红婵物理学霸笔记·第637篇 光学 光的折射 全反射 光的干

红婵物理学霸笔记·第637篇 光学 光的折射 全反射 光的干涉衍射偏振

（小说叙事：午后阳光穿过老旧木格窗，一道明亮光带斜斜落进农家小屋，灰尘在光束之中悠悠浮沉。红婵合上机械波厚厚的笔记，指尖轻轻摩挲书页上波形插图。前面弄懂机械波的集体振动，如今跨入光学的世界。光，既是波，又是粒子。桌上一杯清水，插入一把竹筷子，筷子看上去弯折错位，这便是折射最朴素的现象。

台灯光与窗外日光交织在一起，时空智者端坐桌边，目光望向窗缝泄进来的光束。）

智者缓缓开口：“自古以来人类便追逐光。光穿行于虚空，亦可在介质之中弯折、折返。一部分现象可以用波动解释，一部分行为要依靠粒子说明。光不是非此即彼，它兼具两面。先从几何光学入手，看清光线的行进，再走进光的波动本性。”

红婵提笔，在笔记页眉写下：几何光学研究光的传播轨迹；波动光学研究光作为电磁波的干涉、衍射、偏振。

第一部分 几何光学：光的反射与折射

一、光的直线传播

条件：同种均匀介质之中，光沿直线传播。

生活现象：影子、小孔成像、日食月食。

批注：介质不均匀，光线会发生弯曲。比如夏天路面热浪蒸腾，看见远处景物扭曲晃动，就是空气密度不均匀，光不再直线传播。

光速：

真空中光速 c=3\times10^8\mathrm{m/s}，宇宙当中的速度上限。

光在介质当中传播速度：\boldsymbol{v=\dfrac{c}{n}}

n为介质折射率。任何介质折射率n>1，所以介质之中光速一定小于真空光速。

二、光的反射定律

1.反射光线、入射光线、法线，三者共面；

2.反射光线、入射光线分居法线两侧；

3.反射角等于入射角。

注意：入射角、反射角，均是光线与法线夹角，不是和界面的夹角。做题极易搞混。

镜面反射：平行光入射，反射光依旧平行；

漫反射：粗糙表面，平行光入射，反射光射向四面八方。

⚠️漫反射同样严格遵守反射定律，不是反射定律的例外。

平面镜成像特点：

成等大、正立的虚像；物与像关于镜面对称；像和物到镜面距离相等。虚像：光线反向延长线交汇，并不是真实光线会聚，光屏承接不到。

三、光的折射定律（高考核心）

光从一种介质斜射入另一种介质，传播方向发生偏折，即为折射。垂直入射的时候，传播方向不偏转。

折射定律（斯涅尔定律）：

\boldsymbol{n_{1}\sin\theta_{1}=n_{2}\sin\theta_{2}}

\theta_1：入射角（入射光线与法线夹角）；\theta_2：折射角。

两种情景：

1.光从真空（空气，n≈1）射入介质：n\sin\theta_2=\sin\theta_1，光线向法线偏折，折射角小于入射角；

2.光从介质射入空气：远离法线，折射角大于入射角。

折射率n

绝对折射率：光从真空射入某介质。

\boldsymbol{n=\dfrac{\sin\theta_{入}}{\sin\theta_{折}}=\dfrac{c}{v}=\dfrac{\lambda_0}{\lambda}}

- c真空光速，v介质中光速；

- \lambda_0光在真空中波长，\lambda介质内部波长。

重要推论：

折射率越大，介质之中光速越小；同一种色光，进入折射率大的介质，波长变短，但是光的频率永远不变，频率由光源决定。

色散现象：复色光分解成单色光。太阳光通过三棱镜，散开七色光谱。

可见光由红到紫：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

红婵重点标记：

红光：折射率n最小，介质中光速最大，波长最长，频率最低；

紫光：折射率n最大，介质中光速最小，波长最短，频率最高。

三棱镜折射，紫光偏折程度最大，红光偏折最小。

智者哲思：“不同色彩，本质是频率的差异。同一片阳光，经过介质，便各自奔赴不同的方向。”

四、全反射（高频考点，选择实验大题均会出现）

1.发生全反射两个必要条件，两个必须同时满足

①光从光密介质射向光疏介质（n大→n小，例如水、玻璃射向空气）；

②入射角大于等于临界角C。

❌如果光从空气射入玻璃，永远不会发生全反射，很多同学此处判断失误。

临界角C计算公式：

\boldsymbol{\sin C=\dfrac{1}{n}}

n越大，临界角C越小，越容易发生全反射。紫光折射率大，同等条件紫光临界角更小。

2.全反射应用

①光导纤维（光纤）：内芯折射率大于外套，光在内芯与外套界面不断发生全反射，携带信号远距离传输。

做题要点：光纤传播依靠全反射，不是反射。

②海市蜃楼：空气层密度不同，发生全反射形成虚像；

③玻璃里面的气泡看上去格外明亮，就是光线在玻璃‑气泡界面发生全反射。

易错提醒：

临界角是光线刚好发生全反射的入射角；入射角小于临界角，同时存在反射光+折射光；入射角≥临界角，折射光完全消失，只剩下反射光。

五、实验：测定玻璃的折射率

实验原理：n=\dfrac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}

器材：玻璃砖、白纸、大头针、刻度尺、量角器。

操作步骤核心：

1.在白纸上画出界面，放上玻璃砖；

2.插两枚大头针确定入射光线；透过玻璃砖观察，再插另外两枚大头针，确定出射光线；

3.拿开玻璃砖，画出入射、折射光线，测量入射角折射角，计算折射率。

误差分析（红婵错题摘录）

1.玻璃砖平移，不影响测量结果；

2.如果玻璃砖界面画得比真实玻璃砖厚，测得折射角偏大，计算n偏小；

3.大头针距离尽量拉大，确定光线方向误差更小；

4.不要用玻璃砖的两个侧面当反射面。

第二部分 波动光学：光的干涉、衍射、偏振

光属于电磁波。可见光只是电磁波谱当中很小一段。电磁波不需要介质，可以在真空传播，这点和机械波有本质区别。

对比笔记批注：机械波必须依靠介质；电磁波（光）可以真空传播。

一、光的双缝干涉（托马斯·杨双缝干涉实验，证明光具有波动性）

✅光发生稳定干涉条件：两束光频率相同、振动方向相同、相位差恒定。

双缝干涉实验现象：光屏上出现明暗相间、等间距平行条纹。

条纹间距公式：

\boldsymbol{\Delta x=\dfrac{L}{d}\lambda}

\Delta x：相邻两条亮纹（暗纹）中心之间距离；

L：双缝到光屏距离；

d：两条狭缝之间间距；

\lambda入射光波长。

公式规律分析：

1.波长\lambda越长，条纹间距越宽。红光做实验，条纹比紫光稀疏；

2.加大双缝到光屏距离L，条纹间距变大；

3.增大双缝间距d，条纹变密集，间距变小。

亮纹、暗纹条件：

光程差\Delta s

- \Delta s=k\lambda\quad(k=0,1,2……) →亮纹；k=0是中央亮纹；

- \Delta s=(2k+1)\dfrac{\lambda}{2}\quad(k=0,1,2……) →暗纹。

用白光做双缝干涉：中央是白色亮纹，两侧出现彩色干涉条纹。不同色光波长不一样，条纹位置错开。

薄膜干涉

薄膜的前后两个表面分别反射两束光，两束光发生干涉。

例子：肥皂泡五彩斑斓、水面油膜彩色花纹、照相机镜头增透膜。

增透膜原理：薄膜厚度合适，让反射光发生相消干涉，减少反射，增强透射光。

注意：薄膜干涉看到彩色，不是色散，是薄膜干涉。

二、光的衍射

衍射：光绕过障碍物偏离直线传播路径。干涉、衍射都是波的固有特征。

明显衍射条件：障碍物、狭缝尺寸跟光的波长接近，或者比波长更小。可见光波长很短，日常很难看到明显衍射。

单缝衍射现象：

明暗相间条纹，中间亮纹又宽又亮，两侧条纹窄而且亮度快速衰减。

⚠️重点区分双缝干涉vs单缝衍射：

- 双缝干涉：条纹间距大致相等；

- 单缝衍射：中间宽，两边窄，亮度差距大。

圆孔衍射：出现泊松亮斑。圆盘遮挡光线，圆盘阴影中心出现一个小亮斑，曾经用来证实光的波动理论。

三、光的偏振

横波才会发生偏振现象；纵波不存在偏振。光能够发生偏振，直接证明光是横波。

自然光：太阳、灯泡发出的光，各个方向振动均匀；

偏振光：振动只沿某一个特定方向。

偏振片功能：只允许某一方向振动的光透过。

应用：

①偏振墨镜，削弱路面水面反射的眩光；

②3D电影，左右画面采用不同偏振方向，两只眼睛接收不同影像，形成立体视觉。

易错：透过偏振片看自然光，转动偏振片，亮度不会消失，只会减弱；看偏振光，转动偏振片，可以出现消光（完全变暗）。

四、光的色散汇总

1.三棱镜色散：折射导致，不同色光折射率不同；

2.薄膜干涉色散：肥皂泡油膜彩色；

3.白光双缝干涉：彩色干涉条纹。

五、光电效应初步（光的粒子性开篇）

前面干涉衍射偏振证明光的波动性；光电效应揭示光的粒子性。

光子说：光由一份一份不连续的光子组成。

光子能量：\boldsymbol{E=h\nu}

h普朗克常量；\nu光的频率。

频率越高，单个光子能量越大。紫光光子能量大于红光。

重要：光子能量只和频率有关，跟光强无关。光强代表光子数多少。

智者哲思：“光，既是波，亦是粒子。世间很多事物，本就不能用单一角度概括全部真相。”

本章高频易错点整理

1.❌入射角是光线和界面夹角。

✅入射角、折射角均为光线与法线夹角。

2.❌光从空气射入玻璃可以发生全反射。

✅全反射必须光密射向光疏，空气→玻璃不可能全反射。

3.❌双缝干涉条纹中间宽两边窄。

✅双缝干涉条纹等间距；单缝衍射才中间宽两侧窄。

4.❌机械波、光都一定需要介质传播。

✅光（电磁波）可真空传播；机械波离不开介质。

5.❌光进入介质，频率发生改变。

✅频率由光源决定，始终不变；速度、波长改变。

6.❌增透膜利用光的全反射。

✅增透膜依靠薄膜干涉相消。

7.❌偏振现象证明光是纵波。

✅偏振是横波独有现象，证明光是横波。

8.❌光子能量和光的亮度有关。

✅光子能量只看频率；亮度对应光子数目。

红婵放下笔，抬头望向窗外，阳光渐渐西斜。她在笔记末尾写下学习心得：

光学分为几何光学与波动光学两大块。几何光学抓折射定律、折射率、全反射，做题一定要分清法线和界面，牢记全反射双重条件。波动光学把光当作电磁波，对比机械波的干涉衍射来理解，但切记光不需要介质。双缝干涉的条纹间距公式是考试重中之重。光同时拥有波与粒子的性质，不要非黑即白。做题时分清现象归属：哪些属于折射色散，哪些是薄膜干涉，哪些是衍射，概念理清，选择题就不容易混淆。

纸上微光浮动，时空智者留下一行字迹：光行有迹，亦能迂回；一器两面，波粒同归。

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