, 这个做法的主要目的是为了有助于广大学生学习者们能够去建立一套非常清楚地、逻辑很清晰的知识框架体系, 同时也能让大家对于光的各种奇异现象的理解程度变得更加深刻一些, 并且在实际运用这些知识的本领上面有进一步的提高和加强。
第一部分是几何光学方面的内容, 这部分主要讲的是光是怎么进行传播的, 还有就是物体是怎么通过光学元件形成影像的大道理。
所谓的几何光学, 它是完全建立在光走直线这个大基础之上的, 靠着画画图这种纯几何形状的操作手段, 专门用来研究光线穿过那些透明的材料的里面会发生什么规律的走向情况, 还有最后是怎么成像出来的这些具体事情。
（一）光是会按照一定的规律去传播的, 当光处在同一类且分布均匀的介质里的时间, 光是走直线的, 也就是沿直线传播的。这个特点是非常基础的一个东西, 它就是因为有了这个东西, 所以才会出现影子这种现象, 还会出现日食和月食这种自然现象, 同时它还是小孔成像这种很经典的实验背后的理论根据。
在真空环境里面, 光的传播速度是一个很重要的物理学上认定的常数, 但是在其他不同的介质当中, 因为会和介质产生一些相互作用力, 于是光速就会变小, 变小的这个过程呢, 就给后面要引进折射率这个概念留下了一个很好的前提或者是伏笔。
（二）现在的人都能直接看懂的普通话书面语是, 当光线从一种物质走到另一种物质的边界面的时候, 有一部分的亮光会跑回到它原来的那个物质里面去, 这个状况被叫做亮光反射的事儿。
反射的规则讲的是清楚明白, 射出的那道光照线的方向, 还有打过去的那道光线的方向, 以及垂直于表面那条线的位置, 这三个东西是在同一个平面里面的, 并且射出的光和打进去的光是分别在中间那条垂线的两边存在的, 同时射出角和打进去的角度是一样大的。
需要格外留神的一点呢, 是在反光这事儿里头, 光走的路是可以反过来走的。靠着这么一条基本的规则, 大家就能把平板镜子成图像的那些老规矩给仔细研究个透明白了。平面镜里出现的那个影像, 它是正着的, 而且是个虚像。这个影像跟物体本身一样大。影像到镜面的那个远近程度, 跟物体到镜面的远近是完全一样的。
如果把这物体和它的影像连起来画条线, 这条线一定是垂直于镜面的。想要彻底搞清楚平面镜成像是怎么回事, 关键就在于得弄明白虚像是咋形成的, 也就是说, 那些反射出去的光线, 顺着它们的反方向往回延长, 最后交到了一个点上。
（三）光的折射定律以及折射率当光线不是垂直地、而是斜着从一种物质进入另一种物质的时候, 它走路的路线就变了, 这种现象就被叫做光的折射。
<1>折射定律能够进行阐述, 它指的是折射光线以及入射光线和法线是处在同一平面以内, 还有折射光线与入射光线分别位于法线的两边, 同时入射角的正弦值乘以折射角的正弦值的比值是一个常数, 具体的公式为n₁sinθ₁=n₂sinθ₂, 其中的n₁和n₂分别是两种介质的折射率, 而θ₁和θ₂则是入射角与折射角。
<2>。
折射率这个数值, 它是用来描述介质在光学方面性质的一个重要物理量, 某种介质的折射率是用符号n来表示的, 它被定义为光在真空里面的速度c去跟光在该介质里面的速度v进行相比, 这也就是说, n等于c除以v, 折射率这个东西, 它反应出了介质对于光的偏折能力到底有多强, 它的大小是和介质本身的性质有关, 同时也和光的频率有关系, 如果是在空气里面进行的测量, 折射率的结果是近似于1的, 因此在通常情况下, 是可以把它作为真空来进行处理的。
（四）全反射是折射现象当中的一个特殊的类属。在光从光密介质向光疏介质进行光线投射的时候, 光密介质的折射率是大数值的那个, 而光疏介质的折射率则是小数值的那个。随着入射角度的逐步变大, 折射角也会跟着一步一步地变大。
在这个时候, 折射光线的力量会慢慢变得衰弱, 与此同时, 反射光线的力量又会慢慢变得增强。等到入射角变到了某一个确定的大小的时候, 能让折射角正好到达九十度这个位置, 就在这样的情形下, 折射光线会被彻底消失掉, 剩下的就只有反射光线了, 把这种情况称作全反射。
这个时候, 入射角有一个特别的名字, 我们管它叫临界角, 就用符号`C`来表示高中物理单色光的比较高中物理单色光的比较，这个角度需要满足一个条件, 具体来说就是`C`的正弦值要等于`n₂`除以`n₁`, 这里头还有一个重要前提, 也就是`n₁`必须大于`n₂`。
全反射这种现象在现实生活当中有着非常广泛的用途, 比如说光导纤维这个东西, 它就利用了全反射原理, 让光信号在光纤内部的核心部分和外部包裹层之间的界面上反复发生全反射, 从而把信息传播出去, 正是因为有了这种技术, 现代通信才能够实现既快速又能够承载大量数据的传输。
另外, 全反射棱镜也被普遍用在各种光学仪器里, 它们的主要作用是什么, 就是用来改变光束前进的方向。
（五）透镜, 它是几何光学当中一个很重要的成像元件, 它具体被分为了凸透镜, 也就是所谓的会聚透镜, 和凹透镜, 也就是所谓的发散透镜这两种类型, 其中凸透镜是具有一种让光线进行会聚的作用的, 而凹透镜则是具有一种让光线进行发散的作用的, 至于说透镜的成像规律方面, 这更是属于几何光学领域里面重点的部分同时也是难点部分。
对于薄透镜这一存在, 我们往往借助三条具有特殊性质的光线来实施绘图操作, 以此来确定像的具体位置以及其相关性质, 第一条光线是平行于主光轴的光线, 该光线在经过透镜发生折射行为以后, 会通过焦点或者其反向延长线通过焦点, 第二条光线是通过光心或者其反向延长线通过光心的光线, 这条光线在传播过程中方向保持不发生改变, 第三条光线是通过焦点或者其反向延长线通过焦点的光线, 此条光线经过透镜的折射之后会变得平行于主光轴。
凸透镜成像的规律, 咱们可以这么去总结一下, 就是当物距大于二倍焦距的时候, 它成的是一个倒立的、缩小的实像, 而当物距等于二倍焦距的时候, 它成的是一个倒立的、等大的实像, 要是物距介于一倍焦距与二倍焦距之间的话, 它成的是一个倒立的、放大的实像, 要是物距正好等于一倍焦距, 那是不成像的, 最后如果物距小于一倍焦距, 它成的是一个正立的、放大的虚像, 至于凹透镜, 它始终成的都是一个正立的、缩小的虚像。
弄明白实像和虚像到底有啥区别, 那是非常重要的一件大事。因为搞清楚这一点, 对于你要去判断一个像是属于哪种性质来说, 简直是起到了至关重要的决定性作用。至于怎么个区别法?
我们可以这么讲, 实像这个东西, 它是实际的光线汇聚在一起后才形成的, 这种像, 是可以实实在在呈现到光屏上面的；而虚像则完全是另一回事了, 它是怎么回事? 它是反射光线或者折射光线往回倒着延伸的那条延长线碰头相交所形成的, 这样出来的像, 它是根本没法呈现到光屏上的。
还有, 透镜成像的那个公式`1/f=1/u+1/v`, 再加上跟它绑在一块儿的那个放大率公式`m=|v|/u`, 这两个东西也是大家解决那些需要动脑子算数、搞定量计算的问题时, 手上离不开的重要家伙什儿。
不过在拿去用的时候, 你脑子里可得绷紧了, 务必得注意各个物理量在代入计算时的符号规则是咋规定的。二、在物理光学领域, 人们对光的基本性质进行了深入探索。大家不再把光仅仅看作是沿着直线传播的那一种“光线”了, 而是要深入去研究它的波动性质以及粒子性质, 从而揭示出光的波粒二象性这一本质特点。
（一）关于光的干涉现象, 光的干涉属于波特性中所特有的现象之一, 它有力地证明了光是具有波动性的。
两列具备相同的频率、拥有相同的振动方向, 并且保持恒定的相位差的光线被我们叫做相干光, 当这些光线处在空间里相互相遇的时候, 会出现一个特定的状态, 在这个状态下, 某些区域的光线强度会一直保持着加强的样子, 同时另一些区域的光线强度却始终维持着减弱的局面, 这种稳定存在的分布情况有一个专门的名字, 大家把它称作光的干涉现象, 关于这个现象有一个特别经典的例子, 那就是杨氏双缝干涉实验, 具体的过程是这样的, 让一束只包含单一颜色的单色光穿过两个狭窄的缝隙之后, 在它们对面的位置放置一块用来接收光线的光屏, 你会在那块光屏上看到由明亮部分和黑暗部分交替排列组成的条纹, 并且这些条纹之间的距离都是相等一样的。
在相邻的亮条纹, 或者暗条纹的中心位置之间, 它们彼此之间的距离会被标记为`Δx`, 这个数值与光的波长也就是`λ`、还有双缝之间的距离即`d`, 以及从双缝到达光屏的距离`L`这三个因素有着紧密的关系, 具体的计算公式就是`Δx=Lλ/d`。
当使用白光来进行双缝干涉的时候, 屏幕上就会出现彩色的条纹样式, 位于最中央的那一条亮纹依然是白色的。薄膜干涉也是人们在日常生活中经常能碰到的干涉情形, 比如肥皂膜上, 或者是水面上漂浮的油膜里，那些五彩斑斓的色彩都是来源于薄膜的前后两个表面所反射出来的两列光波互相发生了干涉的结果。
（二）在光进行传播的这一过程之中若是碰到了障碍物, 或者是遇到了那个小孔的情况出现时, 那么它就会出现一个现象, 就是它会离开原本的直线传播路径, 并且绕着那个障碍物的边缘最终到达原本应该是阴影覆盖的区域的位置里面去, 对于这种现象我们就专门给它下了定义, 称它为光的衍射情况。
而这种衍射现象的发生, 从另外一个层面进一步证实了光是具有波动性的这一特征事实。要想发生明显的衍射现象需要满足一个特定的条件要求, 这个要求是指那作为障碍物的物体, 或者说是孔径的大小尺寸必须处在与光的波长大小相当的级别范围以内, 或者是要比这个光的波长数值还要更小的程度才行。
单缝衍射属于最基本的那些衍射现象之一。当单色光穿过单缝之后, 它会在光屏上生出衍射条纹, 这些条纹和双缝干涉条纹的模样不一样。它的中央位置有一条比较宽、也比较亮的亮条纹。在这条中央条纹的两侧, 分布着明暗相间的情况。那些条纹的宽度在逐渐变窄, 同时亮度也在逐渐减弱。
至于圆孔衍射, 它会形成明暗相间的同心圆环, 呈现出这种特定的图像效果。关于光的衍射, 有一个非常有名的例子叫作泊松亮斑。当光照射到不透光的小圆板上时, 在圆板的阴影中心会出现一个亮斑。另外要提到的是（三）光的偏振现象。这个现象能够表明光是横波。所谓的横波, 它的振动方向是垂直于波的传播方向的。
与此对比, 纵波的振动方向则是平行于波的传播方向。因为只有横波才满足条件, 所以只有横波才能够发生偏振现象。自然光（如太阳光、灯光）, 它包含在垂直于传播方向上, 沿一切可能方向振动的光, 而且各个方向振动的光强相等。
通过偏振片（由特定材料制成, 只允许某一方向振动的光通过, 这个方向称为偏振化方向）后的光, 只沿着一个特定的方向振动, 这种光叫做偏振光。
关于光这种偏振现象, 它在我们日常生活以及科技领域里面, 都有好多种用处, 比如说当你想要去拍摄那个在水面下面, 或者是玻璃橱窗里面的物体的时候, 你要是利用了偏振片的话贝语网校，就可以把水面, 或者是玻璃表面反射来的光给消除掉, 这样一来呢, 图像看起来就会变得更加清晰, 再一个例子就是3D电影了, 3D电影也是利用了光的偏振原理来做的, 通过这种方式, 可以让观众的左眼和右眼看到不同的画面, 从而就产生了那种立体的视觉效果。
（四）光电效应这种现像被被发现之后, 就揭示了一个事实, 也就是说光这个事物体, 它不仅仅只有波动性的这个特点, 同时还具备粒子性的这个性质, 当光去照射在金属的表面上的时候, 处于金属内部的那些电子, 就会把光所带有的能量给吸收进去, 然后这些电子就会从金属的表面上逃逸出去, 对于这样的一种现象科学界把它称呼为光电效应。
光电效应存在一些老派波动理论没法说清楚的状况, 具体表现如下, 第一是存在着截止频率这回事儿, 也就是说到每种金属都有个极限频率在起作用, 只有让进去的那束光的频率大于或者等于这个极限频率的时候, 才会发生光电效应, 第二呢是光电子的最大初动能和打进来的光的强度没有关系, 它只是跟着打进来的光的频率一起变大而变大, 第三点是说光电效应这一现象的出现简直是快得几乎是马上就能发生的, 最后一点是当着打进来的光的频率跨过了那个极限频率之后, 那么所产生的光电流的强度就会和打进来的光的强度之间形成一种正比例的关系。
爱因斯坦提出了光子说, 成功解释了光电效应, 他认为, 光不是连续的波, 而是由一个个能量子组成的, 这些能量子后来被称为光子, 每个光子的能量与光的频率成正比, 其关系式为E=hν, 其中h是普朗克常量。
当光子照射到金属上面, 电子吸收一个光子的能量, 一部分去克服逸出功, 另一部分变成初动能, 就是那个公式, 爱因斯坦光电效应方程。
光这种物体, 它拥有两方面的性质, 一方面显示出波动的特性, 比如会出现干涉、衍射还有偏振这些现象, 另一方面也展现出粒子的特性, 例如在光电效应里、在康普顿效应里都能看到它的影子, 我们通常把这种兼具两种特征的状态叫做光的波粒二象性。
当光在空间中进行传播的时候, 那种波动性的表现会比较明显且突出；然而一旦光和物质发生了相互作用, 这时候粒子性的特点就会显得更为显著和重要。事实上, 光的波粒二象性属于微观世界里面各种物质所共有的基本属性之一。
三、把高中物理里的光学知识体系进行总结之后, 可以展望一下未来的方向, 这个体系是以几何光学和物理光学作为两大支柱来搭建的, 前面的几何光学主要是侧重于那些关于光的传播以及成像所遵循的宏观规律, 后面的物理光学则是深入到光到底是怎么样的一种本性里面去, 从而揭示了它那种微观本质上的波粒二象性。
我们从光的直线传播这一点出发开始讲起, 然后看到光的反射和折射现象, 再进一步了解到利用透镜来进行成像, 最后又涉及到干涉和衍射这些现象, 以及光电效应, 这样层层递进下来, 我们对光是怎么一回事的认识就变得越来越深了。
所有这些知识内容结合起来, 都不仅仅是为了让我们能够帮助理解自然界中各种各样的现象, 而且也能够用来解决在实际生活中所遇到的一些问题, 但是。