光（选修一第四章，总结笔记）
1.光的折射
折射现象：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会进入第2种介质的现象。
在光的折射现象中，光路是可逆的。
折射定律：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的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即(
为比例常数)，如下图所示。
【折射率】
定义：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之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率。即。
为真空中的光线与法线的夹角，
为介质中的光线与法线的夹角。
折射率n是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角的大小无关，与介质的密度没有必然联系。
折射率与光速的关系：某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即。
由于c>v，故任何介质的折射率n都大于1。某种介质的折射率越大，光在该介质中的传播速度越小。
光的传播方向：光从一种介质垂直进入另一介质时，传播方向不变；斜射时，传播方向改变。
光的传播速度：光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化；当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但光传播的速度发生变化。
光的折射中入射角与折射角的大小关系：当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时，入射角大于折射角，当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时，入射角小于折射角。
2.全反射
（1）全反射
光疏介质：折射率较小的介质。光密介质：折射率较大的介质。光疏介质与光密介质是相对的。
全反射：光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射.若入射角增大到某一角度，折射光线完全消失，只剩下反射光线的现象。
临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角。用字母C表示，光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是。
全反射发生的条件：光从光密介质射入光疏介质；入射角等于或大于临界角。
发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律。
从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大.同时折射光线强度减弱，能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光线的能量等于入射光线的能量。
不同色光的临界角：由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同。频率越大的光，折射率也越大，所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越大的光的临界角越小，越易发生全反射。
（2）全反射棱镜
形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。
【全反射棱镜的特点】
①光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高。
②反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小。
（3）光导纤维
原理：利用了光的全反射。光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。
构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如下图所示，由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等。
设光导纤维的折射率为n，当入射角为时，进入光导纤维的光线传到侧面恰好发生全反射，则有：
，可以得到：
。
由下图可知，当增大时，
增大，由光导纤维射向空气的光线的入射角θ减小，当
时，若
，则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射，解得
。
以上是光从光导纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比大些。
①确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。
②若光由介质进入空气(真空)时，则根据确定临界角，看是否发生全反射。
③根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。
④运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、运算及变换并进行动态分析或定量计算。
3.光的干涉
（1）杨氏双缝干涉实验
双缝干涉的装置示意图，有光源、单缝、双缝和光屏。
双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。
光产生干涉的条件：两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。杨氏双缝干涉实验是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的。
【干涉图样】
单色光的干涉图样：干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。
白光的干涉图样：中央条纹是白色的，两侧干涉条纹是彩色条纹（各种色光都能形成明暗相间的条纹，都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹；两侧条纹间距与各色光的波长成正比，条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹）。
两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大。
【亮、暗条纹的判断】
如下图，设屏上的一点P到双缝的距离分别为和
，路程差
。
①若满足路程差为波长的整数倍，即(其中k=0,1,2,3,...)，则出现亮条纹。k=0时，
，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。
②若满足路程差为半波长的奇数倍，即(其中k=1,2,3,...)，则出现暗条纹。k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。
（2）薄膜干涉
原因：肥皂膜在重力作用下上薄下厚。光到达肥皂泡界面时，发生反射，这一束光在两个界面上发生了反射，这两个反射光频率相同频率，是两束相干光。从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹。如下图
①增透膜：照相机、望远镜的镜头表面常镀一层透光的薄膜，薄膜的上表面与玻璃表面反射的光发生干涉.两束反射光相互抵消，反射光的能量减少，由于总能量守恒，透射光的能量必然得到增强。一般增透膜的厚度是光在薄膜介质中传播的波长的，即
。
②用干涉法检查平面：被检查平面与标准样板平面之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光照射时，入射光从空气薄膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。被检查平面若是平的，空气薄膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里的空气薄膜产生的干涉条纹将发生弯曲。
4.实验：用双缝干涉测量光的波长
（1）实验原理
如下图所示，两缝之间的距离为d，每个狭缝都很窄，宽度可以忽略。
两缝、
的连线的中垂线与屏的交点为
，双缝到屏的距离
。则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距：
。
若已知双缝间距，再测出双缝到屏的距离和条纹间距
，就可以求得光波的波长。
（2）实验器材
双缝干涉仪，即光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、学生电源、导线、刻度尺等。
（3）实验步骤
①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如下图所示。
③调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏。
④安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，两者间距5～10 cm，这时可观察白光的干涉条纹。
⑤在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。
（4）数据处理
①安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。
②使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中心，记下手轮上的读数，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中心，记下此时手轮上的读数
，将该条纹记为第n条亮纹，则相邻两亮条纹间距
。
③用刻度尺测量双缝到光屏间的距离l(d是已知的)。
④重复测量、计算，求出波长的平均值。
（5）误差分析
①光波的波长很小，、l的测量对波长
的影响很大。
②在测量l时，一般用毫米刻度尺；而测时，用千分尺且采用“累积法”。
③多次测量求平均值。
（6）注意事项
①双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，不要随便拆解遮光筒、测量头等元件。
②滤光片、单缝、双缝、目镜等如有灰尘，应用擦镜纸轻轻擦去。
③安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直，间距大约5～10 cm。
④调节的基本依据是：照在像屏上的光很弱.主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴线所致.干涉条纹不清晰的主要原因一般是单缝与双缝不平行。
⑤测量头在使用时应使中心刻线对应着亮(暗)条纹的中心。
⑥光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行靠近。
5.光的衍射
（1）光的衍射
用单色平行光照射狭缝，当缝很窄时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。
各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条纹。
发生明显衍射现象的条件：在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显。
【单缝衍射】
单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹.中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白色条纹。
波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大(如下图)；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大。
【圆孔衍射】
若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物，会发现在影的中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。衍射图样如图10(b)所示。。
(2)中央是亮斑，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。
（2）衍射光栅
构成：由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。
（3）单缝衍射与双缝干涉的比较
【相同点】
①都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或减弱的结果。
②都是波特有的现象，表明光是一种波。
【不同点】
产生条件不同：单缝衍射要求狭缝足够小；双缝干涉要求频率相同的两列光相遇叠加。
图样不同：对于单缝衍射图样，中央为最宽最亮的亮条纹，两侧亮条纹变暗变窄；对于双缝干涉图样，图样是亮度相同的条纹。
6.光的偏振、激光
（1）光的偏振
自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在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。这种光是“自然光”。
偏振光：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫做偏振光。
偏振片：由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”。
偏振现象的应用：照相机镜头前的偏振滤光片、电子表的液晶显示、立体电影、车灯眩光的消除等。
（2）激光
【全息照相】
②原理：全息照片的拍摄利用了光的干涉原理。
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