基礎(chǔ)物理(一)全 課本電子教案_第6章 波_6-2

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6-2光與電磁波

1一、光的微粒說與波動(dòng)說6-2光與電磁波

26-2光與電磁波牛頓認(rèn)為光是由一束高速直線運(yùn)動(dòng)的微小粒子所組成的，即是光的微粒說。光的微粒由發(fā)光體發(fā)出，可以穿透透明物質(zhì)，當(dāng)光微粒遇到非透明物體，會(huì)被物體表面反射、吸收。

36-2光與電磁波以光微粒與反射面的完全彈性碰撞，光的微粒說可以很直接而簡單地解釋光的反射現(xiàn)象。

46-2光與電磁波若以光通過空氣與玻璃的界面為例，微粒說這樣解釋：光微粒在界面受到玻璃質(zhì)點(diǎn)較強(qiáng)的引力吸引，而增加垂直方向的速度，所以光通過界面後會(huì)偏向界面的法線；可以上述動(dòng)畫模擬說明。空氣玻璃

5按照這個(gè)假設(shè)，光微粒在玻璃中的速度將大於在空氣中的速度，這與事實(shí)不符；但，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)尚無法驗(yàn)證這個(gè)論點(diǎn)。6-2光與電磁波

66-2光與電磁波十七世紀(jì)約與牛頓同時(shí)期，惠更斯則以波動(dòng)原理來解釋光的反射與折射現(xiàn)象，稱為光的「波動(dòng)說」。

76-2光與電磁波微粒說的主要挑戰(zhàn)者是楊氏（ThomasYoung，英國，1773～1829）的雙狹縫實(shí)驗(yàn)，他在1801年發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象，其雙狹縫實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性。

86-2光與電磁波1850年傅科（JeanFoucault，法國，1819～1868）首次測量光在水中的速度，發(fā)現(xiàn)水中的光速小於真空中的光速，即光在介質(zhì)中速度小於在空氣中速度。

9二、光的反射與折射6-2光與電磁波

10水面上產(chǎn)生倒影有如照鏡子，可看到水面上物體的影像，這是由於光入射到水面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象所致。6-2光與電磁波

11從圖片中可看到光的反射現(xiàn)象，那麼我們能夠知道一道光線如何反射嗎？6-2光與電磁波

12光的反射定律6-2光與電磁波入射線反射線法線入射線、反射線與法線在同一平面上，且入射線與反射線分別在法線的兩側(cè)；入射角反射角入射線與法線之夾角稱為入射角；反射線與法線之夾角稱為反射角。入射角等於反射角。

13由於入射角皆相等，根據(jù)反射定律可知，反射角也必都相等，故反射線互相平行，這種反射稱為單向反射。6-2光與電磁波當(dāng)平行光線射向平面鏡時(shí)，為什麼反射線會(huì)互相平行？iiirrr

14當(dāng)平行光線射向粗糙表面時(shí)，每一條光線的入射角皆不相等，因此反射光線會(huì)向不同的方向反射，這種現(xiàn)象稱為漫射。6-2光與電磁波當(dāng)平行光線射向粗糙表面時(shí)，為什麼看不到平行的反射線？i1i2i3r1r2r3

156-2光與電磁波動(dòng)畫－平行光入射粗糙表面的漫射現(xiàn)象

166-2光與電磁波動(dòng)畫－90度反射鏡

17但是，生活中大部分的物體表面並非光滑面，光線投射到這些表面時(shí)會(huì)發(fā)生漫射現(xiàn)象，使我們從不同方向都可以看見物體，例如直接看到藍(lán)天、遠(yuǎn)山與綠樹等美景。6-2光與電磁波光線入射光滑表面，會(huì)發(fā)生單向反射的現(xiàn)象，例如平靜的湖面可以映照出藍(lán)天、遠(yuǎn)山與綠樹等美景。

18從圖片中看到的是光線由一介質(zhì)透射入另一介質(zhì)，其傳播方向不沿原方向前進(jìn)，而有偏折的現(xiàn)象，這是光的折射現(xiàn)象。6-2光與電磁波

19由水面上方觀察可以見到筷子在水面上下的兩段不成直線，而呈現(xiàn)偏折狀。6-2光與電磁波把一支筷子斜置於一個(gè)空碗中，若在碗中加水，則加水後筷子會(huì)呈現(xiàn)什麼樣子？為什麼？如何解釋？

20這是因?yàn)樗嫦碌目曜臃瓷涑鰜淼墓饩€在離開水面時(shí)，因折射現(xiàn)象而偏折一個(gè)角度所導(dǎo)致的結(jié)果。6-2光與電磁波筷子在水中實(shí)際的位置眼睛所看到的筷子在水中的位置

216-2光與電磁波動(dòng)畫－筷子在水中的折射

226-2光與電磁波空氣水入射光折射光入射角折射角法線光線由空氣透射至水中時(shí)，折射光會(huì)偏向法線，折射角會(huì)小於入射角；空氣水入射光折射光折射角入射角法線當(dāng)光線由水中進(jìn)入空氣時(shí)，折射光會(huì)偏離法線，折射角會(huì)大於入射角。

236-2光與電磁波空氣水入射光折射光入射角折射角法線空氣水入射光折射光折射角入射角法線當(dāng)光線折射時(shí)，其傳播方向偏離原方向的角度，與介質(zhì)的光速有關(guān)；水中的光速較空氣中小，光線由光速較大的介質(zhì)透射至光速較小的介質(zhì)時(shí)，折射光會(huì)偏向法線，折射角會(huì)小於入射角；反之，則折射光會(huì)偏離法線，折射角會(huì)大於入射角；若光線沿法線方向垂直進(jìn)入另一種介質(zhì)，光的傳播方向不變。

246-2光與電磁波動(dòng)畫－光行經(jīng)空氣與水之界面的折射現(xiàn)象

256-2光與電磁波動(dòng)畫－光的折射

266-5例題????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????如圖所示，兩個(gè)並排而且深度相等的水池，一個(gè)裝水，另一個(gè)未裝水，在兩池的中央各豎立著一支長度相等而且比池深略長的標(biāo)桿，陽光斜照會(huì)將標(biāo)桿投影在池底。何者桿影較長？6-2光與電磁波

27??????????????????????????????????????????????????????????????解???????????????????????????????????????????????????????????掠過標(biāo)桿頂端的光線未被標(biāo)桿所阻擋，其照射池底的位置至標(biāo)桿底端的距離即桿影長度。由圖(b)可知光由空氣進(jìn)入水中，光速變小，於水面發(fā)生折射，折射線偏向法線，接近標(biāo)桿底端。比較圖(a)與圖(b)可知，無水的水池桿影較長。6-2光與電磁波

28三、光的干涉與繞射6-2光與電磁波

29想一想為什麼肥皂泡沫會(huì)產(chǎn)生美麗光彩的景象？地上常見的彩色圖案是什麼成因?6-2光與電磁波

30用肥皂洗手或吹泡泡時(shí)，常?？梢钥吹脚菽铣霈F(xiàn)美麗光彩的景像，這是一種光的干涉現(xiàn)象。6-2光與電磁波

31大美藍(lán)蝶的翅膀上有微細(xì)結(jié)構(gòu)，光線照在翅膀上產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，從不同角度觀察會(huì)有不同顏色。日常生活中一定看過光碟片在光線照耀下呈現(xiàn)七彩的光芒，也是微細(xì)結(jié)構(gòu)造成光的干涉。6-2光與電磁波

32，可以在其後的屏幕上看到明暗相間的干涉條紋。楊格雙狹縫干涉楊氏在1801年發(fā)現(xiàn)光的干涉，使用由單色光源所發(fā)出的光束6-2光與電磁波，入射兩相鄰的平行狹縫後

336-2光與電磁波當(dāng)光通過狹縫後可視為新的光源，像這樣可以繞過阻礙物而偏離原來行進(jìn)方向的現(xiàn)象，稱為光的繞射。光再通過兩狹縫後產(chǎn)生之波在空間中會(huì)互相干涉，而在屏幕上顯示的是依波的疊加原理所形成之二波重疊的合成波。暗紋是兩波在此相消，亮紋是兩波在此相長，這樣二波合成的現(xiàn)象稱為波的干涉，使之成暗紋的稱為破壞性干涉，成亮紋的稱為建設(shè)性干涉。

34動(dòng)畫－楊氏雙狹縫干涉實(shí)驗(yàn)示意圖6-2光與電磁波

35影片－雙狹縫干涉6-2光與電磁波

36要解釋這個(gè)現(xiàn)象，一定要視光為波，當(dāng)光通過狹縫處時(shí)，產(chǎn)生波的繞射現(xiàn)象，稱為光的繞射現(xiàn)象。6-2光與電磁波

376-6例題????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????附圖為紅光經(jīng)雙狹縫S1、S2干涉後之條紋，P點(diǎn)為亮紋上的一點(diǎn)，Q為暗紋上的一點(diǎn)。則下列敘述何者正確？（多選）(A)當(dāng)S1之光波波峰到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，S2之光波波峰亦同時(shí)到達(dá)P點(diǎn)。(B)當(dāng)S1之光波波谷到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，S2之光波波谷亦同時(shí)到達(dá)P點(diǎn)。(C)當(dāng)S1之光波波峰到達(dá)Q點(diǎn)時(shí)，S2之光波波谷亦同時(shí)到達(dá)Q點(diǎn)。(D)當(dāng)S1之光波波谷到達(dá)Q點(diǎn)時(shí)，S2之光波波峰亦同時(shí)到達(dá)Q點(diǎn)。(E)P點(diǎn)之合成光波一直為波峰狀態(tài)，Q點(diǎn)之合成光波一直為波谷狀態(tài)。6-2光與電磁波

38??????????????????????????????????????????????????????????????解???????????????????????????????????????????????????????????(A)(B)P點(diǎn)為亮紋上的一點(diǎn)，故S1之波峰到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，S2之波峰亦同時(shí)到達(dá)P點(diǎn)；當(dāng)S1之波谷到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，S2之波谷亦同時(shí)到達(dá)P點(diǎn)，故P點(diǎn)之合成光波振幅為原光波振幅之2倍。(C)(D)Q點(diǎn)為暗紋上的一點(diǎn)，故S1之波峰到達(dá)Q點(diǎn)時(shí)，S2之波谷亦同時(shí)到達(dá)Q點(diǎn)；當(dāng)S1之波谷到達(dá)Q點(diǎn)時(shí)，S2之波峰亦同時(shí)到達(dá)Q點(diǎn)，故Q點(diǎn)之合成光波振幅為零。(E)P點(diǎn)之合成光波為振盪狀態(tài)，時(shí)而波峰時(shí)而波谷，振幅為原光波振輻的2倍；Q點(diǎn)之合成光波振幅為零，一直處於「平靜無波」的狀態(tài)。故(A)(B)(C)(D)選項(xiàng)正確，(E)選項(xiàng)錯(cuò)誤。6-2光與電磁波

39四、電磁波6-2光與電磁波

40馬克士威建立了電磁場的數(shù)學(xué)理論，從他的方程式預(yù)測了電磁波的存在，而且計(jì)算出電磁波的速度即為光速，科學(xué)家因此認(rèn)知光即是電磁波。馬克士威的理論對(duì)於當(dāng)時(shí)仍然是分開的光學(xué)與電磁學(xué)，是一項(xiàng)成功的融合。6-2光與電磁波

41當(dāng)帶電粒子振盪或是加速時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生電磁波，電磁波是由不斷變動(dòng)的電場與磁場交互感應(yīng)而產(chǎn)生；電磁波傳播時(shí)，變動(dòng)的電場、磁場與波的傳播方向三者相互垂直，由於場的振盪方向與波的傳播方向垂直，是一種橫波。6-2光與電磁波

42把電磁波按照頻率的大小或是波長的長短排列，稱為電磁波譜。電磁波譜6-2光與電磁波

43從上圖中，可見生活中的那幾種電磁波？6-2光與電磁波

44無線電波（0.1m~10km）無線電波廣泛地應(yīng)用於無線電通訊、無線電廣播與電視廣播中，深入日常生活中的應(yīng)用。圖片來源：http://www.5bcl.com/Article/Class11/200806/2500.html6-2光與電磁波

45微波（10-4~0.3m）易被水分子吸收而使水分子溫度上升，可用以加熱食物。行動(dòng)電話是應(yīng)用微波來作通訊用，微波也可應(yīng)用到衛(wèi)星通訊與雷達(dá)定位上。6-2光與電磁波

46紅外光（7×10-7~10-3m）物體會(huì)因熱效應(yīng)產(chǎn)生紅外光，可應(yīng)用到氣象預(yù)測或是夜間偵查。6-2光與電磁波

47從上圖中，可見生活中的那幾種電磁波？6-2光與電磁波

48圖片來源：http://climate.met.psu.edu/www_prod/data/frost/images/rainbow.jpg可見光（400~700nm）紫光波長最短，紅光波長最長。6-2光與電磁波

49紫外光（10nm~400nm）太陽發(fā)出的紫外光大部分會(huì)被大氣中的臭氧吸收，而紫外光有助於皮膚製造維生素D，但過量有害於身體。另外紫外光可用來殺菌。6-2光與電磁波

50X射線（0.01~1nm）由侖琴發(fā)現(xiàn)，對(duì)身體不同組織有不同穿透力，可用來拍攝身體內(nèi)部。γ射線（<0.01nm）由放射性物質(zhì)發(fā)出，可用來消滅癌細(xì)胞。6-2光與電磁波

516-7例題????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????在室溫時(shí)，於伸手不見五指的暗室中置一縫衣針，我們看不見它。因?yàn)槭覝叵碌奈矬w並不自行發(fā)出可見光，但卻可發(fā)出肉眼看不見、波長較紅光更長的紅外線。若以火焰加熱縫衣針，每隔一段時(shí)間取出來觀察。隨著溫度的升高，可見縫衣針自行發(fā)出暗紅色光、繼而發(fā)出亮紅色光，在非常高溫時(shí)，發(fā)出耀眼的藍(lán)白色光。故溫度愈高時(shí)，物體所發(fā)出的電磁波在電磁波譜的位置向短波長的方向移動(dòng)（即顏色由紅至藍(lán)）。耳溫槍或額溫槍的原理即為捕捉人體發(fā)出之紅外線，由波長判斷體溫是否正常。試問人發(fā)燒時(shí)接收到的紅外線波長相較於正常體溫時(shí)有何變化？6-2光與電磁波

52??????????????????????????????????????????????????????????????解???????????????????????????????????????????????????????????類似縫衣針被加熱，人發(fā)燒時(shí)溫度上升，發(fā)出的電磁波（事實(shí)上是紅外線）亦向短波長的方向移動(dòng)，波長較正常體溫時(shí)略短。6-2光與電磁波

53THEEND6-2光與電磁波