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光学原理

课程大纲与学习目标课程大纲光的本质光的传播光的干涉与衍射光的偏振现代光学仪器光学成像原理光学在各领域的应用光学技术发展趋势学习目标理解光的本质和基本特性掌握光的传播规律了解光的干涉、衍射和偏振现象熟悉常用光学仪器的工作原理

什么是光光是什么光是一种电磁波，它具有波粒二象性。光波的频率决定了光的颜色，而光的能量取决于光子的能量。光的来源光来源于各种光源，例如太阳、灯泡、激光器等。不同光源的光谱特性有所不同。光的意义

光的基本特性1光的直线传播光在均匀介质中沿直线传播，这一特性被称为光的直线传播。2光的反射当光遇到不同的介质时，会发生反射现象，反射光线遵循反射定律。3光的折射当光从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象，折射光线遵循折射定律。光的色散

光的波动性光的干涉当两束光波相遇时，会产生干涉现象，形成明暗相间的条纹。光的衍射当光波遇到障碍物时，会发生衍射现象，光波会绕过障碍物传播。光的偏振光波的振动方向是随机的，但可以通过特殊装置使光波的振动方向变得有序，形成偏振光。

光的粒子性123光电效应光照射到金属表面会使电子发射出来，这就是光电效应。康普顿效应光子与电子碰撞时会发生能量和动量的交换，这就是康普顿效应。光子的概念光是由一个个称为光子的能量包组成的，光子的能量与光的频率成正比。

光的电磁波理论1麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组描述了电磁场的规律，并预测了电磁波的存在。2赫兹的实验赫兹通过实验证明了电磁波的存在，验证了麦克斯韦的理论。3电磁波谱电磁波谱包含了各种频率的电磁波，光只是电磁波谱中的一小部分。

光的传播方式直线传播光在均匀介质中沿直线传播，例如光线从太阳直射到地球。反射光遇到不同的介质时会发生反射，例如镜子反射光线。折射光从一种介质进入另一种介质时会发生折射，例如光线从空气进入水中。衍射光遇到障碍物时会发生衍射，例如光线通过狭缝时会发生衍射。

直线传播光源光线从光源发出。直线传播光线在均匀介质中沿直线传播。阴影不透明物体阻挡光线，形成阴影。

反射定律入射角入射光线与法线的夹角。1反射角反射光线与法线的夹角。2反射定律入射角等于反射角，入射光线、反射光线和法线在同一平面内。3

折射定律1折射角折射光线与法线的夹角。2入射角入射光线与法线的夹角。3折射定律入射角的正弦与折射角的正弦之比为一个常数，称为介质的折射率。

全反射现象1临界角当入射角大于临界角时，光线将全部反射回原介质。2全反射条件光线从光密介质进入光疏介质，入射角大于临界角。3全反射应用光纤通信、光学显微镜等领域都利用了全反射现象。

光的色散红光620-750纳米橙光590-620纳米黄光570-590纳米绿光500-570纳米青光490-500纳米蓝光450-490纳米紫光380-450纳米

棱镜实验1白光一束白光照射到棱镜上。2折射白光在棱镜中发生折射。3色散白光被分解成不同颜色的光。

光谱分析光谱仪器光谱仪器能够将光分解成不同波长的光。光谱分析图光谱分析图显示了不同波长的光的强度。

光的干涉现象杨氏双缝实验两束相干光通过两条狭缝，在屏幕上形成明暗相间的条纹。薄膜干涉薄膜表面反射的光波发生干涉，形成彩色条纹。

双缝干涉实验位置光强

薄膜干涉薄膜薄膜是指厚度远小于光波波长的薄层物质，例如肥皂泡。干涉条纹薄膜表面反射的光波发生干涉，形成彩色条纹。应用薄膜干涉现象被广泛应用于制造光学薄膜、防反射涂层等。

光的衍射单缝衍射光通过一个狭缝时会发生衍射，形成明暗相间的条纹。光栅衍射光通过多个平行狭缝时会发生衍射，形成更加清晰的明暗相间的条纹。

单缝衍射1光源一束光照射到单缝上。2衍射现象光线通过单缝后会发生衍射。3衍射条纹屏幕上出现明暗相间的条纹。

光栅衍射光栅光栅是由许多平行等间距的狭缝组成的。衍射条纹光栅衍射形成的条纹比单缝衍射的条纹更清晰，更明亮。应用光栅被广泛应用于光谱分析、测量波长等。

惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理是用来解释光波传播的原理。1波阵面每个波阵面上的点都可以看作一个新的波源。2波的传播新的波源发出的波会互相干涉，形成新的波阵面。3

光的偏振1偏振光光波的振动方向是线性的。2自然光光波的振动方向是随机的。3偏振片只允许特定方向振动的光线通过。

偏振片1偏振片结构偏振片是由许多细长的分子排列组成的。2偏振方向偏振片只允许与分子排列方向平行的光线通过。3应用偏振片被广泛应用于太阳镜、液晶显示器等领域。

光的偏振应用太阳镜过滤散射光液晶显示器控制光线偏振方向3D电影模拟立体视觉

光的极化1横波光是一种横波，其振动方向垂直于传播方向。2极化方向光波的振动方向称为极化方向。3偏振光极化方向一致的光称为偏振光。

现代光学仪器显微镜用于观察微小物体，能够放大微观世界。望远镜用于观察远处的物体，能够收集远处的光线。

显微镜原理物镜将物体放大，形成一个