高二物理3-4知識梳理(3)
高二物理3-4知識梳理
第十三章 光
一、光的折射定律;折射率
光的折射定律，也叫斯涅耳定律：入射角的正弦跟折射角的正弦成正比.如果用n12來表示這個比例常數(shù)，就有
折射率：光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，雖然入射角的正弦跟折射角的正弦之比為一常數(shù)n，但是對不同的介質(zhì)來說，這個常數(shù)n是不同的.這個常數(shù)n跟介質(zhì)有關(guān)系，是一個反映介質(zhì)的光學性質(zhì)的物理量，我們把它叫做介質(zhì)的折射率。
定義式：
光從真空射入某種介質(zhì)時的折射率，叫做該種介質(zhì)的絕對折射率，也簡稱為某種介質(zhì)的折射率。
二、測定玻璃的折射率(實驗、探究)
實驗原理：如圖所示，入射光線AO由空氣射入玻璃磚，經(jīng)OO1后由O1B方向射出。作出法線NN1，則折射率n=sinα/sinγ。
注意事項：手拿玻璃磚時，不準觸摸光潔的光學面，只能接觸毛面或棱，嚴禁把玻璃磚當尺畫玻璃磚的界面;
實驗過程中，玻璃磚與白紙的相對位置不能改變;大頭針應(yīng)垂直地插在白紙上，且玻璃磚每一側(cè)的兩個大頭針距離應(yīng)大一些，以減小確定光路方向造成的誤差;入射角應(yīng)適當大一些，以減少測量角度的誤差。
三、光的全反射;光導纖維
全反射現(xiàn)象：當光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時,折射角大于入射角。當入射角增大到某一角度時,折射角等于90°，此時，折射光完全消失入射光全部反回原來的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做全反射。
臨界角：
①定義:光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時,折射角等于90°時的入射角，叫做臨界角
②臨界角的計算:
光導纖維：當光線射到光導纖維的端面上時，光線就折射進入光導纖維內(nèi)，經(jīng)內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生多次全反射后，從光導纖維的另一端面射出，而不從外套散逸,故光能損耗極小。
四、光的干涉、衍射和偏振
1、光的干涉
(1)產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件：只有兩列光波的頻率相同，位相差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個普通獨立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
(2)條紋寬度(或條紋間距) 相鄰兩條亮(暗)條紋的間距Δx為：
上式說明，兩縫間距離越小、縫到屏的距離越大，光波的波長越大，條紋的寬度就越大。當實驗裝置一定，紅光的條紋間距最大，紫光的條紋間距最小。這表明不同色光的波長不同，紅光最長，紫光最短。
幾個問題：
?、僭陔p縫干涉實驗中，如果用紅色濾光片遮住一個狹縫S1，再用綠濾光片遮住另一個狹縫S2，當用白光入射時，屏上是否會產(chǎn)生雙縫干涉圖樣?
這時在屏上將會出現(xiàn)紅光單縫衍射光矢量和綠光單縫衍射光矢量振動的疊加。由于紅光和綠光的頻率不同，因此它們在屏上疊加時不能產(chǎn)生干涉，此時屏上將出現(xiàn)混合色二單縫衍射圖樣。
?、谠陔p縫干涉實驗中，如果遮閉其中一條縫，則在屏上出現(xiàn)的條紋有何變化?原來亮的地方會不會變暗?
如果遮住雙縫其中的一條縫，在屏上將由雙縫干涉條紋演變?yōu)閱慰p衍射條紋，與干涉條紋相比，這時單縫衍射條紋亮度要減弱，而且明紋的寬度要增大，但由于干涉是受衍射調(diào)制的，所以原來亮的地方不會變暗。
?、垭p縫干涉的亮條紋或暗條紋是兩列光波在光屏處疊加后加強或抵消而產(chǎn)生的，這是否違反了能量守恒定律?
暗條紋處的光能量幾乎是零，表明兩列光波疊加，彼此相互抵消，這是按照光的傳播規(guī)律，暗條紋處是沒有光能量傳到該處的原因，不是光能量損耗了或轉(zhuǎn)變成了其它形式的能量。同樣，亮條紋處的光能量比較強，光能量增加，也不是光的干涉可以產(chǎn)生能量，而是按照波的傳播規(guī)律到達該處的光能量比較集中。雙縫干涉實驗不違反能量守恒定律。
(3)薄膜干涉及其應(yīng)用
(1)原理
?、俑缮娣z查精密部件的表面
取一個透明的標準樣板，放在待檢查的部件表面并在一端墊一薄片，使樣板的平面與被檢查的平面間形成一個楔形空氣膜，用單色光從上面照射，入射光從空氣層的上下表面反射出兩列光形成相干光，從反射光中就會看到干涉條紋，如圖2-3甲所示。
如果被檢表面是平的，那么空氣層厚度相同的各點就位于一條直線上，產(chǎn)生的干涉條紋就是平行的(如圖2-3乙);
如果觀察到的干涉條紋如圖2-3丙所示，A、B處的凹凸情況可以這樣分析：由丙圖知，P、Q兩點位于同一條亮紋上，故甲圖中與P、Q對應(yīng)的位置空氣層厚度相同。由于Q位于P的右方(即遠離楔尖)，如果被檢表面是平的，Q處厚度應(yīng)該比P處大，所以，只有當A處凹陷時才能使P與Q處深度相同。同理可以判斷與M對應(yīng)的B處為凸起。
?、谠鐾改?/p>
是在透鏡、棱鏡等光學元件表面涂的一層氟化鎂薄膜。當薄膜的兩個表面上反射光的路程差等于半個波長時，反射回來的光抵消。從而增強了透射光的強度。顯然增透膜的厚度應(yīng)該等于光在該介質(zhì)中波長的1/4。
由能量守恒可知，入射光總強度=反射光總強度+透射光總強度。光的強度由光的振幅決定。
當滿足增透膜厚度時，兩束反射光恰好實現(xiàn)波峰與波谷相疊加，實現(xiàn)干涉相消，使其合振幅接近于零，即反射光的總強度接近于零，從總效果上看，相當于光幾乎不發(fā)生反射而透過薄膜，因而大大減少了光的反射損失，增強了透射光的強度。
增透膜只對人眼或感光膠片上最敏感的綠光起增透作用。當白光照到(垂直)增透膜上，綠光產(chǎn)生相消干涉，反射光中綠光的強度幾乎是零。這時其他波長的光(如紅光和紫光)并沒有被完全抵消。因此，增透膜呈綠光的互補色——淡紫色。
光的衍射
?、努F(xiàn)象：
①單縫衍射
a.單色光入射單縫時，出現(xiàn)明暗相同不等距條紋，中間亮條紋較寬，較亮兩邊亮條紋較窄、較暗;
b.白光入射單縫時，出現(xiàn)彩色條紋。
②圓孔衍射：光入射微小的圓孔時，出現(xiàn)明暗相間不等距的圓形條紋
③泊松亮斑:光入射圓屏時，在園屏后的影區(qū)內(nèi)有一亮斑
?、乒獍l(fā)生衍射的條件:障礙物或孔的尺寸與光波波長相差不多，甚至此光波波長還小時，出現(xiàn)明顯的衍射現(xiàn)象
光的偏振
自然光：從普通光源直接發(fā)生的天然光是無數(shù)偏振光的無規(guī)則集合，所以直接觀察時不能發(fā)現(xiàn)光強偏于一定方向。這種沿著各個方向振動的光波的強度都相同的光叫自然光;
太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向的平面內(nèi)沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波強度都相同，這種光都是自然光。
自然光通過第一個偏振片P1(叫起偏器)后，相當于被一個“狹縫”卡了一下，只有振動方向跟“狹縫”方向平行的光波才能通過。
自然光通過偏振片Pl后雖然變成了偏振光，但由于自然光中沿各個方向振動的光波強度都相同，所以不論晶片轉(zhuǎn)到什么方向，都會有相同強度的光透射過來。再通過第二個偏振片P2(叫檢偏器)去觀察就不同了;不論旋轉(zhuǎn)哪個偏振片，兩偏振片透振方向平行時，透射光最強，兩偏振片的透振方向垂直時，透射光最弱。
光的偏振現(xiàn)象在技術(shù)中有很多應(yīng)用.例如拍攝水下的景物或展覽櫥窗中的陳列品的照片時，由于水面或玻璃會反射出很強的反射光，使得水面下的景物和櫥窗中的陳列品看不清楚，攝出的照片也不清楚。
如果在照相機鏡頭上加一個偏振片，使偏振片的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以把這些反射光濾掉，而攝得清晰的照片;此外，還有立體電影、消除車燈眩光等等。
五、激光的特性及應(yīng)用
激光，是“受激輻射光放大”的簡稱，它是用人工的方法產(chǎn)生的一種特殊的光.激光是20世紀的一項重要發(fā)明，由于它有著普通光無法比擬的一些特性，已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用.產(chǎn)生激光的裝置稱為激光器，它主要由三部分組成，即工作物質(zhì)、抽運系統(tǒng)和光學諧振腔。
激光的特性：
?、倨叫卸确浅：?激光束的光線平行度極好，從地面上發(fā)射的一束極細的激光束，到達月球表面時，也只發(fā)散成直徑lm多的光斑，因此激光在地面上傳播時，可以看成是不發(fā)散的。
②高度的相干性.激光器發(fā)射的激光，都集中在一個極窄的頻率范圍內(nèi)，由于光的顏色是由頻率決定的，因此激光器是最理想的單色光源.由于激光束的高度平行性及極強的單色性，因此激光是最好的相干光，用激光器作光源觀察光的干涉和衍射現(xiàn)象，都能取得較好的效果。
?、哿炼雀?所謂亮度，是指垂直于光線平面內(nèi)單位面積上的發(fā)光功率，自然光源亮度最高的是太陽，而目前的高功率激光器，亮度可達太陽的1萬倍。
第十四章 電磁波
電磁波及其應(yīng)用、電磁波譜
(一)麥克斯韋電磁場理論
1、電磁場理論的核心之一：變化的磁場產(chǎn)生電場
在變化的磁場中所產(chǎn)生的電場的電場線是閉合的(渦旋電場)
理解：
?、倬鶆蜃兓拇艌霎a(chǎn)生穩(wěn)定電場;
②非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化電場。
2、電磁場理論的核心之二：變化的電場產(chǎn)生磁場
麥克斯韋假設(shè):變化的電場就像導線中的電流一樣,會在空間產(chǎn)生磁場,即變化的電場產(chǎn)生磁場
理解：
?、倬鶆蜃兓碾妶霎a(chǎn)生穩(wěn)定磁場;
?、诜蔷鶆蜃兓碾妶霎a(chǎn)生變化磁場。
(二)電磁波
1、電磁場：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場,那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場;這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場,變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的,形成不可分割的統(tǒng)一體,這就是電磁場。
這個過程可以用下圖表達：
2、電磁波：電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波。
3、電磁波的特點：
(1)電磁波是橫波,電場強度E 和磁感應(yīng)強度 B按正弦規(guī)律變化,二者相互垂直,均與波的傳播方向垂。
(2)電磁波可以在真空中傳播,速度和光速相同。
(3)電磁波具有波的特性。
(三)赫茲的電火花
赫茲觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象，他還測量出電磁波和光有相同的速度.這樣赫茲證實了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波。
電磁波(譜)及其應(yīng)用：
?、披溈怂鬼f計算出電磁波傳播速度與光速相同，說明光具有電磁本質(zhì)，提出光就是一種電磁波。
⑵電磁波譜：
電磁波譜 | 無線電波 | 紅外線 | 可見光 | 紫外線 | X射線 | γ射線 |
產(chǎn)生機理 | 在振蕩電路中，自由電子作周期性運動產(chǎn)生 | 原子的外層電子受到激發(fā)產(chǎn)生的 | 原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的 | 原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的 | ||
?、请姶挪ǖ膽?yīng)用：
1、電視：電視信號是電視臺先把影像信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢园l(fā)射的電信號 ，發(fā)射出去后被接收的電信號通過還原，被還原為光的圖象重現(xiàn)熒光屏。電子束把一幅圖象按照各點的明暗情況，逐點變?yōu)閺娙醪煌男盘栯娏?，通過天線把帶有圖象信號的電磁波發(fā)射出去。
2、雷達工作原理：利用發(fā)射與接收之間的時間差，計算出物體的距離。
3、手機：在待機狀態(tài)下，手機不斷的發(fā)射電磁波，與周圍環(huán)境交換信息。手機在建立連接的過程中發(fā)射的電磁波特別強。
電磁波與機械波的比較：
共同點：都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象;它們波動的頻率都取決于波源的頻率;在不同介質(zhì)中傳播，頻率都不變。
不同點：機械波的傳播一定需要介質(zhì)，其波速與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，與波的頻率無關(guān)。而電磁波本身就是一種物質(zhì)，它可以在真空中傳播，也可以在介質(zhì)中傳播.電磁波在真空中傳播的速度均為，在介質(zhì)中傳播時，波速和波長不僅與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，還與頻率有關(guān)。
不同電磁波產(chǎn)生的機理：
無線電波是振蕩電路中自由電子作周期性的運動產(chǎn)生的;
紅外線、可見光、紫外線是原子外層電子受激發(fā)產(chǎn)生的;
倫琴射線是原子內(nèi)層電子受激發(fā)產(chǎn)生的;
γ射線是原子核受激發(fā)產(chǎn)生的。
頻率(波長)不同的電磁波表現(xiàn)出作用不同：
紅外線主要作用是熱作用，可以利用紅外線來加熱物體和進行紅外線遙感;
紫外線主要作用是化學作用，可用來殺菌和消毒;
倫琴射線有較強的穿透本領(lǐng)，利用其穿透本領(lǐng)與物質(zhì)的密度有關(guān)，進行對人體的透視和檢查部件的缺陷;
γ射線的穿透本領(lǐng)更大，在工業(yè)和醫(yī)學等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如探傷，測厚或用γ刀進行手術(shù)。
第十五章 相對論簡介
一、狹義相對論的基本假設(shè);狹義相對論時空觀與經(jīng)典時空觀的區(qū)別
愛因斯坦狹義相對性原理的兩個基本假設(shè)：
?、弄M義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理定律都是相同的。
⑵光速不變原理：在不同的慣性參考系中，真空中的光速都是相同的。即光速與光源、觀測者間的相對運動沒有關(guān)系。
相對論的時空觀：
經(jīng)典物理學的時空觀(牛頓物理學的絕對時空觀)：時間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對的，空間與時間之間沒有任何聯(lián)系。
相對論的時空觀(愛因斯坦相對論的相對時空觀)：空間和時間都與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。
相對論的時空觀更具有普遍性，但是經(jīng)典物理學作為相對論的特例，在宏觀低速運動時仍將發(fā)揮作用。
二、同時的相對性、長度的相對性、質(zhì)能關(guān)系
時間和空間的相對性(時長尺短)
1.同時的相對性：指兩個事件，在一個慣性系中觀察是同時的，但在另外一個慣性系中觀察卻不再是同時的。
2.長度的相對性：指相對于觀察者運動的物體，在其運動方向的長度，總是小于物體靜止時的長度。而在垂直于運動方向上，其長度保持不變。
長度收縮公式：
3.時間間隔的相對性：指某兩個事件在不同的慣性系中觀察，它們發(fā)生的時間間隔是不同的。
公式表示：
4.質(zhì)能方程
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