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第七章 光的现象

Lesson 5/7 | Study Time: 18 Min


7.1 光在传播过程中有哪些特点?




光在传播过程中有哪些特点?







光的传播特点


光在传播过程中有以下几个主要特点:



  • 光沿直线传播

  • 光的速度极快

  • 光会形成影子






光沿直线传播


定义


光在均匀介质中以直线的方式传播。


证明



  • 小孔成像实验:当光通过一个小孔时,形成的影像是倒立的,证明了光是沿直线传播的。

  • 影子的形成:物体挡住光后,后面会形成影子,也说明光沿直线传播。


例子



  • 阳光从窗户射入房间,形成光柱。

  • 手电筒发出的光束是直线的。






光的速度极快


定义


光的速度是自然界中最快的速度,在真空中的传播速度为:


光速 c = 300,000 km/s 或 3 × 10⁸ m/s。


例子



  • 从地球到月球的光只需约 1.28 秒。

  • 闪电和雷声:闪电先看到,雷声后听到,因为光速比声速快得多。






光会形成影子


定义


当光被不透明物体挡住时,光无法穿过物体,后面形成黑暗的区域,称为影子。


影子的特点



  • 影子的大小:与光源、物体和屏幕之间的距离有关。

  • 影子的形状:与物体的形状一致。


例子



  • 阳光下站立时,地面上形成的影子。

  • 手影游戏:用手挡住光,形成不同形状的影子。






总结



























特点 定义 例子
光沿直线传播 光在均匀介质中以直线的方式传播。 小孔成像实验、手电筒光束。
光的速度极快 光在真空中的速度为 300,000 km/s。 闪电先看到,雷声后听到。
光会形成影子 当光被不透明物体挡住时,后面形成黑暗区域,称为影子。 阳光下的影子、手影游戏。





趣味知识























问题 答案
为什么影子会变长或变短? 因为光源的位置不同,影子的长度会随之变化。例如,早晨和傍晚影子长,中午影子短。
为什么光速是最快的? 因为光是电磁波,不需要介质传播,在真空中速度达到最大值 300,000 km/s。
影子的边缘为什么模糊? 因为光有一定的波动性,部分光会绕过物体边缘,形成半影区。





总结























类别 描述
光沿直线传播 通过小孔成像和影子的形成可以证明。
光速极快 真空中的光速为 300,000 km/s,是自然界最快的速度。
光形成影子 不透明物体挡住光后形成黑暗区域,影子的大小和形状与光源和物体位置有关。













7.2 光如何反射?




光如何反射?







光的反射定义


光的反射:当光线射到物体表面时,部分光会返回原介质,这种现象称为光的反射。






光的反射规律


光的反射现象遵循以下两个基本规律:


反射规律



  • 反射光线、入射光线和法线在同一平面内。

  • 反射角等于入射角:


    • 入射角 (i):入射光线与法线之间的夹角。

    • 反射角 (r):反射光线与法线之间的夹角。

    • 公式:i = r。



光路可逆性


光的传播路径是可逆的,即反射光线可以沿原路径返回。






光反射的组成要素































名称 定义
入射光线 射向反射面的光线。
反射光线 从反射面反射回去的光线。
法线 垂直于反射面的假想线。
入射角 (i) 入射光线与法线之间的夹角。
反射角 (r) 反射光线与法线之间的夹角。





光反射的类型


镜面反射


定义:光线射到光滑平整的表面(如平面镜)时,反射光线按照一定方向反射。



  • 特点:


    • 反射光线有规律,方向一致。

    • 反射面越光滑,镜面反射越明显。


  • 例子:


    • 平面镜成像。

    • 湖面倒影。



漫反射


定义:光线射到粗糙不平的表面(如墙壁)时,反射光线向各个方向散射。



  • 特点:


    • 反射光线无规律,方向不一致。

    • 即使表面粗糙,仍然遵循反射规律。


  • 例子:


    • 墙壁上的光反射。

    • 纸张表面的光反射。







镜面反射与漫反射
































对比项目 镜面反射 漫反射
反射面 光滑平整 粗糙不平
反射光线方向 有规律,方向一致 无规律,方向分散
是否遵循反射规律
例子 平面镜、湖面倒影 墙壁、纸张表面





光的反射实验


实验材料



  • 平面镜

  • 激光笔或手电筒

  • 白纸

  • 量角器


实验步骤



  1. 将平面镜放置在白纸上,并画出镜面的位置。

  2. 用激光笔照射平面镜,观察反射光线。

  3. 用量角器测量入射角和反射角。

  4. 比较入射角和反射角是否相等。


实验结论


入射角等于反射角,验证了反射规律。






生活中的光反射现象































现象 解释
镜子中的成像 镜面反射使我们可以清晰看到自己的倒影。
湖面倒影 平静的湖面产生镜面反射,形成美丽的景色。
房间内的光线分布 墙壁和天花板的漫反射使光线均匀分布。
汽车后视镜 利用镜面反射帮助司机观察后方情况。
电影屏幕 漫反射使得观众从不同角度都能看到清晰的画面。





光反射的趣味知识























问题 答案
为什么镜子中的字是反的? 因为镜子会使物体的左右方向发生翻转,这是一种镜面反射现象。
为什么纸张不会像镜子一样反射? 因为纸张表面粗糙,发生的是漫反射,而不是镜面反射。
为什么湖面反射的景物更清晰? 因为湖面平静时光滑,发生镜面反射,反射光线方向一致,成像清晰。





重点回顾



























类别 描述
光的反射定义 光射到物体表面返回原介质的现象。
反射规律 反射角等于入射角,光路可逆。
反射类型 镜面反射:光滑表面,反射光线方向一致。漫反射:粗糙表面,反射光线方向散射。
生活应用 镜子、湖面倒影、汽车后视镜、墙壁光线分布等。












7.3 平面镜和球面镜是什么?




平面镜和球面镜是什么?







平面镜


平面镜的定义















概念 解释
平面镜 表面光滑平整的镜子,能够反射光线并形成虚像。

平面镜的成像特点



























特点 解释
虚像 成像在镜子后方,实际光线并未到达该位置。
等大 像的大小与物体大小相同。
等距 像与镜子的距离等于物体与镜子的距离。
左右相反 像的左右方向与物体相反(镜像翻转)。

平面镜的用途























用途 具体例子
日常生活 梳妆镜、试衣镜。
科学实验 光的反射实验。
装饰用途 增加空间感,例如房间装饰镜。





球面镜


球面镜有两种类型:凹面镜和凸面镜。


凹面镜



























特点 解释
反射面 内表面为反射面。
光学特性 会聚光线,平行光线经过凹面镜反射后会聚于焦点。
成像特点 - 近距离:正立放大的虚像。
- 远距离:倒立缩小的实像。
常见用途 化妆镜(放大效果)、太阳灶(聚光加热)、望远镜中的反射镜。

凸面镜



























特点 解释
反射面 外表面为反射面。
光学特性 发散光线,平行光线经过凸面镜反射后向外发散。
成像特点 始终形成正立缩小的虚像。
常见用途 汽车后视镜(扩大视野)、路口安全镜(观察盲区)、商场防盗镜(监控)。





平面镜与球面镜











































对比项目 平面镜 凹面镜 凸面镜
反射面形状 平整的平面 球形内表面 球形外表面
成像特点 虚像,等大等距,左右相反 近距离:正立放大虚像
远距离:倒立缩小实像
始终为正立缩小的虚像
光学特性 光线反射后方向一致 会聚光线 发散光线
焦点位置 无焦点 焦点在镜子前方 焦点在镜子后方(虚焦点)
常见用途 梳妆镜、试衣镜、装饰镜 化妆镜、太阳灶、望远镜 汽车后视镜、路口安全镜、商场防盗镜





应用实例























镜子类型 应用场景
平面镜 梳妆镜、试衣镜、房间装饰。
凹面镜 化妆镜(放大效果)、太阳灶(聚光加热)、望远镜中的反射镜。
凸面镜 汽车后视镜(扩大视野)、路口安全镜(观察盲区)、商场防盗镜(监控)。





趣味知识



























问题 答案
为什么汽车后视镜用凸面镜? 因为凸面镜能扩大视野,帮助司机看到更多后方的情况。
为什么化妆镜用凹面镜? 因为凹面镜能放大物体,方便观察细节。
为什么平面镜中的像是左右相反? 因为光线反射后,像的左右方向发生了翻转。
为什么太阳灶用凹面镜? 因为凹面镜能汇聚阳光,将光能集中在一点,提高温度,方便加热或烧水。













7.4 光如何折射




光如何折射







什么是光的折射?















概念 解释
光的折射 当光从一种介质(如空气)进入另一种介质(如水或玻璃)时,光的传播方向会改变,这种现象称为光的折射。





光折射的原因



















折射原因 解释
光速变化 光在不同介质中的传播速度不同,导致光线发生弯折。例如:光在空气中的速度比在水中快。
介质密度 光从密度较低的介质进入密度较高的介质时会向法线方向偏折,反之则远离法线。





光折射的规律


折射定律



















规律 解释
第一条 入射光线、折射光线和法线在同一平面内。
第二条 光的折射角和入射角满足折射定律:n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂,其中 n 为介质的折射率。

折射现象的特点























情况 折射特点
从空气进入水或玻璃 光线靠近法线(折射角小于入射角)。
从水或玻璃进入空气 光线远离法线(折射角大于入射角)。
垂直入射(角度为 0°) 光线传播方向不改变(无折射)。





折射率



























概念 公式 解释
折射率 n = c / v n 为折射率,c 为光在真空中的速度,v 为光在介质中的速度。
高折射率 - 折射率较大(如玻璃),光在介质中传播速度较慢,折射角较小。
低折射率 - 折射率较小(如空气),光在介质中传播速度较快,折射角较大。





光折射的实验现象























实验现象 描述
铅笔弯折 将铅笔插入水中,从侧面看,铅笔看起来像是弯折的。这是因为光从水进入空气时发生了折射。
水池变浅 从上方看水池,水池看起来比实际深度浅。这是因为光线从水进入空气时发生了折射。
玻璃三棱镜 光通过三棱镜后会发生折射并改变方向。





光折射的应用



























应用领域 具体例子
光学仪器 显微镜、望远镜、眼镜等利用折射原理改变光线方向,放大或矫正视野。
日常生活 游泳时看到水下物体的位置与实际位置不同。
光纤通信 光纤利用折射和全反射传输光信号,实现高速数据传输。
自然现象 彩虹的形成是光在水滴中发生折射和色散的结果。





趣味知识























问题 答案
为什么水中的铅笔看起来是弯的? 因为光从水进入空气时发生了折射,使得铅笔的水下部分看起来位置被“抬高”了。
为什么池水看起来比实际浅? 因为光从水进入空气时发生折射,改变了光线的传播方向,导致水底看起来比实际位置高。
为什么彩虹会出现? 因为阳光进入水滴时发生了折射和色散,不同波长的光线以不同角度传播,形成了彩虹。













7.5 为什么光会有不同的颜色?




为什么光会有不同的颜色?







光的颜色是什么?















概念 解释
光的颜色 光的颜色是由不同波长的光组成的。光的波长决定了我们所看到的颜色,例如红光波长最长,紫光波长最短。





光的颜色来源


白光的组成















白光的本质 分解现象
白光实际上是由多种颜色的光混合而成的。通过三棱镜可以将白光分解为七种颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。 这种分解现象称为色散,是由于不同波长的光在介质中的折射角不同造成的。

不同颜色的波长















































颜色 波长范围(纳米) 特性
红光 620 - 750 nm 波长最长,能量最低。
橙光 590 - 620 nm 波长次长,接近红光。
黄光 570 - 590 nm 明亮的颜色,波长居中。
绿光 495 - 570 nm 人眼对绿光最敏感。
蓝光 450 - 495 nm 波长较短,能量较高。
靛光 425 - 450 nm 接近紫光,波长更短。
紫光 380 - 425 nm 波长最短,能量最高。





为什么光会有不同的颜色?


光的波长决定颜色



















原因 解释
波长不同 不同颜色的光具有不同的波长,波长的长短决定了光的颜色。
频率与能量 波长越短,光的频率越高,能量也越大。例如紫光的能量高于红光。

光的色散现象



















现象 解释
三棱镜分光 当白光通过三棱镜时,不同波长的光被折射的程度不同,从而分解为七种颜色。
彩虹的形成 雨后天空中的水滴像无数个小三棱镜,将阳光分解成彩虹的七种颜色。





光的颜色与物体颜色的关系



















物体的颜色 解释
反射的颜色 物体的颜色是它反射的光的颜色。例如,红色物体反射红光,吸收其他颜色的光。
透明物体的颜色 透明物体的颜色是它透过的光的颜色。例如,蓝色玻璃透过蓝光,吸收其他颜色的光。





光的颜色的应用



























应用领域 具体例子
光学仪器 三棱镜、分光仪等利用光的色散原理分解光线。
自然现象 彩虹的形成、晚霞的颜色变化等。
日常生活 电视屏幕、手机屏幕通过红、绿、蓝三基色的组合显示各种颜色。
艺术与设计 利用光的颜色原理设计灯光效果、舞台布景等。













7.5 为什么光会有不同的颜色?




为什么光会有不同的颜色?







光的颜色是什么?















概念 解释
光的颜色 光的颜色是由不同波长的光组成的。光的波长决定了我们所看到的颜色,例如红光波长最长,紫光波长最短。





光的颜色来源


白光的组成















白光的本质 分解现象
白光实际上是由多种颜色的光混合而成的。通过三棱镜可以将白光分解为七种颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。 这种分解现象称为色散,是由于不同波长的光在介质中的折射角不同造成的。

不同颜色的波长















































颜色 波长范围(纳米) 特性
红光 620 - 750 nm 波长最长,能量最低。
橙光 590 - 620 nm 波长次长,接近红光。
黄光 570 - 590 nm 明亮的颜色,波长居中。
绿光 495 - 570 nm 人眼对绿光最敏感。
蓝光 450 - 495 nm 波长较短,能量较高。
靛光 425 - 450 nm 接近紫光,波长更短。
紫光 380 - 425 nm 波长最短,能量最高。





为什么光会有不同的颜色?


光的波长决定颜色



















原因 解释
波长不同 不同颜色的光具有不同的波长,波长的长短决定了光的颜色。
频率与能量 波长越短,光的频率越高,能量也越大。例如紫光的能量高于红光。

光的色散现象



















现象 解释
三棱镜分光 当白光通过三棱镜时,不同波长的光被折射的程度不同,从而分解为七种颜色。
彩虹的形成 雨后天空中的水滴像无数个小三棱镜,将阳光分解成彩虹的七种颜色。





光的颜色与物体颜色的关系



















物体的颜色 解释
反射的颜色 物体的颜色是它反射的光的颜色。例如,红色物体反射红光,吸收其他颜色的光。
透明物体的颜色 透明物体的颜色是它透过的光的颜色。例如,蓝色玻璃透过蓝光,吸收其他颜色的光。





光的颜色的应用



























应用领域 具体例子
光学仪器 三棱镜、分光仪等利用光的色散原理分解光线。
自然现象 彩虹的形成、晚霞的颜色变化等。
日常生活 电视屏幕、手机屏幕通过红、绿、蓝三基色的组合显示各种颜色。
艺术与设计 利用光的颜色原理设计灯光效果、舞台布景等。