科学光学思维导图

一、光的本质

• A. 波粒二象性
  • 1. 波动性
       • a. 干涉
       • i. 杨氏双缝干涉
       • ii. 薄膜干涉
       • iii. 光程差
       • iv. 相干光
       • b. 衍射
       • i. 单缝衍射
       • ii. 圆孔衍射
       • iii. 衍射光栅
       • iv. 衍射角
       • c. 偏振
       • i. 横波特性
       • ii. 偏振片
       • iii. 自然光与偏振光
       • iv. 应用：液晶显示器、3D眼镜
       • d. 电磁波
       • i. 麦克斯韦方程组
       • ii. 电场与磁场相互垂直且与传播方向垂直
       • iii. 光速：c = 3 x 10^8 m/s
       • iv. 光谱：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线
  • 2. 粒子性
       • a. 光电效应
       • i. 爱因斯坦光电效应方程：E = hν - W
       • ii. 截止频率
       • iii. 遏止电压
       • iv. 光子
       • b. 康普顿效应
       • i. 光子与电子的碰撞
       • ii. 波长变化
       • iii. 能量与动量守恒
       • c. 黑体辐射
       • i. 普朗克量子化假设：E = nhν
       • ii. 能量是不连续的
       • d. 光子动量：p = h/λ
• B. 光的传播
  • 1. 直线传播
       • a. 均匀介质
       • b. 影子
       • c. 日食和月食
       • d. 小孔成像
  • 2. 光的反射
       • a. 反射定律：入射角 = 反射角
       • b. 镜面反射与漫反射
       • c. 平面镜成像
       • i. 虚像
       • ii. 等大
       • iii. 正立
       • iv. 像距等于物距
       • d. 球面镜
       • i. 凹面镜：会聚作用，应用于太阳灶
       • ii. 凸面镜：发散作用，应用于后视镜
  • 3. 光的折射
       • a. 折射定律：n1sinθ1 = n2sinθ2
       • b. 折射率：n = c/v
       • c. 光疏介质与光密介质
       • d. 全反射
       • i. 入射角大于临界角
       • ii. 光从光密介质射向光疏介质
       • iii. 光纤通信
       • iv. 临界角：sinC = 1/n

二、几何光学

• A. 透镜
  • 1. 凸透镜
       • a. 会聚作用
       • b. 成像规律
       • i. 物距大于2f：倒立、缩小、实像
       • ii. 物距等于2f：倒立、等大、实像
       • iii. 物距介于f和2f之间：倒立、放大、实像
       • iv. 物距小于f：正立、放大、虚像
       • c. 应用于照相机、投影仪、放大镜
  • 2. 凹透镜
       • a. 发散作用
       • b. 成正立、缩小、虚像
       • c. 应用于近视眼镜
  • 3. 焦距 (f) 与物距 (u)、像距 (v) 的关系：1/f = 1/u + 1/v
  • 4. 放大率：M = v/u
• B. 光学仪器
  • 1. 照相机
       • a. 凸透镜成像原理
       • b. 光圈
       • c. 快门
       • d. 调焦
  • 2. 投影仪
       • a. 凸透镜成像原理：物距介于f和2f之间
       • b. 屏幕成像：倒立、放大、实像
  • 3. 望远镜
       • a. 折射望远镜：物镜和目镜都是凸透镜
       • b. 反射望远镜：利用凹面镜会聚光线
       • c. 放大倍数
  • 4. 显微镜
       • a. 物镜和目镜都是凸透镜
       • b. 物镜成倒立、放大、实像
       • c. 目镜成正立、放大、虚像
       • d. 总放大倍数 = 物镜放大倍数 x 目镜放大倍数
  • 5. 眼睛
       • a. 晶状体：相当于凸透镜
       • b. 视网膜：成像的地方
       • c. 近视眼：晶状体太厚或眼球前后径太长，成像在视网膜前方，需要佩戴凹透镜矫正
       • d. 远视眼：晶状体太薄或眼球前后径太短，成像在视网膜后方，需要佩戴凸透镜矫正

三、波动光学

• A. 光的干涉 (见光的本质-波动性-干涉)
• B. 光的衍射 (见光的本质-波动性-衍射)
• C. 光的偏振 (见光的本质-波动性-偏振)
• D. 多普勒效应
  • 1. 光源和观察者之间存在相对运动
  • 2. 接近时频率增大，波长缩短（蓝移）
  • 3. 远离时频率减小，波长增长（红移）
  • 4. 应用：测速雷达、天文观测

四、量子光学

• A. 光电效应 (见光的本质-粒子性-光电效应)
• B. 康普顿效应 (见光的本质-粒子性-康普顿效应)
• C. 黑体辐射 (见光的本质-粒子性-黑体辐射)
• D. 激光
  • 1. 受激辐射
  • 2. 粒子数反转
  • 3. 光学谐振腔
  • 4. 相干性、单色性、方向性、高亮度
  • 5. 应用：激光切割、激光测距、激光医疗、激光通信

五、应用光学

• A. 光学仪器 (见几何光学-光学仪器)
• B. 光纤通信
  • 1. 全反射原理
  • 2. 信息传输容量大
  • 3. 抗干扰能力强
  • 4. 损耗低
• C. 全息术
  • 1. 记录物体的全部信息（振幅和相位）
  • 2. 三维成像
  • 3. 应用：防伪标识、艺术展示
• D. 液晶显示
  • 1. 液晶的光学特性：双折射、旋光性
  • 2. 偏振片
  • 3. 电场控制液晶的排列
• E. 太阳能利用
  • 1. 太阳能电池
  • 2. 光热转换
• F. 医学光学
  • 1. 内窥镜
  • 2. 光学相干断层扫描(OCT)
  • 3. 激光手术

六、颜色

• A. 颜色混合
  • 1. 加色法：红、绿、蓝（RGB）
  • 2. 减色法：青、品红、黄（CMY）
• B. 物体的颜色
  • 1. 反射光的颜色
  • 2. 透射光的颜色
• C. 色散
  • 1. 不同颜色的光折射率不同
  • 2. 棱镜色散
  • 3. 彩虹