《物理光现象思维导图》

一、光的本性

• A. 光的波粒二象性：
  • 波性：干涉、衍射、偏振等现象。
  • 粒子性：光电效应、康普顿效应等现象。
  • 波动性与粒子性的统一：光具有波粒二象性，在不同情况下表现出不同的性质。光子是光的能量和动量的基本单位。
• B. 光的传播：
  • 光是一种电磁波。
  • 光速：真空中的光速c≈3×10⁸m/s。
  • 不同介质中的光速：v = c/n (n为介质的折射率)。
  • 光的传播方向：直线传播（均匀介质中），发生反射、折射时方向改变。
• C. 光的能量：
  • 光子能量：E = hν = hc/λ (h为普朗克常量，ν为频率，λ为波长)。
  • 光强：单位时间内垂直通过单位面积的光能。

二、光的干涉

• A. 干涉条件：
  • 相干条件：两束光频率相同，相位差恒定。
  • 相干光源的获得：
    • 分波面法：利用同一波面的不同部分的光叠加，如双缝干涉、薄膜干涉。
    • 分振幅法：利用光波的振幅分成两束光叠加，如薄膜干涉。
• B. 双缝干涉：
  • 杨氏双缝干涉：利用两个小孔（或狭缝）作为相干光源。
  • 干涉条纹：明暗相间的条纹，中心为亮条纹。
  • 条纹间距：Δx = λL/d (λ为波长，L为双缝到屏的距离，d为双缝间距)。
  • 明纹条件：光程差Δr = kλ (k = 0, ±1, ±2, …)。
  • 暗纹条件：光程差Δr = (k + 1/2)λ (k = 0, ±1, ±2, …)。
• C. 薄膜干涉：
  • 光程差：光在薄膜上下表面反射的光程差与薄膜厚度和折射率有关。
  • 增透膜：利用薄膜干涉原理减少反射，增加透射。
  • 等厚干涉：同一条干涉条纹对应的薄膜厚度相同。
  • 干涉颜色：薄膜颜色与薄膜厚度和入射光波长有关。
  • 应用：光学仪器的镀膜、肥皂泡的彩色条纹等。
• D. 应用：
  • 精密测量：利用光的干涉进行精密测量。
  • 全息摄影：记录和再现物体的三维图像。

三、光的衍射

• A. 衍射条件：
  • 障碍物或孔的尺寸与波长相近或小于波长。
• B. 单缝衍射：
  • 衍射图像：中央亮纹最宽最亮，两侧明暗相间的条纹逐渐变窄变暗。
  • 暗纹条件：asinθ = kλ (a为单缝宽度，θ为衍射角，k = ±1, ±2, …)。
  • 中央明纹宽度：与单缝宽度成反比，与波长成正比。
• C. 圆孔衍射：
  • 艾里斑：衍射图像中心是一个亮斑（艾里斑），周围是明暗相间的光环。
  • 衍射极限：光学仪器的分辨率受到衍射的限制。
• D. 衍射光栅：
  • 光栅常数：相邻两条刻痕之间的距离d。
  • 光栅方程：dsinθ = kλ (θ为衍射角，k = 0, ±1, ±2, …，k为衍射级数)。
  • 光谱分析：利用衍射光栅将复色光分解成单色光。
  • 分辨率：区分相邻两条谱线的能力。
• E. 应用：
  • X射线衍射：研究晶体结构。
  • 全息照相：利用光的干涉和衍射记录和再现物体的三维图像。

四、光的偏振

• A. 偏振光：
  • 光矢量只在一个平面内振动的光。
  • 自然光：光矢量在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向均匀分布的光。
• B. 偏振的获得：
  • 选择吸收：利用偏振片。
  • 反射：反射光部分偏振，布儒斯特角时完全偏振。
  • 折射：双折射晶体。
  • 散射：散射光部分偏振。
• C. 偏振片：
  • 透振方向：偏振片允许光矢量通过的方向。
  • 马吕斯定律：I = I₀cos²θ (I₀为入射光强度，θ为入射光矢量与透振方向的夹角)。
• D. 应用：
  • 消除眩光：利用偏振镜减少反射光。
  • 应力分析：利用偏振光观察材料的应力分布。
  • 液晶显示：利用液晶的偏振特性控制光的透过率。
  • 立体电影：利用偏振光实现左右眼分别观看不同图像。

五、多普勒效应

• A. 定义： 由于波源和观察者之间的相对运动，使观察者接收到的波的频率发生变化的现象。
• B. 计算公式：
  • f' = f (v ± v₀) / (v ± vₛ)
    • f'：观察者接收到的频率。
    • f：波源发出的频率。
    • v：波在介质中的传播速度。
    • v₀：观察者的速度。（靠近时取正号，远离时取负号）
    • vₛ：波源的速度。（靠近时取负号，远离时取正号）
• C. 红移和蓝移：
  • 红移：观察到的光谱向波长较长的方向移动，表示星体正在远离我们。
  • 蓝移：观察到的光谱向波长较短的方向移动，表示星体正在靠近我们。
• D. 应用：
  • 雷达测速：测量车辆的速度。
  • 天文观测：研究星体的运动速度和距离。
  • 医学诊断：超声多普勒用于检测血流速度。

六、光与物质的相互作用

• A. 光电效应：
  • 光照射到金属表面，使电子逸出的现象。
  • 光电效应方程：Eₖ = hν - W₀ (Eₖ为最大初动能，hν为光子能量，W₀为逸出功)。
  • 截止电压：使光电流减小到零的电压。
  • 应用：光电管、光电倍增管等。
• B. 康普顿效应：
  • 光子与物质中的电子碰撞，光子的波长变长，频率降低的现象。
  • 证明了光具有粒子性。
• C. 激光：
  • 受激辐射：在高能级上的原子受到频率适宜的光子激发，跃迁到低能级，同时辐射出与激发光子相同的光子的过程。
  • 粒子数反转：高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。
  • 激光的特点：方向性好、亮度高、单色性好、相干性好。
  • 应用：激光测距、激光切割、激光通信、激光医疗等。

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