《大学物理物理光学》课件

大学物理物理光学本课件介绍大学物理中物理光学相关内容物理光学是研究光的波动性和粒子性的学科，涵盖光的干涉、衍射、偏振等现象WD第一章绪论本课程将带领你进入光学领域，学习光的本质、传播规律以及应用本章将介绍光学的基本概念和发展历史，为后续课程打下基础我们将从光学的基本概念出发，逐步深入研究光的各种性质，揭示光的奥妙，并了解光学在现代科技中的广泛应用光学概述

1.1光学研究领域重要性光学是物理学的一个分支，主要研究光的性质、传播规律以及光光学在现代科技和日常生活中起着至关重要的作用，应用领域广的应用泛涵盖了光的产生、传播、调制、探测、以及光的与物质相互作用例如，光学仪器、光通信、光存储、激光技术、光伏发电等，都等方面离不开光学原理光的基本特性

1.2波粒二象性光谱光速偏振光既具有波动性又具有粒子光谱是将白光通过棱镜或光栅光在真空中传播的速度为每秒光是一种横波，其电场和磁场性，它可以像波一样发生干涉分解后，按波长排列得到的连约万公里，是宇宙中最快振动方向垂直于传播方向，可30和衍射，也可以像粒子一样以续光带，包含不同颜色的光的速度以通过偏振滤光片来改变光的光子的形式传播偏振方向光的传播

1.3光在介质中传播的速度与介质的折射率有关，折射率越高，光速越慢直线传播1光在均匀介质中沿直线传播反射2光遇到两种介质的分界面时，部分光会返回原来介质中折射3光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生改变衍射4光在传播过程中遇到障碍物或孔径时，会偏离直线传播的现象光的传播形式主要包括直线传播、反射、折射、衍射等了解这些传播形式对于理解光学现象至关重要第二章几何光学几何光学是光学的一个分支，它研究光在传播过程中的几何规律几何光学假设光线是直线传播的，并忽略光的波动性它主要研究光的反射和折射现象，并由此推导出透镜、棱镜等光学元件的成像规律反射和折射

2.1反射折射当光波遇到两种介质分界面时，一部当光波从一种介质进入另一种介质分光波返回到原介质中，这一现象叫时，传播方向发生改变，这一现象叫做光的反射做光的折射平面镜

2.2平面镜是光学中最基本的光学元件之一它是一种表面光滑平整的镜面，能使入射光线发生反射，形成虚像平面镜的反射规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平面镜的应用非常广泛，例如镜子、望远镜、潜望镜等球面镜

2.3球面镜是指反射面为球面的一部分的镜子，分为凸面镜和凹面镜两种凸面镜能使平行光线发散，凹面镜能使平行光线会聚于一点球面镜的成像规律可由几何光学方法推导得出，并可应用于望远镜、显微镜等光学仪器的设计透镜成像

2.4透镜类型透镜分为凸透镜和凹透镜，它们对光线有不同的折射作用成像规律凸透镜可以成倒立的实像或正立的虚像，而凹透镜只能成正立的虚像成像位置成像位置取决于物体的位置和透镜的焦距，并可通过透镜成像公式计算成像性质透镜成像的大小和性质也与物体的位置和透镜的焦距有关光学系统

2.5概述分类光学系统由多个光学元件组成，光学系统可以分为简单的和复杂例如透镜、反射镜和棱镜这些的简单的系统，例如放大镜和元件组合在一起，以改变光束的望远镜复杂的系统，例如显微方向、聚焦光束或改变光的偏镜和照相机振应用光学系统广泛应用于各个领域，包括科学研究、医疗保健、制造和娱乐第三章干涉干涉是波动现象的一种典型表现，也是光学的重要内容之一干涉现象是指两列或多列波叠加时，振幅在某些区域相互加强，在另一些区域相互减弱的现象干涉概述

3.1波的叠加相位差

1.

2.12当两列或多列波在空间中相遇干涉现象的关键在于叠加波的时，会发生叠加，从而形成新相位差，相位差决定了叠加后的波形的波的振幅和强度干涉条件干涉类型

3.

4.34两列波必须具有相同的频率和干涉可以分为两种类型相长偏振方向，并且相位差保持稳干涉和相消干涉定双缝干涉

3.2实验现象1当两束相干光波通过双缝后，在屏幕上会出现明暗相间的条纹干涉原理2两束相干光波在相遇区域互相叠加，由于波峰与波峰、波谷与波谷相遇时相互加强，而波峰与波谷相遇时相互抵消，形成明暗相间的干涉条纹条纹特征3干涉条纹的间距取决于光波波长和双缝间距双缝干涉是光的波动性的重要体现，是理解光的干涉现象的关键通过观察双缝干涉条纹，我们可以了解光的波长、双缝间距以及干涉条纹的间距之间的关系薄膜干涉

3.3薄膜干涉是光波在薄膜的两表面反射后，由薄膜可以是透明的固体，例如肥皂膜，也可薄膜干涉现象在生活中随处可见，例如肥皂于光程差而引起的干涉现象以是液体薄膜，例如油膜，甚至可以是气体泡、油膜上的彩色条纹等薄膜多波干涉

3.4多光束干涉光程差当多束光波叠加时，光波的振幅和相位发生改变，从而产生干涉现相邻光束之间的光程差决定了干涉条纹的形状和位置象干涉条件应用多光束干涉需要满足特定条件，例如光束必须具有相同的频率和偏多波干涉在光学仪器、精密测量和光学通信等领域有着广泛的应振方向用第四章衍射衍射是光波绕过障碍物传播的现象，是光波的波动性的一种表现形式衍射现象在自然界和科学技术中都有广泛的应用，例如，光穿过狭缝或小孔后会形成衍射图案，这是人们利用衍射原理制造光栅的基础衍射概述

4.1光的波动性惠更斯原理衍射是光波绕过障碍物或孔隙传播的现衍射现象可以由惠更斯原理解释，即波前象，是光波动性的重要体现上的每一点都可以看作新的子波源，这些子波相互叠加形成新的波前单缝衍射

4.2单缝衍射现象1当光束通过狭窄的单缝时，光波会发生衍射，导致光线不再沿直线传播，而是向两侧弯曲衍射图样2在衍射光束中，会形成明暗相间的衍射条纹，中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄变暗衍射公式3单缝衍射的现象可以用惠更斯原理和衍射公式解释，该公式可以用于计算衍射条纹的位置和强度圆孔衍射

4.3123衍射现象中心亮斑应用当光波通过圆孔时，会发生衍射，形成圆孔衍射的中心亮斑称为艾里斑艾里圆孔衍射在光学仪器中有着重要的应一系列明暗相间的圆环这与单缝衍射斑的大小与圆孔的直径和光的波长有用，例如望远镜、显微镜等通过控制类似，但由于圆孔的形状，衍射图样更关，直径越小，波长越长，艾里斑越圆孔的大小和形状，可以提高成像质加复杂大量，减少衍射带来的模糊现象光栅

4.4光栅衍射光栅衍射实验光栅是由大量等间距的平行狭缝组成的光学元件当光束通过光栅通过观察光栅衍射产生的条纹图案，可以测量光的波长、光栅的刻时，会发生衍射现象，形成一系列明暗相间的条纹线密度以及光源的特征第五章偏振偏振是光波的一种重要特性，它描述了光波电场振动方向的规律偏振光在许多领域都有着广泛的应用，例如偏光镜、液晶显示器和光纤通信等偏振概述

5.1电磁波的横波性质偏振光的定义12光是一种电磁波，其电场和磁偏振光是指电场振动方向只在场振动方向垂直于传播方向一个特定平面内的光非偏振光的特点3自然光是非偏振光，其电场振动方向随机分布在垂直于传播方向的各个平面内偏振光的产生

5.2偏振片1自然光通过偏振片，只允许振动方向与偏振片透光轴平行的光线通过反射2当光线以布儒斯特角入射到介质表面时，反射光为完全偏振光双折射3光线通过某些晶体时，会分成两个偏振方向相互垂直的偏振光散射4光线被微粒散射时，散射光偏振程度与散射角有关偏振光的产生是光学研究中的重要课题，也是光学应用的基础偏振光是指电磁波的振动方向相对传播方向具有一定规律的光通过不同的方法可以获得偏振光，例如偏振片，反射，双折射，散射偏振光的检测

5.3偏振片1偏振片可以阻挡特定方向振动的光波旋转偏振片2通过旋转偏振片，观察光的强度变化双折射晶体3利用双折射晶体的偏振特性，观察光束分裂偏振光的检测方法多种多样常见方法包括利用偏振片、旋转偏振片以及双折射晶体等通过观察光线通过偏振片后的变化，可以判断光波是否偏振，以及偏振方向偏振光的应用

5.4液晶显示三维电影

1.

2.12液晶显示器利用偏振光的特性，控制光线的通过与阻断，形电影利用偏振光，为左右眼提供不同的图像，形成立体3D成图像视觉效果太阳镜光纤通信

3.

4.34偏振太阳镜可以阻挡来自水平方向的反射光，减轻眩光，保偏振光在光纤中传输，提高了光纤通信的效率和可靠性护眼睛总结与展望本课程介绍了物理光学的基本概念和理论，包括光的波动性、干涉、衍射和偏振等现象物理光学在现代科学技术中有着广泛的应用，例如光学仪器、光通信、光存储和光学材料等领域。