高二物理3-4知識(shí)梳理(3)
高二物理3-4知識(shí)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(lái)表示這個(gè)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(shí)，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(duì)不同的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，這個(gè)常數(shù)n是不同的.這個(gè)常數(shù)n跟介質(zhì)有關(guān)系，是一個(gè)反映介質(zhì)的光學(xué)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(shí)的折射率，叫做該種介質(zhì)的絕對(duì)折射率，也簡(jiǎn)稱為某種介質(zhì)的折射率。
二、測(cè)定玻璃的折射率(實(shí)驗(yàn)、探究)
實(shí)驗(yàn)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(xiàng)：手拿玻璃磚時(shí)，不準(zhǔn)觸摸光潔的光學(xué)面，只能接觸毛面或棱，嚴(yán)禁把玻璃磚當(dāng)尺畫(huà)玻璃磚的界面;
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，玻璃磚與白紙的相對(duì)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(gè)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(dāng)大一些，以減少測(cè)量角度的誤差。
三、光的全反射;光導(dǎo)纖維
全反射現(xiàn)象：當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí),折射角大于入射角。當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí),折射角等于90°，此時(shí)，折射光完全消失入射光全部反回原來(lái)的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做全反射。
臨界角：
?、俣x:光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),折射角等于90°時(shí)的入射角，叫做臨界角
?、谂R界角的計(jì)算:
光導(dǎo)纖維：當(dāng)光線射到光導(dǎo)纖維的端面上時(shí)，光線就折射進(jìn)入光導(dǎo)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(dǎo)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(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)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(shuō)明，兩縫間距離越小、縫到屏的距離越大，光波的波長(zhǎng)越大，條紋的寬度就越大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)不同，紅光最長(zhǎng)，紫光最短。
幾個(gè)問(wèn)題：
?、僭陔p縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果用紅色濾光片遮住一個(gè)狹縫S1，再用綠濾光片遮住另一個(gè)狹縫S2，當(dāng)用白光入射時(shí)，屏上是否會(huì)產(chǎn)生雙縫干涉圖樣?
這時(shí)在屏上將會(huì)出現(xiàn)紅光單縫衍射光矢量和綠光單縫衍射光矢量振動(dòng)的疊加。由于紅光和綠光的頻率不同，因此它們?cè)谄辽席B加時(shí)不能產(chǎn)生干涉，此時(shí)屏上將出現(xiàn)混合色二單縫衍射圖樣。
?、谠陔p縫干涉實(shí)驗(yàn)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(lái)亮的地方會(huì)不會(huì)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(shí)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(lái)亮的地方不會(huì)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(qiáng)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(méi)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(qiáng)，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(dá)該處的光能量比較集中。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)不違反能量守恒定律。
(3)薄膜干涉及其應(yīng)用
(1)原理
①干涉法檢查精密部件的表面
取一個(gè)透明的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(huì)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(diǎn)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(diǎn)位于同一條亮紋上，故甲圖中與P、Q對(duì)應(yīng)的位置空氣層厚度相同。由于Q位于P的右方(即遠(yuǎn)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(dāng)A處凹陷時(shí)才能使P與Q處深度相同。同理可以判斷與M對(duì)應(yīng)的B處為凸起。
②增透膜
是在透鏡、棱鏡等光學(xué)元件表面涂的一層氟化鎂薄膜。當(dāng)薄膜的兩個(gè)表面上反射光的路程差等于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，反射回來(lái)的光抵消。從而增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。顯然增透膜的厚度應(yīng)該等于光在該介質(zhì)中波長(zhǎng)的1/4。
由能量守恒可知，入射光總強(qiáng)度=反射光總強(qiáng)度+透射光總強(qiáng)度。光的強(qiáng)度由光的振幅決定。
當(dāng)滿足增透膜厚度時(shí)，兩束反射光恰好實(shí)現(xiàn)波峰與波谷相疊加，實(shí)現(xiàn)干涉相消，使其合振幅接近于零，即反射光的總強(qiáng)度接近于零，從總效果上看，相當(dāng)于光幾乎不發(fā)生反射而透過(guò)薄膜，因而大大減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。
增透膜只對(duì)人眼或感光膠片上最敏感的綠光起增透作用。當(dāng)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(qiáng)度幾乎是零。這時(shí)其他波長(zhǎng)的光(如紅光和紫光)并沒(méi)有被完全抵消。因此，增透膜呈綠光的互補(bǔ)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(shí)，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(shí)，出現(xiàn)彩色條紋。
②圓孔衍射：光入射微小的圓孔時(shí)，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?xí)r，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(zhǎng)相差不多，甚至此光波波長(zhǎng)還小時(shí)，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(wú)數(shù)偏振光的無(wú)規(guī)則集合，所以直接觀察時(shí)不能發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)偏于一定方向。這種沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同的光叫自然光;
太陽(yáng)、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(dòng)的光，而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波強(qiáng)度都相同，這種光都是自然光。
自然光通過(guò)第一個(gè)偏振片P1(叫起偏器)后，相當(dāng)于被一個(gè)“狹縫”卡了一下，只有振動(dòng)方向跟“狹縫”方向平行的光波才能通過(guò)。
自然光通過(guò)偏振片Pl后雖然變成了偏振光，但由于自然光中沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波強(qiáng)度都相同，所以不論晶片轉(zhuǎn)到什么方向，都會(huì)有相同強(qiáng)度的光透射過(guò)來(lái)。再通過(guò)第二個(gè)偏振片P2(叫檢偏器)去觀察就不同了;不論旋轉(zhuǎn)哪個(gè)偏振片，兩偏振片透振方向平行時(shí)，透射光最強(qiáng)，兩偏振片的透振方向垂直時(shí)，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(shí)，由于水面或玻璃會(huì)反射出很強(qiáng)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(jī)鏡頭上加一個(gè)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(chē)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(jiǎn)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(jì)的一項(xiàng)重要發(fā)明，由于它有著普通光無(wú)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(yùn)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔。
激光的特性：
①平行度非常好.激光束的光線平行度極好，從地面上發(fā)射的一束極細(xì)的激光束，到達(dá)月球表面時(shí)，也只發(fā)散成直徑lm多的光斑，因此激光在地面上傳播時(shí)，可以看成是不發(fā)散的。
?、诟叨鹊南喔尚?激光器發(fā)射的激光，都集中在一個(gè)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(qiáng)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(yáng)，而目前的高功率激光器，亮度可達(dá)太陽(yáng)的1萬(wàn)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(chǎng)理論
1、電磁場(chǎng)理論的核心之一：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)
在變化的磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合的(渦旋電場(chǎng))
理解：
?、倬鶆蜃兓拇艌?chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定電場(chǎng);
②非均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)。
2、電磁場(chǎng)理論的核心之二：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)
麥克斯韋假設(shè):變化的電場(chǎng)就像導(dǎo)線中的電流一樣,會(huì)在空間產(chǎn)生磁場(chǎng),即變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)
理解：
?、倬鶆蜃兓碾妶?chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng);
?、诜蔷鶆蜃兓碾妶?chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)。
(二)電磁波
1、電磁場(chǎng)：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場(chǎng),那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周?chē)臻g產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng);這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周?chē)臻g產(chǎn)生新的周期性變化的電場(chǎng),變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)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(chǎng)。
這個(gè)過(guò)程可以用下圖表達(dá)：
2、電磁波：電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播就是電磁波。
3、電磁波的特點(diǎn)：
(1)電磁波是橫波,電場(chǎng)強(qiáng)度E 和磁感應(yīng)強(qiáng)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(cè)量出電磁波和光有相同的速度.這樣赫茲證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，赫茲在人類(lèi)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(jì)算出電磁波傳播速度與光速相同，說(shuō)明光具有電磁本質(zhì)，提出光就是一種電磁波。
?、齐姶挪ㄗV：
電磁波譜 | 無(wú)線電波 | 紅外線 | 可見(jiàn)光 | 紫外線 | X射線 | γ射線 |
產(chǎn)生機(jī)理 | 在振蕩電路中，自由電子作周期性運(yùn)動(dòng)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(hào)是電視臺(tái)先把影像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢园l(fā)射的電信號(hào) ，發(fā)射出去后被接收的電信號(hào)通過(guò)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(diǎn)的明暗情況，逐點(diǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的信號(hào)電流，通過(guò)天線把帶有圖象信號(hào)的電磁波發(fā)射出去。
2、雷達(dá)工作原理：利用發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，計(jì)算出物體的距離。
3、手機(jī)：在待機(jī)狀態(tài)下，手機(jī)不斷的發(fā)射電磁波，與周?chē)h(huán)境交換信息。手機(jī)在建立連接的過(guò)程中發(fā)射的電磁波特別強(qiáng)。
電磁波與機(jī)械波的比較：
共同點(diǎn)：都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象;它們波動(dòng)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(diǎn)：機(jī)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(wú)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(shí)，波速和波長(zhǎng)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(jī)理：
無(wú)線電波是振蕩電路中自由電子作周期性的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的;
紅外線、可見(jiàn)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(zhǎng))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(lái)加熱物體和進(jìn)行紅外線遙感;
紫外線主要作用是化學(xué)作用，可用來(lái)殺菌和消毒;
倫琴射線有較強(qiáng)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(jìn)行對(duì)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(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如探傷，測(cè)厚或用γ刀進(jìn)行手術(shù)。
第十五章 相對(duì)論簡(jiǎn)介
一、狹義相對(duì)論的基本假設(shè);狹義相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典時(shí)空觀的區(qū)別
愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)性原理的兩個(gè)基本假設(shè)：
?、弄M義相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理定律都是相同的。
?、乒馑俨蛔?cè)恚涸诓煌膽T性參考系中，真空中的光速都是相同的。即光速與光源、觀測(cè)者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系。
相對(duì)論的時(shí)空觀：
經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀(牛頓物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀)：時(shí)間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對(duì)的，空間與時(shí)間之間沒(méi)有任何聯(lián)系。
相對(duì)論的時(shí)空觀(愛(ài)因斯坦相對(duì)論的相對(duì)時(shí)空觀)：空間和時(shí)間都與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。
相對(duì)論的時(shí)空觀更具有普遍性，但是經(jīng)典物理學(xué)作為相對(duì)論的特例，在宏觀低速運(yùn)動(dòng)時(shí)仍將發(fā)揮作用。
二、同時(shí)的相對(duì)性、長(zhǎng)度的相對(duì)性、質(zhì)能關(guān)系
時(shí)間和空間的相對(duì)性(時(shí)長(zhǎng)尺短)
1.同時(shí)的相對(duì)性：指兩個(gè)事件，在一個(gè)慣性系中觀察是同時(shí)的，但在另外一個(gè)慣性系中觀察卻不再是同時(shí)的。
2.長(zhǎng)度的相對(duì)性：指相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)的物體，在其運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度，總是小于物體靜止時(shí)的長(zhǎng)度。而在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上，其長(zhǎng)度保持不變。
長(zhǎng)度收縮公式：
3.時(shí)間間隔的相對(duì)性：指某兩個(gè)事件在不同的慣性系中觀察，它們發(fā)生的時(shí)間間隔是不同的。
公式表示：
4.質(zhì)能方程
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