单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,自然科学基础知识,主 编 王换成,自然科学基础知识主 编 王换成,第四单元光、热、声,Contents,光,1,热现象,2,声,音,3,第四单元光、热、声Contents光1热现象2声音3,【学习目标】,1理解光的反射现象和折射现象以及光学仪器,2了解光的波粒二象性,3掌握热传递规律，知道雨露霜雪的形成,4认识声音的产生和传播现象,【学习目标】1理解光的反射现象和折射现象以及光学仪器,模块一光,人类很早就开始了对光的观察研究，逐渐积累了丰富的知识，使光学成为自然科学中发展最早的分支之一。我国古代学者在光的研究上有过杰出的贡献。远在,2400多年前，我国的墨翟及其弟子就观察并记载了有关光的直线传播、影的形成、光的反射和面镜成像等现象，其光学成就收集在科学巨著墨经中；北宋的沈括在他的著作梦溪笔谈中详细记录了霓与虹、日食等现象。,今天，照相机已走进寻常百姓家，夜视仪、分光镜等许多现代光学设备也得到广泛的应用。激光技术的广泛应用，光导纤维通信的迅速普及，光电传感的崛起等，使光学又成为现代科学技术中最具有活力的前沿学科。,事实聚焦我国的光学研究,模块一光人类很早就开始了对光的观察研究，逐渐积累了丰富的知,课题一光的传播及常见光学仪器,一、光的反射,人光在反射时遵循如下规律：反射光线与入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角（图,4-1）。这个规律就是光的反射定律。,根据这个定律可以知道，如果光线逆原来的反射光线的方向射到反射面上，光就要逆原来的入射光线的方向射出。所以，在反射现象里，光路是可逆的（图4-2）。,有一些物体的表面，如镜面、高度抛光的金属表面、平静的水面，它们受到平行光的照射时，反射光也是平行的（图4-3（a），这种现象叫镜面反射。所以在镜面反射中，反射光线向着一个方向，其他方向上没有反射光线。,但大多数物体的表面都是粗糙的，不光滑的，即使受到平行光的照射，光也向各个方向反射。这种反射称为漫反射（图4-3（b）。借助于漫反射，我们才能从各个方向看到被照明的物体，把它与周围的物体区别开来。,课题一光的传播及常见光学仪器一、光的反射,图,4-1,图4-2,图4-3,（a）,（b）,图4-1图4-2图4-3（a）（b）,二、光的折射,当光从一种介质进入到另一种介质，如从空气进入玻璃中时，在两种介质的界面处，一部分光进入到另一种介质中去，并且改变了原来的传播方向，这种现象叫做光的折射（图4-4）。由于光的折射，在鱼缸中的鱼看起来要比实际浅一些。,入射光线与法线间的夹角i叫入射角，折射光线与法线之间的夹角叫折射角。,光的折射定律，也叫斯涅尔定律：,光从真空射入某种介质发生折射的时候，入射角i的正弦与折射角的正弦之比n叫做这种介质的折射率，即,二、光的折射当光从一种介质进入到另一种介质，如从空气进入玻,三、成像与透镜,1面镜成像,（,1）平面镜成像。,物体在平面镜里形成的像叫虚像，既不放大也不缩小，总是正立的，像和物体对镜面相互对称（图,4-5）。,（,2）球面镜成像。,凸面镜,对光线起发散作用。射到凸面镜上的平行光线经凸面镜反射后不能汇聚一点而是发散的（图,4-6）。,凹面镜,对光线起汇聚作用。把凹面镜对着太阳，太阳的平行光线被凹面镜反射后，就汇聚在一点,F，点F叫做凹面镜的焦点。（图4-7）。,2透镜,我们把两个侧面都磨成球面（或一面是球面，另一面是平面）的透明体叫做透镜（如图,4-8）。中央比边缘厚的透镜叫做凸透镜；边缘比中央厚的透镜叫做凹透镜。,平行于主轴的光线，经过透镜后汇聚于主轴上的一点，这个点叫做透镜的焦点。平行于主轴的光线经过凹透镜后被发散，这些发散光线向反向延长时也会交于一点，这个点叫做凹透镜的虚焦点。,三、成像与透镜1面镜成像,图,4-5,图4-6,图4-7,图4-8,图4-5图4-6图4-7图4-8,四、光导纤维,1全反射,当入射角增大到一定数值时，光线就会全部被反射。这时发生的现象称为光的全反射现象,(图4-9)。,折射角等于90时对应的入射角叫临界角，用i,c,表示。当光线从光密介质射到两种介质的界面上时，如果折射角等于或大于临界角，就会发生全反射现象。从反射到全反射的转变，是从量到质的转变，这个转折点就是临界角。,四、光导纤维1全反射,四、光导纤维,2光导纤维,光导纤维就是利用光的全反射原理传光、传像的。光导纤维是很细的玻璃丝，外表涂有另一种薄层。无论玻璃丝怎样弯曲，从一端射入的光都可以在其中发生多次全反射而到达玻璃丝的另一端。,我们通过下面的实验来说明光导纤维对光的传导作用。在不透光的暗盒里安装一个电灯作为光源，把一根弯曲的细玻璃棒（或有机玻璃棒）插进盒子里，让棒的一端面向灯光，玻璃棒的下端就有明亮的光传出来（图,4-10）。这是因为玻璃棒的上端射进棒内的光线，在棒的内壁多次发生全反射而沿着锯齿形的路线由棒的下端传出来的缘故（图4-11）。,图,4-10,图4-11,四、光导纤维2光导纤维图4-10图4-11,五、光学仪器,1显微镜,显微镜是由两组透镜组成的，每组透镜都相当于一个凸透镜。两组透镜装在一个金属制的镜筒里，对着物体的一组叫做物镜，对着眼睛的一组叫做目镜。物镜的焦距很短，目镜的焦距较长（图,4-12）。物镜的作用是得到物体的放大实像。所以物体AB跟物镜L的距离必须比物镜的焦距稍大些，即把物体放在物镜的焦点F,1,之外，目镜,L,的作用是把物体所成的像作为物体，得到它放大的虚像（图,4-13）。,图4-12,图4-13,五、光学仪器1显微镜图4-12图4-13,五、光学仪器,2望远镜,开普勒望远镜。,从图,4-14可以了解开普勒望远镜的原理。,反射望远镜。,反射望远镜是英国物理学家牛顿于,1668年发明的，他用一面很大的凹面镜代替物镜。从遥远的天体射来的平行光线，经凹面镜反射后，向焦点会聚。这些反射光线又被一面小平面镜反射汇聚成实像，所成实像再被侧面的目镜放大（图4-15）。,图4-14,图4-15,五、光学仪器2望远镜图4-14图4-15,课题二光的波粒二象性,一、波动说与微粒说,1光的微粒说,关于光的本性问题，牛顿在,1704年出版了光学一书，提出了光的微粒学说，牛顿认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间直线传播的微粒，这种看法被称为微粒说。牛顿用弹性小球撞击平面时发生反弹现象的类比，来解释光的反射现象。当光从空气进入透明介质时，由于介质对光微粒的吸引，使它们的速度发生变化，即造成光的折射。按照牛顿的微粒说，解释光的直进、影的形成、反射、折射十分方便，但一束光射到两种介质界面时，既有反射，又有折射，何种情况下反射？何种情况下折射？微粒说在解释时遇到很大的困难。,课题二光的波粒二象性一、波动说与微粒说,课题二光的波粒二象性,一、波动说与微粒说,2光的波动说,荷兰物理学家惠更斯在,1690年出版光论一书，从光与声的某些相似性出发，认为光是在“以太”介质中传播的球面纵波。“以太”是一种假想的弹性介质，充满整个宇宙空间，这就是惠更斯的波动说。这种学说认为光是某种振动，以波的形式在“以太”介质中传播。惠更斯成功地推导出了光的反射和折射定律。但是，“以太”这种连续弹性介质难以想象，给波动说本身造成了不可克服的困难。光的波动说在解释光的直进和影子的形成原因时也遇到困难。,可见，光的微粒说和波动说在解释光现象时，都各有成功的一面，但都不能圆满地解释当时的一切光现象。,直到19世纪初，人们发现了光的干涉、衍射，从而波动说得到很大发展。19世纪末，又发现了波动说不能解释的新现象光电效应，证实了光的粒子性。人们终于认识到了光具有波粒二象性。,课题二光的波粒二象性一、波动说与微粒说,二、光的波动性,1光的干涉,（,1）双缝干涉。干涉现象是波的特征之一。,当相干光在空中相遇时，光波产生了稳定的加强或减弱，并在相遇空间形成明暗相间条纹的现象叫做光的干涉。光的干涉现象证明了光具有波的特性。,（,2）薄膜干涉。用薄膜也可以观察到光的干涉现象。,竖立肥皂液薄膜，由于重力的作用，成了上薄下厚的楔形。酒精灯火焰的光照射到薄膜上时，从膜的前表面和后表面分别反射出来，形成两列波，这两列波的频率相同，所以能产生干涉。,二、光的波动性1光的干涉,二、光的波动性,2光的衍射,衍射也是波动的主要特征之一。在一定的条件下，我们也可以观察到明显的衍射现象。如图4-17所示让一束单色光源通过一个宽度可调的狭缝照到屏上。,光的衍射现象的研究表明：只有当狭缝、圆孔或障碍物的尺寸跟光的波长相接近时，甚至比光的波长还要小时，才能观察到明显的衍射现象。而在一般情况下，障碍物（或狭缝）的尺寸比光波的波长（范围为0.40.8 m）大得多，因此，衍射现象不明显，这时可认为光是沿直线传播的。,二、光的波动性2光的衍射,二、光的波动性,3光的电磁理论,1,9世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出了电磁场的理论，预言了电磁波的存在，并从理论上演绎出电磁波的传播速度与光速相同。在此基础上，麦克斯韦提出：光是一种电磁波。这就是光的电磁理论。,电磁波中，能引起人们视觉的部分称为可见光。在可见光以外还存在着看不见的红外线和紫外线。,红外线是英国物理学家赫歇尔于1800年发现的，他在研究可见光光谱中各种色光的热效应时，把灵敏温度计移至光谱的红光区外侧，结果发现温度计的温度升高。这说明那里存在着波长大于红光的、看不见的射线。后来这种射线就称为红外线。,紫外线是德国物理学家里特在1801年发现的。紫外线位于可见光光谱中紫光区以外的区域，波长比紫光更短。一切高温物体，如太阳、弧光灯等所发出的光都含有紫外线。,德国物理学家伦琴（18451923）在1895年发现了波长比紫外线还短的一种电磁波，称为X射线。此外，还有比X射线波长更短的电磁波，那就是放射性元素放出的射线。,二、光的波动性3光的电磁理论,三、光的粒子性,光电效应,在光（包括不可见光）的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出的电子叫做光电子。电子从金属表面溢出时，要克服原子核的引力做功（称为电子的逸出功），因此，电子必须具有一定的能量，这部分能量来自入射光。电子吸收了一定的光能后，就能从金属表面逸出，成为光电子。,通过实验，人们归纳出光电效应的规律为：,（,1）任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应。,（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率的增大而增大。,（3）入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s。,（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光强度成正比。,三、光的粒子性光电效应在光（包括不可见光）的照射下物体发,四、光的二象性,光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。,在光的双缝干涉实验中，在光屏处放上感光胶片，并设法减弱光子流的强度，直到使光子只能一个一个地通过狭缝。实验表明，如果曝光时间不太长，胶片上只出现一些无规则分布的小点。这些小点是光子打在感光胶片上形成的，表现出光的粒子性。,随着曝光时间的延长，胶片上点分布越来越有规则。如果曝光时间足够长，胶片上就出现规则的干涉条纹。可见光子通过双缝后落在某些条形区域内的可能性较大，这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域。这个现象表明，光具有波动性。,四、光的二象性光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性,模块二热现象,热是什么？千百年来，人们就在思索这个