高中物理光學知識分析與拓展

王子明

【摘 要】高中物理對光學的闡述非常到位，但是不夠全面，只能說是給與學生們一個初步的認識。由于光學知識比較難，大多數地區只對光電效應進行了學習，對其他的知識不做要求，而且基礎知識是在初中學習的。本文對以往知識進行了簡要的總結分析，并進行了其他方面的知識講解，如偏振、衍射、干涉、應用等，希望能對學生們了解光學知識有一定的幫助。

【關鍵詞】光；光學；物理；高中

光源，是指能夠自行發光的物體。光具有能量，在介質中傳播就是能量的傳播。生活中的光源非常多，有最大的光源——太陽，還有各種人造光源如LED燈、白熾燈、激光、氣體放電光源等。因為光，地球上有了生命有了文明；因為光，我們的世界變得絢麗多彩。光學知識，是從初中就開始學習，到高中進一步的細化，但是仍然不夠全面，有必要進一步的拓展，豐富廣大高中生對光學的認識，了解光學知識的應用。

一、光學基本知識總結

（一）光的直線傳播

光的直線傳播是指光在同一種均勻透明的介質中沿直線傳播，這是光傳播的基本定理。各種頻率的光在真空中傳播速度C=3×108m/s；各種頻率的光在介質中的傳播速度均小于其在真空中的傳播速度，即v

（二）光與影的關系

影是自光源發出并與投影物體表面相切的光線在背光面的后方圍成的區域，即通常所說的投影。本影是發光面較小的光源在投影物體后形成的光線完全不能到達的區域。半影是指發光面較大的光源在投影物體后形成的只有部分光線照射的區域。天象日食和月食就是光與影的知識，人位于月球的本影內能看到日全食，位于月球的半影內能看到日偏食，位于月球本影的延伸區域（即“偽本影”）能看到日環食。當地球的本影部分或全部將月球反光面遮住，便分別能看到月偏食和月全食。

（三）小孔成像及視覺成像原理

用眼睛看物或像的本質是凸透鏡成像原理：角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體共同作用的結果相當于一只凸透鏡。發散光束或平行光束經這只凸透鏡作用后，在視網膜上會聚于一點，引起感光細胞的感覺，通過視神經傳給大腦，產生視覺。

（四）光的反射

光的反射現象：光從一種介質射到另一種介質的界面上再返回原介質的現象。反射定律：反射光線跟入射光線和法線在同一平面內，且反射光線和人射光線分居法線兩側，反射角等于入射角。光滑平面上的反射現象叫做鏡面反射，粗糙平面上的反射現象叫做漫反射。鏡面反射和漫反射都遵循反射定律。

（五）光路可逆原理及平面鏡成像

所有幾何光學中的光現象，光路都是可逆的。平面鏡只改變光束的傳播方向，不改變光束的聚散性質；成像特點是等大正立的虛像，物和像關于鏡面對稱；像與物方位關系為上下不顛倒，左右要交換。

二、光學知識拓展

了解光的折射現象，掌握光的折射定律，理解折射率的含義，理解全反射、臨界角的物理概念和內涵，了解光導纖維的工作原理和光纖在生產、生活中的應用，這些是目前需要學習和掌握的。此外還需要了解的是光的其他特性。比較難的是光的衍射和干涉現象、光源的輻射特性、光譜特性等，還有光與其他學科的交叉知識。

（一）光的干涉、衍射和光的色散現象

這三種現象都可出現彩色條紋，但光學本質不同。區分干涉和衍射，關鍵是理解其本質，實際應用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區分。

兩列光波在空間相遇時發生疊加，在某些區域總加強，在另外一些區域總減弱，從而出現亮暗相間的條紋的現象叫光的干涉現象。只有相干波源發出的光互相疊加，才能產生干涉現象，在屏上出現穩定的亮暗相間的條紋。

光的衍射現象是指光波在傳播過程中遇到障礙物時，能繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現象。該現象只有在障礙物的線度比光的波長大得不多或可比擬時才能看到，著名的實驗有菲涅爾衍射、夫瑯和費單縫衍射、光柵衍射、圓孔衍射等。

（二）光的偏振

光的電磁理論指出光是電磁波，光的振動矢量與光的傳播方向垂直。但在實際情況中，光矢量總存在著不同的振動狀態，假如光的振動方向在振動面內不具有對稱性，就發生了偏振。自然光是光矢量在各個方向上都不發生偏振即對稱分布的光。如果介質是偏振材料，則光在傳播過程中會發生偏轉，入射角不一定等于出射角，但始終遵循光的直線傳播定理。

（三）光電效應

高中階段學習的光電效應實際上是指外光電效應，其實還有內光電效應。外光電效應是指光線照射在某些物體上，使得電子從這些物體表面逸出的現象，逸出的電子叫做光電子，其前提是愛因斯坦的光子假說——光是一粒一粒的粒子流，即光子。內光電效應包括光電導效應和光生伏特效應，前者是指半導體受到光照時會產生電子——空穴對，使得導電性能增強；光線越強阻值越低，這種光照后電阻率發生變化的現象叫做光電導效應。后者是指由光照射引起的PN結兩端產生電動勢的效應。

（四）光知識的應用

利用材料的光照特性能制作成光敏電阻、光敏二極管、硅光電池，用于傳感器制作、電源轉換設備。利用光的輻射特性，能制作光電高溫計、光電比色高溫計、紅外偵查、紅外遙感、天文探測等設備。利用光的傳播特性，制作而成的光纖及傳感器，是快速有線上網的設備。還有生活中常見的光控開關、玩具槍上的紅外線激光等等。光的應用不勝枚舉，遍及各個領域，掌握好知識就能做自己想做的東西，天道酬勤，相信自己能行。

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