技術(shù)物理 上冊（第四版）教案 第11章 光學基礎(chǔ)

第11章光學基礎(chǔ)

引言：從東方地平線上升起的太陽的光輝，使我們看見周圍的世界。光幫助我們認識

物體，了解物體結(jié)構(gòu)，人類的一切活動都和光息息相關(guān)，有光萬物才能生長發(fā)育，生活才豐

富多彩。早在公元前400多年，中國的《墨經(jīng)》中就記錄了世界上最早的光學知識。隨著歷

史的進展，光學已發(fā)展成為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術(shù)前沿的重要組成部分。

本章我們主要介紹光的折射規(guī)律，通過學習使你對光的折射原理、光的全反射、光學

元件、光導纖維、光學儀器等有一個比較全面的認識；其次介紹曾經(jīng)爭論了幾百年的關(guān)于光

的本性的認識，初步回答“光是什么”這個問題：最后，學習激光及其應用方面的知識。

11-1光的折射

一、教學目標

1.理解光的折射概念

2.理解光的折射率

3.能應用折射定律進行正確計算

4.能將理論用于生活，學會思考、分析、解決問題。

二、教學重點難點

重點：折射概念，折射定律的應用

難點：折射定律的應用

三、教學器材

玻璃容器，水，筷子，硬幣

四、教學建議

牧法建議

講解，演示實驗，討論

數(shù)學設計方案

（一）引入新課

用實驗引入新課

1.拿出玻璃容器，并洛容器盛滿水，將一支筷子放進，筷子在進入水面處發(fā)生了明顯的

彎折如圖1所示

圖1水中的筷子“彎折”

2.將一枚硬幣放在容器底，找一同學從某一角度觀察時，看不到容器底部的硬幣，保持

眼睛和容器的位置不變，另一同學向容器中注入清水，當水面上升到一定高度時，就能看見

容器底部的硬幣。（圖2水中的硬幣“變淺”）

圖2水中的硬幣“變淺”

（二）引出課程內(nèi)容

L光的折射

前面試驗現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為光從一種介質(zhì)（如空氣）進入另一種介質(zhì)（如水或玻璃）

時，光傳播的方向發(fā)生了攻變。

定義光從一種均勻介質(zhì)進入另一種均勻介質(zhì)時，傳播方向在界面處發(fā)生改變的現(xiàn)象

稱為光的折射。

2.復習介紹幾個物理概念

（1）法線

跟界面垂直的的線

（2）入射角、折射角

入射光線跟法線之間的夾角稱為入射角、折射光線跟法線之間的夾角稱為折射角。當光

在兩種介質(zhì)界面發(fā)生折射時，折射光線、入射光線和界面法線在同一平面內(nèi)，折射光線、入

射光線分居法線兩側(cè)。

圖3光的折射

3.請同學們再觀察一個實驗：

拿出光具盤：當改變?nèi)肷涔獾姆较驎r，反射光，折射光的方向也都發(fā)生改變。

圖4光具盤上的折射實驗:

理論可以證明，雖然入射角的大小發(fā)生變化時，折射角的大小也在做相應的變化，但是

入射角（a）正弦和對應的折射角（/）正弦之比不變，為一常數(shù)，

即任4=C

sin/

這就是光的折射定律。

描述折射定律的方法是由荷蘭科學家斯涅爾在1621年確定的。

理論和實踐還可以證明，如果光在介質(zhì)I、II中的傳播速度分別為q和％,那么光從

介質(zhì)I斜射入介質(zhì)U時，有

sinau}

sinyu2

sin（y

由于光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，因此，——=c中的常數(shù)值也各不相同,

sin/

4.光路的可逆性

筷子斜插入盛水的容器中時，我們看到筷子在水面處發(fā)生彎折，這是由于折射的緣故；

如果筷子垂直插進水中，它將不發(fā)生療折。讓光線逆著原來折射光線的方向射入，它將會逆

著原來入射光線的方向射出，這說明在折射現(xiàn)象中，光路也是可逆的。光路的可逆性常用來

分析和解決光傳播中的問題。

5.折射率

⑴折射率

我們把光從真空射入某種介質(zhì)時，入射角。的正弦與折射角/的正弦之比，稱為這種

介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率，用〃表示。

介質(zhì)不同時?，折射率一般也不同，例如，水的折射率“=1.33,冕牌玻璃的折射率n=\.51。

由實驗可以證明，介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度。與光在該介質(zhì)中傳播速度u之

比，即

n=c/u

由于光在任何介質(zhì)中的傳播速度都小于光速，所以介質(zhì)的折射率總是大于1,在空氣中

所以空氣的折射率可以取為1。

（2）折射率可以用來比較各種介質(zhì)偏折光線的程度

光在某介質(zhì)中的速度越小，該介質(zhì)的折射率就越大，光進入該介質(zhì)時的偏折程度也越

大。因此，可以用折射率來比較各種介質(zhì)偏折光線的程度。常見的幾種介質(zhì)的折射率在教材

中表11-1列出。

（3）折射定律常用的形式

由〃二c/u可推導出

巳二一七二一

?1〃2

L>)_c/_n2

u2c!n2/?!

sinaU]

根據(jù)式-----=，有

sinyu2

sina_n2

siny%

/sina=n2sin/

這是折射定律常用的形式。

6.光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)

兩種介質(zhì)相比較，折射率較小的，稱為光疏介質(zhì)；折射率較大的，稱為光密介質(zhì)。

光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對的，例如，水與玻璃比較是光疏介質(zhì)，而與空氣比較就成

了光密介質(zhì)。

例題1游泳池水深h,垂直水面往下看，其視深川為多少？（設水的折射率為n）

解從池底一點S發(fā)出兩條光線，一條垂直射出水面，另一條入射角為a,折射角為7

（如圖所示）。這兩條光線折射線的反向延長線的交點S，即S的像，像的深度變淺了。

A0A0

在AASO中，tana=---；在AAS中，tany=----?

OSosf

ft/,/tanah

因為（）S=//,Os,----=—貝rlIl

tanyh

圖5例題1圖

一tana,

視源h------h

tan/

垂直水面往下看時，a、/都很小，所以

taila?sinatan/?siny

八2」

sin/n

例題2有一長方形容器，高30cm,寬40cm,在容器的底部平放著一把長40cm的刻

度尺，人眼在容器右側(cè)S點觀察，視線沿著SA斜向下剛好能看到刻度尺R的左端零刻度（）

點，現(xiàn)保持眼睛的位置不變，向容器內(nèi)倒入某種液體，當容器中盛滿某種液體時，人眼恰能

看到刻度尺上20cm處（B點），試求容器中液體的折射率

解由題中所給條件，不倒入液體時，SA連線直指零刻度0點。

倒入液體后，刻度尺上20cm的B處發(fā)出一條光線入射到液體和空氣的交界面上的A點，折

射后沿AS進入眼睛，如圖所示

圖6例題2圖

則

.OD404

sma==,==—

OA7402+3025

BD202

siny=----=,—=—=

BAV2O2+3O2VB

4

sina52r-r...

n=------=—^―=—xV13=1.44

sin/5

至

此例告訴了我們一種測量液體折射率的簡便方法。

（三）小結(jié)

1.折射定律折射光線、入射光線和界面法線在同一平面上，折射光線和入射光線分居

法線兩側(cè)，入射角（。）正弦和對應的折射角（7）正弦之比不變，為一常數(shù)

口sinct

即:——=常數(shù)。

sin/

在折射現(xiàn)象中，當入射角為0。時，折射角也是0。，這是一種特殊情況。

折射定律還可以表示為

“Isina=n2sin/

在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。

2.折射率光從真空（或空氣）射入某種介質(zhì)時，入射角a正弦和折射角/正弦之比稱

為這種介質(zhì)的折射率。

n=-s-in--a-

sin/

折射率反映介質(zhì)折射光線的能力。

介質(zhì)的折射率與介質(zhì)中的速度的關(guān)系：〃=c/"

3.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)兩種介質(zhì)相比，折射率較小的稱為光疏介質(zhì)，折射率較大的

稱為光密介質(zhì)。

（四）作業(yè)布置

1.課堂練習p.1221、2（提問、討論）

2.課外作業(yè)p.1233、4、5

課外閱讀物理學家墨翟

（五）教學說明

1.教師需注意的問題：三角函數(shù)，幾何知識。

2.學生容易在公式換算之間出錯，應注意引導。

11-2光纖傳光原理

-X教學目的

1.了解光的全反射原理

2.掌握光的全反射條件

3.了解光纖傳光原理

二、教學重點難點

重點：光的全反射條件

難點：由折射定律計算臨界角

三、教學器材

光具盤

四、教學建議

效法猥議

多媒體演示光的全反射現(xiàn)象，講解，討論

數(shù)學設計方案

（一）多媒體課件演示引入新課

草葉上露珠在陽光下晶瑩透亮：透過杯壁觀察盛滿水的玻璃杯水面，光燦如銀：水或玻

璃中的氣泡顯得特別明亮,

為什么會出現(xiàn)這一些現(xiàn)象呢？這些都是光的全反射引起的。

（二）引出課程內(nèi)容

1.光的全反射

（1）通過下面的實驗觀察光發(fā)生了怎樣的變化。

讓一束光沿著半圓柱玻璃磚從玻璃射向空氣。（見圖1）,這時可以同時看到反射光線和折射

光線，這兩條光線都比入射光線要弱。增大入射角，折射角也隨之增大，這時折射光線越來

越弱，反射光線越來越強。當入射角增大到某一角度0時，折射角等于90°,這時折射光線

沿兩種介質(zhì)的界面?zhèn)鞑?。再增大入射角，折射光線消失，只剩下反射光線，光線全部反射回

到玻璃中，如下圖所示。此時的反射光線幾乎與入射光線一樣亮。

圖1觀察光的全反射現(xiàn)象

（2）光的全反射定義

入射光全部被反射【可原介質(zhì)的現(xiàn)象稱為光的全反射.對應于90°折射角的入射角0稱為

臨界角。

（3）光發(fā)生全反射必須具備的條件是：

①光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)：

②入射角大于臨界角，

復習提問：什么叫光疏介質(zhì)，什么叫光密介質(zhì)？

答：兩種介質(zhì)相比較：折射率較小的（或光傳播速度較大的）稱為光疏介質(zhì)；折射率較

大的（或光傳播速度較小的）稱為光密介質(zhì)。光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對的。

記住：光的全反射現(xiàn)象只發(fā)生在光密介質(zhì)內(nèi)部，如果光線從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)不會

發(fā)生全反射。

（4）臨界角的計算

同學們還記得上次課所學習的折射定律嗎？（提問2到3名同學回答，并在黑板上寫

下折射定律表達式）

由折射定律可以計算臨界角：

sin°_n2

sin90°nx

小

sin^>=—

%

若光從某介質(zhì)〃射向真空（或空氣），則

1

〃2=1sin°=一

n

根據(jù)上式，只要知道某種介質(zhì)的折射率〃，就可以求出它對真空（或空氣）的臨界角9。

書上用表11-2為我們列出了幾種介質(zhì)對真空（或空氣）的臨界角。

（5）全反射技術(shù)的應用

全反射在生產(chǎn)技術(shù)中有著廣泛的應用。用全反射棱鏡可以制造潛望鏡；利用光在光導纖

維中的全反射傳光、傳像等更是當今世界上最先進的通信方式。

提問請同學們思考討論：

全反射在生產(chǎn)技術(shù)中還有哪些廣泛應用？

例題1某種玻璃的折射率々=1.52,水的折射率叫=1.33,光線如何射入，可在界面

發(fā)生全反射？臨界角（p多大？

解因為玻璃相對水是光密介質(zhì)，所以只有當光從玻璃射向水里時才可能發(fā)生全反射，

sine_n小1.33__

2sin(p=—=-----=0n.8o75

sin90°n]n,1.52

臨界角0=61°3,

例題2在水中的魚看來，水面上的所有景物，都出現(xiàn)在頂角大約為97。的倒立圓錐內(nèi)

（如圖2所示）,這是什么原因？它與魚在水中的深度有關(guān)嗎？

解水對?空氣來說是光密介質(zhì)，光線由水射向空氣時可能發(fā)生全反射，其臨界角可由式

sin(p=—求得：0=48.6°

圖2魚眼里的世界

光線由空氣進入水中，當入射角在0°?90°時，折射處在0°?48.6°之間，即水面上所

有入射光線進入水中的折射光線均在頂角為97.2°（48.6°義2）的倒立圓錐內(nèi)。由于動物的眼

睛總是習慣以光直線傳播來確定被觀察物體的位置，所以在水中的魚看來，水面上所有景物

都出現(xiàn)在頂角為97°的倒立圓錐內(nèi)，顯然，這與魚在水㈡的深度無關(guān)。

2.光導纖維

光導纖維簡稱光纖，它是利用全反射原理使光沿著彎曲路徑傳播的光學元件。

（1）光纖的構(gòu)造及傳光原理

光纖由內(nèi)芯和外芯兩層組成，其中纖芯直徑約3?75pm,可由玻璃、石英、塑料等材

料在高溫下拉制而成。如圖3所示，當光在芯線中傳播時，由于包層的折射率比內(nèi)芯折射率

小，所以光從芯線射向包層的過程中會發(fā)生全反射，光線就可以從光纖的一端傳至另一端。

圖3光纖導光

（2）光纖的應用

光纖穹曲了也能傳光，所以，光導纖維為光學窺視（傳光、傳像）和光通信的實現(xiàn)創(chuàng)造了

良好的條件。

光纖主要應用于通信，把要傳遞的信號調(diào)制成光信號沿光纖傳遞出去，在接收端再把光

信號解調(diào)就得到了原信號。

光纖通信已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，它具有容量大，能耗低，靈敏度高，抗干擾,

保密性能好等優(yōu)點。光纖柔軟，體積小，重量輕，使用壽命長。一條細如發(fā)絲的光纖，可替

代25萬條標準的銅質(zhì)電纜線，一條光纜可以同時傳送一萬余路電話、上千套電視節(jié)目。光

纖通信是建立綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（IS—DN）不可缺少的技術(shù)手段。它不僅可以在陸地上使用，而

且被廣泛用于海洋。目前，跨越大西洋、北太平洋的海底光纜已投入使用，這些越洋光纜幾

乎可以把整個地球環(huán)繞起來。

我國的光纖通信事業(yè)發(fā)展十分迅速，國內(nèi)各大城市及西南、西北等邊遠地區(qū)都已敷設了

光纖通信線路，國內(nèi)巨大的光纖通信網(wǎng)絡已初步形成?？傞L4萬km、由全球92個國際公司

投資的全世界最長、最大的國際通信光纖海纜“法新歐亞三號”，已于2000年投入使用。我

國參與了這條海纜的投資并在上海和汕頭設有登陸點。

目前，光纖通信已實現(xiàn)全世界計算機聯(lián)網(wǎng)，今天的電子郵件（E-moil）通過國際互聯(lián)網(wǎng)

（【nlemel）已經(jīng)把世界各地聯(lián)結(jié)起來。隨著網(wǎng)絡的普及和發(fā)展，光纖通信已進入人們的工作、

生活，并將為未來的社會生活帶來巨大的變化。

光纖不僅在通信技術(shù)方面取得顯著成就，在傳送電能方面也具有獨特的優(yōu)點，如果能實

現(xiàn)利用光纖傳輸電能，將能大大降低電網(wǎng)的造價，不僅安全可靠，而且能節(jié)約有色金屬，延

長電網(wǎng)使用周期。

（三）小結(jié)

光的全反射

1.全反射現(xiàn)象光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時.，隨著入射角逐漸增大，折射光線離法

線越來越遠，強度越來越弱，反射光越來越強。當折射角達到90''時，再增大入射角，折射

光線消失，光全部反射回入射介質(zhì)。

2.發(fā)生全反射的條傷

（1）光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；

（2）入射角大于臨界角。

用（p表示臨界角：%sine=n2sin900

3.光導纖維傳光原理及光纖通信

（四）作業(yè)布置

1.p.1281、2、3、4題

2.課外閱讀書上《蜃景》閱讀材料

11-3常用光學元件透鏡公式

一、教學目標：

1.幾種常用光學元件的光路原理

2.掌握透鏡成像作圖法

3.掌握透鏡公式及像的放大率公式

二、教學重點，難點

重點：透鏡成像作圖法、透鏡公式及像的放大率

難點：光通過不同光學元件后，光路的改變

三、教學器材

玻璃磚，三棱鏡，全反射棱鏡，透鏡

四、教學建議

教法建議：互動交流，講解

教學設計方案

（一）從認識幾種常用光學元件引入新課

讓同學們逐一認識玻璃磚、棱鏡、透鏡，并讓大家交流討論：當光通過以上兒種光學元

件后，光路會發(fā)生改變嗎？光路依據(jù)什么原理發(fā)生改變呢？

舉出一些生活中見到的光學元件，如玻璃板、放大鏡等，討論：我們常常需要應用哪些

光學元件來改變光路？

（二）新課內(nèi)容

1.常用光學元件

（1）平行透明板

兩個折射面是平行平面的透明體稱為平行透明板，如平面玻璃和玻璃磚等。

如圖1所示，當光線從空氣中沿50斜射到平行透明板的_L平面AA'時，沿OOi折射入

玻璃，再沿（）⑸折射到空氣里，由折射定律可得

%sina-n2sin/n,sina]=n}sin%

圖i玻璃磚光路圖

因為平行透明板上下兩平面AA'和BB'平行，所以過。和U的兩條法線NN'和'N'

平行，故/=囚，于是有

/J,sina=勺sin%；a=%

SO與。⑸平行。由此可知，光通過平行透明板后，光傳播的方向并不改變，只是發(fā)生側(cè)向

偏移。

可以證明：平行透明板越薄，側(cè)向移動就越??；入射角越小，偏移也越小，光垂直入射

時不發(fā)生偏移。隔著玻璃窗向外看物體，并不覺得它偏離實際位置，就是因為玻璃很薄的緣

故。

（2）棱鏡

透明的三棱柱稱為三棱鏡，簡稱棱鏡（如圖2）。

與棱鏡三條棱垂直的截面稱為主截面（圖3）。AB和AC是折射面，這兩個面的夾角。稱

為頂角，和頂角相對的BC是底面。通常用的棱鏡，其主截面為等腰三角形。

棱鏡的折射率大于空氣的折射率，因此，進入棱鏡的光線通過AB和AC折射后向棱鏡底

面方向偏折。隔著棱鏡觀察物體，看到的是正立的、向棱鏡頂角方向偏移的虛像，如圖4所

7J\a

圖2二棱鏡圖3二棱鏡主截面圖4棱鏡成像

（3）全反射棱鏡

主截面是等腰直角三角形的棱鏡稱為全反射棱鏡。

通常用全反射棱鏡來改變光路。光從棱鏡的一個側(cè)面入射時，經(jīng)過一次全反射將使光路

改變90°；光從棱鏡的底面垂直入射時，經(jīng)過棱鏡兩次會反射將使光路改變180。，見圖5。

圖5全反射棱鏡圖6潛望鏡圖7角反射器

因為無論多么光亮的平面鏡都不能做到無吸收地完全反射入射光，而棱鏡在全反射時是

將光全部反射。此外，平面鏡所涂的金屬層隨著時間的推移容易失去光澤從而減弱反射強度,

而棱鏡則耐用得多。所以用全反射棱鏡控制光路比平面鏡好。

生活中應用的潛望鏡、角反射器等都是利用全反射棱鏡光路的改變光路來進行工作。

（4）透鏡

折射面是兩個球面（或其中一個是平面）的透明體稱為透鏡。

透鏡分為兩類：中央比邊緣厚的透鏡稱為凸透鏡，中央比邊緣薄的透鏡叫凹透鏡。

透鏡的表示法見圖8。

衰不發(fā)

圖8透鏡及其表示法

我們只學習空氣中的薄透鏡，它的中央厚度比起兩個球面的半徑小得多。

主光軸、光心和焦點：

通過透鏡兩個球面球心CG的連線稱為透鏡的主光軸，簡稱光軸。

兩個球面的頂點6、靠得很近，可以看作是重合在透鏡中心的一點。上，這一點稱為

透鏡的光心。凡是通過光心的光線，傳播方向不發(fā)生改變。

圖9透鏡的光軸和光心

凸透鏡能把平行于光軸的光線會聚在透鏡另側(cè)光軸上的一點，這一點稱為凸透鏡的焦

點。凸透鏡的焦點是光線實際會聚的點，稱為實焦點。

凹透鏡能把平行于光軸的入射光在透鏡的另一側(cè)發(fā)散開來，這些發(fā)散光線的反向延長線

也交于光軸上一點，這一點是凹透鏡的焦點。凹透鏡的焦點是光線反向延長線的交點，稱為

虛焦點。

由光路的可逆性知，每個透鏡有兩個焦點，它們相對于光心是對稱的。焦點用尸表示。

透鏡焦點到光心的距離稱為焦距，用F表示。焦距的大小由構(gòu)成透鏡的材料、透鏡的形

狀、周圍介質(zhì)的折射率及光的頻率決定。

物體到光心的距離稱為物距，用）表示。像到光心的距離稱為像距，用//表示。

圖10焦點及焦距

2.透鏡成像

透鏡所成的像是由物體發(fā)射或反射的光線經(jīng)透鏡折射后會聚成的，透鏡成像的規(guī)律，可

以用兒何作圖的方法以及利用成像公式計算等方法來進行研究。

（1）透鏡成像作圖法

物點S射出的無數(shù)條光線中，有三條特殊光線，它們經(jīng)凸透鏡折射后方向是確定的，所

以常被用來作圖。這三條光線是：

通過光心的光線，經(jīng)凸透鏡后方向不變；

平行r光軸的光線，經(jīng)凸透鏡后通過焦點；

通過焦點的光線，經(jīng)凸透鏡后平行于光軸。

圖U三條特殊光線

利用這三條光線中的任意兩條光線的交點，就可以確定像點s，。物體是由許許多多的

物點組成的，因此用幾何作圖方法作出各物點對應的像點就構(gòu)成了整個物體的像。

凸透鏡成像的規(guī)律：

當物體到光心的距離大于2倍焦距）時，物體在凸透鏡另一側(cè)成倒立、縮小的

實像，像距在焦距與2倍焦距之間（/?</<2/），照相機成像通常屬于這種情況。

當物體位于2倍焦距處時（p=2f）時，在凸透鏡另一側(cè)成倒立、等大的實像，像距

p'=2￡

當物體位于焦距以外、2倍焦距以內(nèi)（f<p<2f）時，在凸透鏡另一側(cè)成倒立、放大的實

像，且像距大于2倍焦距（加>2f）,幻燈機、電影放映機的光路與此相仿。

當物體位于焦點以內(nèi)時（夕</），物體發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡后發(fā)散，得不到實像。但這些

光線的反向延長線在透鏡同側(cè)成正立、放大的虛像。用放大鏡觀察物體就屬于這種情況。

研究凹透鏡成像時，也可以利用類似的三條特殊光線，但無論物距如何，光線經(jīng)凹透鏡

后總是發(fā)散的，所以只能得到虛像。并且，所成虛像總是正立、縮小的，且與物處于透鏡同

一側(cè)。

圖12凸透鏡成像作圖法

(2)透鏡公式

利用透鏡成像光路圖中的幾何關(guān)系可以導出焦距￡物距夕、像距夕,之間的關(guān)系

111

----7=一

PPf

此式稱為透鏡公式。

應用透鏡公式時，Ap."的單位要統(tǒng)一，并注意各量正、負號的要求：

焦距6凸透鏡焦距為正，凹透鏡焦距為負；

物距夕：物距均為正：

像距夕'：實像像距為正，虛像像距為負。

(3)像的放大率

像長與物長的比值稱為像的放大率，用機表示，它說明了透鏡成像時像的放大情況。

由圖12可得

A!B

m=-----=—

ABp

計算時，P1應取絕對值。

例題1距墻4nl處有一根點燃的蠟燭，在蠟燭與墻壁之間距蠟燭3m處放一透鏡，剛

好成像在墻上，把透鏡移到另一位置也能成像在墻上，求該透鏡的焦距，并比較兩個像的大

小。

解成像在墻上，所成像必然是實像，因此是凸透鏡。其成像光路如圖13。

第一次成像時，Pi=3m,px'=(4-3)m=lm,由透鏡公式求得

透鏡的焦距f=o.75m

根據(jù)光路可逆原理，第二次成像時必然有=1m,=0=3ni,因此，兩次成像

的放大率分別為

p：1p：4Q

m}=—=—r=3

Pi3~p2p,

恤_3

ti\1/3

可見，第二次成像的像長是第一次像長的9倍。

圖13例題1圖

例題2一個長2cm的物體，放在焦距為18cm的凸透鏡前什么位置上，才能得到長4

cm的倒立的像?要想得到長6cm的正立的像，物體應放在哪里？

解第一次所成實像的放大率為町=4/2=2,則由放大率公式有〃=2p「代入透

鏡公式得

111

----F—=—p.=27cm

2PlP、18"

第二次要成正立的像，必然是虛像，由w2=〃27〃2=6/2=3,一3P2。代入透鏡

公式得

—

Pi=12cm

-3p2〃218

可見，把物體放在鏡前27cm,可得長4cm的倒立的實像；把物體放在鏡前12cm處,

就可得到長6cm的正立的虛像。

4、課堂練習：p.1221、2題

（四）小結(jié)

1.光線通過平行透明板不改變方向，只發(fā)生平行側(cè)移。

2.通過棱鏡的光線向底面偏折，虛像向頂角偏移。

3.光垂直于全反射棱鏡的任一側(cè)面射入，都會在另一側(cè)面產(chǎn)生全反射，其反射效率和

清晰度都優(yōu)于平面反射鏡,

4.凸透鏡使光線會聚，凹透鏡使光線發(fā)散。

光軸、光心、焦點、焦距

5.凸透鏡成像作圖法三條特殊光線

111

6.透鏡公式

7.像的放大率m=—=^-

ABp

（五）作業(yè)布置

P.1331、2、5、6題《技術(shù)物理練習冊》（第3版）相關(guān)習題

（六）教學說明；

如果課堂教學時間緊，例2可略去。

11-5光的波動性電磁波譜

一、教學目的：

1.了解波動的特有現(xiàn)象，并知道產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象的條件。

2.了解干涉和衍射現(xiàn)象的應用，知道光波是橫波。

3.知道光的色散，了解電磁波譜、幾種射線及其特點

二、教學重點、難點：

重點：干涉及衍射現(xiàn)象，幾種射線的特征。

難點：相干光、干涉及衍射圖樣。

三、教學建議：

教法建議：多媒體教學、講授

教學設計方案：

（一）引入新課

設疑提問：用什么方法可以證明光具有波動性呢？

因為干涉和衍射現(xiàn)象是波動的特征，如果我們能看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，就證明了光

具有波動性，

（二）引出新課內(nèi)容

1.光的波動性

（1）光的干涉現(xiàn)象〔用多媒體課件直觀演示）

兩列光波在空中相遇時，在不同的地點產(chǎn)生了穩(wěn)定的加強或減弱，在相遇空間形成明暗

相間條紋的現(xiàn)象，稱為光的干涉現(xiàn)象。

1801年，英國物理學家托馬斯?楊川雙縫實驗裝置成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，這

就是歷史上著名的楊氏雙縫實驗。

圖1楊氏雙健干涉

讓單色光通過狹縫S,從S出來的線狀光束射到與S平行且等距的雙縫S1、出上,穿

過雙縫，、&后，就得到了兩個完全相同的線狀光源。在這兩束線狀光疊加的區(qū)域里放置屏

幕，屏幕上會出現(xiàn)一幅穩(wěn)定的圖樣，它由明暗相間且等距分布的條紋構(gòu)成。這就是光的干涉

現(xiàn)象。光的干涉現(xiàn)象，證實J'光具有波動性。

產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件：頻率相同、振動方向相同的兩列光相遇時，才會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

頻率相同、振動方向相同的兩列光稱為相干光。用雙縫實驗等方法可以得到相干光。激

光光源可以產(chǎn)生相干光。

在日常生活中，我們能看到下列干涉現(xiàn)象：

肥皂泡或水面的薄油膜在日光照射下會呈現(xiàn)出美麗的彩色條紋，這是因為一列光在經(jīng)過

透明薄層上、下兩個面反射時，形成了兩列相干光，它們互相疊加產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。

圖2肥皂液薄膜上光的干涉現(xiàn)象

用酒精燈火焰的光照射附近金屬絲圈上的肥皂液薄膜時，在薄膜上也能看到火焰光的

像由明暗相間的干涉條紋組成，這是由于薄膜在重力作月下形成了上薄下厚的契形，火焰光

從膜的前表面和后表面分別反射回來形成兩列相干光。

光的干涉現(xiàn)象在精密則量和檢驗時有重要應用，如檢驗工件的平整程度就常用干涉法。

如劈尖干涉圖所示，在被福查平面B上放一透明的標準樣板A,在一端墊一薄片，使二者之

間形成一個楔狀的空氣薄層，用單色光照射時，從空氣層上下兩個表面反射的光波產(chǎn)生干涉

條紋。如果被測表面是平的，產(chǎn)生的干涉條紋將是一組平行直線；如果被測表面不平，產(chǎn)生

的干涉條紋將是彎曲的。從干涉條紋的彎曲方向和彎曲程度，可以判斷出被測物體表面凸凹

的情況，測量精度可以達到IO8m。

(?>

圖3干涉的應用

(2)光的衍射現(xiàn)象

觀察多媒體演示：讓一個點光源S照射帶有圓孔的光屏。當孔較大時，在屏幕上看到的

是一個圓的亮點；如果縮小孔徑，亮點也變??；當孔徑縮小到一定程度時，我們看見屏幕上

得到的是一些以亮點為中心的明暗相間的圓環(huán)，其范圍遠遠大于孔徑。顯然，光偏離了直線

傳播方向。如果光照射的障礙物是一-狹縫時，在屏幕上看到的是一組以中央亮條紋為中心的

明暗相間的條紋，其寬度也遠大于窄縫寬度。

這些現(xiàn)象說明光在傳播途中偏離了直線路徑，繞到障礙物后面去了。

光偏離直線傳播方向而繞到障礙物后面區(qū)域的現(xiàn)象，稱為光的衍射。

光產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的條件：障礙物（包括小孔、細絲、狹縫等）的大小跟光的波長相當,

甚至比波長還小時，才會出現(xiàn)明顯的衍射現(xiàn)象。

圖4光的小孔衍射

小練習：瞇起眼睛透過睫毛的縫隙或通過手指間的縫隙看發(fā)光的燈泡；隔著簞子、羽毛

或布縫去看光源；把兩支鉛筆緊并在一起，與日光燈平行，從鉛筆中間的縫隙去看發(fā)光的日

光燈，都能看到類似的衍射圖樣。

衍射現(xiàn)象也是波動的重要特征之一，光的衍射現(xiàn)象又一次證明光具有波動性。

（3）光的偏振

光的干涉和衍射現(xiàn)象都說明光是一種波，但它是橫波還是縱波呢?我們來看看橫波和縱

波的主要區(qū)別：

沿繩子傳播橫波，當繩上的波不能通過狹縫時，這種現(xiàn)象稱為橫波的偏振。

沿繩子傳播縱波，不論狹縫方向如何它都能通過狹縫，縱波的傳播中沒有偏振現(xiàn)象。

圖5橫波的偏振

圖6縱波不發(fā)生偏振

可以用偏振片（其作用與上述帶縫的木板作用相似）來鑒別光是橫波還是縱波。

用偏振片A對著太陽或燈光，如圖7所示，以入射光的方向為軸旋轉(zhuǎn)A片，這時我們會

看到透過A的光強并不隨A片的旋轉(zhuǎn)而改變。把A固定，以入射光方向為軸旋轉(zhuǎn)偏振片B

時，從B透射過來的光強發(fā)生周期性變化：當B片轉(zhuǎn)到其一位置時，透射光最強；再由此位

9+公

圖7偏振光

置轉(zhuǎn)過90°,透射光最弱，幾乎看不見。這一現(xiàn)象說明光發(fā)生了偏振。偏振是橫波所特有

的現(xiàn)象，所以光波是橫波，

偏振現(xiàn)象在實際生活、生產(chǎn)中有許多應用，比如用人造偏振片制成的太陽鏡能阻擋某一

方向振動的光，使景物顯得柔和濃重：看立體電影時必須戴上用兩個不同方向的偏振片制的

眼鏡；在化學、制藥工'也中，利用偏振光通過某些物質(zhì)的溶液，光振動方向會轉(zhuǎn)過?定角度

的旋光現(xiàn)象，來精確測定該物質(zhì)的濃度等等。

2.電磁波譜

人們對光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象的研究，使光的波動說獲得了很大的成功，那么光究

竟是什么性質(zhì)的一種波呢？

(1)光波是電磁波

在19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋根據(jù)自己對電磁現(xiàn)象的研究，指出光是一種

電磁波，并且是橫波，它在真空中的傳播速度和真空中的光速。相同。德國物理學家赫茲在

19世紀80年代，用實驗證實了電磁波跟光一樣，也具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等

特性，證明光是一種電磁波。

(2)光的色散

能夠分解為幾種顏色的光稱為復色光；不能再分解的光稱為單色光。

由復色光分解成單色光的現(xiàn)象稱為光的色散。

發(fā)生色散時，各色光偏折程度不同，偏折角度最小的是紅光，最大的是紫光。這說明：

在同一種介質(zhì)中，各色光折射率不同，紫光折射率最大，紅光折射率最小。各單色光在真空

中的傳播速度都是光速c：在介質(zhì)中的傳播速度與其折射率有關(guān)，紫光速度最小，紅光速度

最大。

0/

圖8白光的色散

(3)電磁波譜

將無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和y射線按照波長(或頻率)大小順序排

列起來，就組成了范圍非常廣闊的電磁波譜。(電磁波譜圖見教材)

無線電波包拈長波、中波、短波、微波，主要用于廣播、電視、通信。

紅外線最大的特點是熱效應顯著，常被用來加熱、烘干以及進行醫(yī)療。無論白天或夜

晚都可用對紅外線敏感的底片進行遠距離攝影或高空攝影。利用紅外線遙感技術(shù)，可以在飛

機或衛(wèi)星上尋找水源、勘測地熱、預報天氣、監(jiān)測森林火情、估計農(nóng)作物的長勢和收成等。

利用紅外線夜視鏡、紅外線的準器、紅外線追蹤導彈等可提高部隊的戰(zhàn)斗力。我們H常使用

的電視機等家用電器的遙控器，就是對不同的按鍵發(fā)出不同的紅外線脈沖，以達到自動選擇、

調(diào)節(jié)等控制目的。

紫外線最顯著的性質(zhì)是熒光作用強，在它的照射下能使許多物質(zhì)發(fā)出熒光，利用這一作

用人們制成了熒光燈，口光燈就是其中的一種，它的發(fā)光效率比白熾燈強2?3倍。農(nóng)業(yè)上

誘殺害蟲的黑光燈也是用紫外線激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光的。紙幣或商標常含有防偽熒光油墨，經(jīng)

紫外線照射就可顯現(xiàn)出來而。

紫外線的另一顯著性質(zhì)是化學效應強，很容易使感光紙感光。用紫外線照相能分辨出一

些極細微的差別，刑偵部門常用它來分析指紋。

紫外線還具有較強的生理作用，它能使細胞脫水，達到殺菌消毒的目的。陽光中含有大

量的紫外線，人體適當照射陽光對健康有益，但太強的紫外線對人的眼睛和皮膚有害。

X射線具有很強的穿透能力，在醫(yī)療和工業(yè)上有廣泛的應用。在工業(yè)上可用于檢查金屬

內(nèi)部的砂眼、裂縫等；在醫(yī)學上，常用于作人體透視或拍攝人體內(nèi)部組織的照片。接受過量

的X射線對?人體有害，所以常用吸收X射線的鉛板或鉛玻璃來進行防護。

/射線能量極大、貫穿能力極強，它能穿透兒十厘米厚的鋼板。工業(yè)上常用/射線探傷,

檢杳金屬部件內(nèi)部情況。醫(yī)療上用/射線殺死各種病原體，放射性鉆的丁射線還可用來治療

某些癌癥。y射線又被稱為刀”，醫(yī)院里可用它進行腫瘤切割手術(shù)。農(nóng)業(yè)上利用了射線

照射種子，可使種子變異，培育出新的優(yōu)良品種。y射線的輻射還能消滅或抑制農(nóng)作物害蟲

的生長。

射線的特征歸納如下:

名稱特征主要應用

紅外線顯著的熱效應加熱、烘干、紅外線遙感

紫外線熒光作用、化學效應、生理作用強辨別真?zhèn)巍⑹辜毎撍?、殺菌消毒、分?/p>

指紋。

X射線具有很強的穿透能力檢查金屬內(nèi)部的砂眼、裂縫等：人體透視

或拍攝人體內(nèi)部組織的照片

/射線能量極大、貫穿能力極強工業(yè)探傷、殺死各種病原體、使種子變異

（三）小結(jié)

1.光的波動性

光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光的波動性，光的偏振說明光是橫波。

光是一種電磁波。

2.電磁波譜幾種射線及其特點

（四）作業(yè)布置

P.1431、3、5、6題《技術(shù)物理練習冊》（第3版）相關(guān)習題

11-6光的粒子性光的波粒二象性

一、教學目標

1.認識光的粒子性，知道截止頻率

2.了解光電效應的基本規(guī)律

3.知道光既具有波均性，又具有粒子性

二、教學重點、難點

重點：光的粒子性，光的波粒二象性

難點：解釋光電效應的光的量子說，光的波粒二象性所表現(xiàn)出的物質(zhì)性質(zhì)的多樣性

三、教學器材

多媒體教學用光盤

四、教學建議

教法建議

互動啟發(fā)、演示實驗、講授

教學設計方案

（一）引入新課

提問：光的干涉、衍射等現(xiàn)象使我們認識到光具有什么性質(zhì)？答：波動性

設疑：在光的波動理論建立以后，人們從實驗中乂發(fā)現(xiàn)了用光的波動性解釋不了的新現(xiàn)

象。

用多媒體演示：

圖1光電效應

讓帶電的鋅板與驗電器連接，驗電器指針偏轉(zhuǎn)一定角度，然后用紫外線照射鋅板，驗電

器原來偏轉(zhuǎn)的指針閉合。這個實驗現(xiàn)象表明鋅板受到紫外線照射時，光使電子從鋅板表面逸

出了。

（二）引出課程內(nèi)容

1.光的粒子性

（1）光電效應：

定義：物體在光（從可見光到/射線）的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為光電效應，發(fā)射

出來的電子稱為光電子。

俄國物理學家斯托列夫在1888年用圖2所示的實驗裝置研究了光電效應的規(guī)律。

%.

r-EZS—I

---O----f

1---——I

￡

圖2光電效應實驗

圖中S是一個抽成真空的玻璃容器，容器中裝有陰極K（金屬板）和陽極A,C為石英小

窗。當光線透過石英小窗照射在陰極K上時，從電流計上可以看到有電流通過，這些被光照

射產(chǎn)生的光電子在電場作用下不斷由陰極K流向陽極A形成的電流稱為光電流。

（2）光電效應的基本規(guī)律

提問：任何金屬都會發(fā)生光電效應嗎？它遵守什么規(guī)律呢？從實驗中可歸納得出，光電

效應的基本規(guī)律是：

①對于每一種金屬，只有在高于某一頻率的光照射時，才能產(chǎn)生光電效應，這個頻率.

稱為該金屬的截止頻率，任何?種金屬都具有各自的截止頻率，比如鋅的截止頻率是8.065

xl（THz,用低于這個頻率的光照射鋅板，無論照射光多強，也無論照射時間多長，都不能

使它產(chǎn)生光電效應。書上用表格列出了幾種金屬的截止頻率和對應的波長。

幾種金屬的截止頻率和對應的波長

金屬艷鈣但粽ill

//Hz4.59X10"6.52X10"11.1X101412.IX10',15.1X10"

4/4m0.6540.4600.2710.2480.197

②入射光的頻率大于截止頻率匕）時，光電流的大小與入射光的強度成正比。

③光電子的初動能只與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強度無關(guān)。

④光電效應具有瞬時性，只要有大于截止頻率r的光照射到金屬上，光電子立即發(fā)射

出來，所需時間不到ICT-。

（3）光的晟子理論

光電效應的這些基本規(guī)律用經(jīng)典的電磁波理論無法得到解釋。按照電磁波理論，光的能

量應該由光的強度決定而與頻率無關(guān)，然而這和實驗結(jié)臭又不相符。波動理論還無法解釋光

電效應的瞬時性，按照波動理論，當一束很弱的光照射到金屬表面上以后，應該經(jīng)過一段時

間的能量積累才能有光電子從金屬中逸出，怎么可能瞬間就從金屬中逸出呢？

愛因斯坦正確解釋了光電效應的規(guī)律，提出了光的量子學說。他認為光是由大量以光速

運動的粒子組成的粒子流，這些粒子稱為光量子或光子，每個光子的能量石與它的頻率y成

正比，即

E=hv

式中〃是普朗克常量。

按照這個觀點，頻率為以的光的能量只能是/的整數(shù)倍，光子能量加，是這種光的能量

的最小單位，稱為光的能量的量子化。

例題1分別計算4=0.64m的紅光和4=0.1〃m的X光的光子能量。

解已知4=0.6〃m=6x10°m,=0.1nm=1()10m,則

8

￡=3xl0Hz=()5*1()i5Hz

,46x10-7

叭=-^=2^121HZ=3X1O,8HZ

24IO'10

紅光的光子能量為

E,=牝=(6.63xlO_34xO.5xlO,5)J=3.31xl0-'9J

X光的光子能量為

34I815

E2=hv2=(6.63X10-X3X10)J=I.99X10J

計算結(jié)果表明：X光光子比紅光光子的能量大得多,

光的量子理論能很好地解釋了光電效應，并說明了能量在輻射、傳播和吸收的過程中是

一份一份的、不連續(xù)的，每份的能量等于萬^,顯示了光的粒子性。光子就是這種一份一份

的分立的能量量子。

為了解釋光電效應，愛因斯坦還提出了一個公式：

1,

Av=W+—tnv^

式中Mz是入射光子能量，W是金屬的逸出功，，〃町2是光電子的初動能。

2

這就是著名的愛因斯坦方程，它定最地說明了發(fā)生光電效應時的能最關(guān)系。

例題2己知鈉的截止頻率為4.545xl()MHz,若波長為0.4〃m的光照射在艷上，

能否發(fā)生光電效應？為什么？如能發(fā)生，試求金屬鈉的逸出功和光電子的初速度。

解已知%=4.545X10UHZ,4=0.4〃m=4xl0-7m,則

C3x108-t1n14u

v=—=-----7Huz=7.5x10Hz

Z4xl(r7

所以可以發(fā)生光電效應。

金屬的逸出功與其截止頻率相對應。利用愛因斯坦方程，令初動能為零，則

-54,419

逸出功W=/?v0=(6.63xiox4.545X1O)J=3.01xl0J

光電子的初動能為

-niu2.=hv-W=

2°c

=6.63x1OMX7.5XIO14J-3.01X1019J

=1.96xl(r19J

已知電子質(zhì)量洲=9.1x1O-31kg,則

%=Jm/s=6.56x105m/s

光電子的初速度

2.光的波粒二象性

光的干涉、衍射現(xiàn)象充分說明了光是一種波，而光電效應又揭示了光的粒子性，那么光

究竟是波還是粒子?近代物理的理論和實驗研究表明，光既具有波動性，又具有粒子性。

①光子與實物粒子有著本質(zhì)的區(qū)別，比如光子始終以光速運動，而任何實物粒子的運動

都不可能達到光速。相對論證明，光子的靜止質(zhì)量為零，運動質(zhì)量為

Ehv

fn=-=—

cc

光子的能量E=與光波的頻率有關(guān)，說明光的波動性和粒子性有著緊密的聯(lián)系，無

論在什么情況下，光的波動性和粒子性都是始終存在的，它既具有波動性，又具有粒子性，

我們把這種現(xiàn)象稱為光的波粒二象性。

②光在傳播過程中，一般主要表現(xiàn)出波動性，但是當光與其他物質(zhì)相互作用時，粒子性

比較顯著。光的波粒二象性說明光既不是宏觀概念中的波(如機械波等)，也不是宏觀概念中

的微粒。光是由一系列具有波動性的、不連續(xù)的光子流所構(gòu)成的。

③一切實物粒子(電子、質(zhì)子、中子等)都具有波粒二象性。1924年，法國科學家德布

羅意不僅大膽地設想了一切微粒都具有二象性，而且給出了表征其粒子性與波動性相聯(lián)系的

能量片和動量p的關(guān)系式：

E=hv

h

P=—

2

式中方是普朗克常量。

后來建立起來的量子力學正是以波粒二象性的觀點作為其重要基礎(chǔ)。當然，人們對光的

本性的認識尚未完結(jié)，還有待于進一步的探索發(fā)現(xiàn)。

(=)小結(jié)

1.光電效應的實驗規(guī)律

(1)光電效應存在截止頻率，任何一種金屬都具有各自的截止頻率。入射光頻率低于截

止頻率時，無論光強多大，光照時間多長，都不能產(chǎn)生光電效應。

(2)光電流的大小與入射光強成正比。

(3)光電子的初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光強無關(guān)。

(4)光電效應具有瞬時性。

2.光電效應說明光具有粒子性。

3.光的波粒二象性

(1)光子與實物粒子有著本質(zhì)的區(qū)別，光既有波動性，又有粒子性，是由--系列具有波

動性的、不連續(xù)的光子流所構(gòu)成。

(2)光在傳播過程中，波動性比較顯著；在與物質(zhì)用互作用時，粒子性比較顯著。

(3)光具有波粒二象性。

(四)作業(yè)布置

P.1481、3、4、6題《技術(shù)物理練習冊》(第3版)相關(guān)習題

(五)教學中應注意的問題

L講述發(fā)生光電效應時，對截止頻率可多舉例，加深理解。

2.對于物質(zhì)性質(zhì)的多樣性可點到為止。

11-7激光及其應用光的能量

一、教學目標

1.了解激光產(chǎn)生的原理

2.了解激光的特性

3.知道激光的應用

4.了解光能的利用

二、教學重點、難點

重點：激光的特性及應用

難點：激光產(chǎn)生的原理

三、教學器材

多媒體教學課件

四、教學建議

教法建議：啟發(fā)交流、講授、多媒體演示

教學設計方案：

（一）引入新課

激光是一種新型的光源，“激光”這個詞對我們大家來說一點也不陌生。在口常生活中，

我們常常接觸到激光。

激光技術(shù)已在科研、工程、醫(yī)療等許多領(lǐng)域廣泛應月，我們通過本課學習，將會了解到

激光產(chǎn)生的原理、激光的特性、知道激光的應用及發(fā)展。

（二）課程內(nèi)容

1.激光及其應用

（1）激光產(chǎn)生的原理

激光也是一種光。它與普通光，如太陽光、燈光一樣，也是一種電磁波。但是激光產(chǎn)生

的方法與普通光不同，它是物質(zhì)“受激”而產(chǎn)生的光。：917年，愛因斯坦在統(tǒng)計平衡觀點

研究“黑體”輻射時，得到一條結(jié)論：“自然界有兩種不同的發(fā)光方式。一種叫自發(fā)輻射，

另一種叫受激輻射?！?/p>

各種各樣的人造光源，例如電燈、日光燈等都屬于自發(fā)輻射。各種自然現(xiàn)象所發(fā)射出來

的光，也都屬于自發(fā)輻射，自發(fā)輻射的光，其中包含各種顏色（頻率）的光，而且光的方向、

相位或者偏振態(tài)都各不相同。

激光則是原子受激輻射而發(fā)出的光，是一種新型的光源。它和普通光源的區(qū)別在于發(fā)光

的微觀機制不同，普通光源的發(fā)光是以自發(fā)輻射為主，激光的發(fā)光則是以受激輻射為主。各

個發(fā)光中心發(fā)出的光波都具有相同的頻率、方向、偏