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第十四章光学
一、光的直线传播

前提条件是在同一种介质,而且是均匀介质。否则,可能发生偏折。如光从空气斜射入水中(不是同一种介质);“海市蜃楼”现象(介质不均匀)。
当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时,将发生明显的衍射现象,光线将可能偏离原来的传播方向。
l
S
A
h
x
vt
解光的直线传播方面的计算题(包括日食、月食、本影、半影问题)关键是画好示意图,利用数学中的相似形等几何知识计算。
例1. 如图所示,在A点有一个小球,紧靠小球的左方有一个点光源S。现将小球从A点正对着竖直墙平抛出去,打到竖直墙之前,小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是

1
2

解:小球抛出后做平抛运动,时间t后水平位移是vt,竖直位移是h= gt2,根据相似形知识可以由比例求得,因此影子在墙上的运动是匀速运动。

光在真空中的转播速度为c=×108m/s。
⑴光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。
⑵近年来(1999-2001年)科学家们在极低的压强(10-9Pa)和极低的温度(10-9K)下,得到一种物质的凝聚态,光在其中的速度降低到17m/s,甚至停止运动。
⑶也有报道称在实验中测得的光速达到1011m/s,引起物理学界的争论。
二、反射平面镜成像

S
S /
M N
P Q
平面镜成的像是正立等大的虚像,像与物关于镜面为对称。

根据平面镜成像的特点,在作光路图时,可以先画像,后补光路图。

在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。(眼睛在某点A通过平面镜所能看到的范围和在A点放一个点光源,该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。)

A
M N
B
A/
B/
看到AB完整像的范围
例2 如图所示,画出人眼在S处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。
解:先根据对称性作出人眼的像点S /,再根据光路可逆,设想S处有一个点光源,它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。图中画出了两条边缘光线。
例3. 如图所示,用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到AB完整像的范围。
解:先根据对称性作出AB的像A/B/,分别作出A点、B点发出的光经平面镜反射后能射到的范围,再找到它们的公共区域(交集)。就是能看到完整像的范围。
三、折射与全反射

折射定律的各种表达形式: (θ1为入、折射角中的较大者。)
折射光路也是可逆的。

可见光中,红光的折射率n最小,频率ν最小,在同种介质中(除真空外)传播速度v最大,波长λ最大,从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大,以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小(注意区分偏折角和折射角)。
以上各种色光的性质比较在定性分析时非常重要,一定要牢记。

有关光的折射和全反射,在解题时要把计算和作图有机地结合起来,根据数据计算反射角、折射角,算一步画一步,画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果,力求准确。