support@learnn.today

第二章 光和眼

Lesson 2/11 | Study Time: 20 Min


2.1 光的直线传播




光的直线传播







光源























定义 描述
光源
- 能够发光的物体叫光源,例如:

① 自然光源:太阳。

② 人造光源:电灯。
光的传播
- 光在均匀介质中沿直线传播。

- 光在不同介质中的传播速度不同。
光速
- 真空中的光速:3 × 10⁸ m/s。

- 空气中的光速:近似为 3 × 10⁸ m/s。


光在不同介质中的传播速度






















介质 光速公式 速度关系
V水 = (3/4) × V真空 真空 > 水
玻璃 V玻璃 = (2/3) × V真空 真空 > 玻璃





光与声音传播速率的对比

























物理量 传播速率 是否需要介质 介质中的速度关系
- 在真空或空气中约 3 × 10⁸ m/s - 不需要介质 - 真空 > 空气 > 液态 > 固体
声音 - 在空气中约 340 m/s - 需要介质 - 固体 > 液态 > 气态





光线



















概念 描述
光线 - 光是沿直线传播的,可以用一条直线表示光的传播路线,并在直线上画箭头表示传播方向。
光的直线传播例证 - 影子:光遇到不透明物体时,在物体后方形成影子。
- 日食、月食、小孔成像。





光的特性



























特性 描述
物体发光与视觉形成 - 我们要看见物体,必须使物体表面产生光,并射入眼睛,才能形成影像。
发光体与非发光体 - 发光体:能自行发光的物体。
- 非发光体:不能自行发光,但能反射发光体的光线。
电影放映机现象 - 电影放映机将光线投射到荧幕,荧幕反射光线到眼睛,使荧幕看起来明亮,而荧幕前的空气却不亮。
光具有能量 - 光具有能量,能转换为其他形式的能量,如:
① 热能
② 电能
③ 化学能等。
















2.2 光的反射




光的反射







光的反射































概念 描述
光的反射 - 当光射到物体表面时,被反射回来的现象叫做光的反射。
入射点 (O) - 光线射到镜面上的点。
法线 (ON) - 通过入射点,垂直于镜面的一条直线。
入射角 (i) - 入射光线与法线的夹角。
反射角 (r) - 反射光线与法线的夹角。





光的反射定律



























定律内容 描述
同一平面 - 反射光线、入射光线与法线在同一平面内。
两侧分居 - 反射光线和入射光线分居法线两侧。
等角性 - 反射角等于入射角:r = i。
光路可逆 - 光的传播路径是可逆的。





镜面反射与漫反射


镜面反射



















特点 描述
定义 - 平行光线射到光滑镜面后,反射光线仍然是平行的。
观察效果 - 某一特定角度看是一片光亮,而其他角度看是一片漆黑。


漫反射























特点 描述
定义 - 平行光线射到凸凹不平的表面后,反射光线向不同方向传播。
观察效果 - 漫反射向各个方向反射光线,使我们从不同角度都能看到物体。
细节表现 - 不同角度观察时都能看到物体的细节。















2.3 平面镜成像




平面镜成像







平面镜成像的特点



























特点 描述
像与物体的距离相等 - 平面镜所成的像与物体到镜面的距离相等。
像与物体大小相同 - 平面镜成的像与物体的大小完全相同。
虚像 - 平面镜成的像是虚像,虚像不是实际光线的会聚,而是光线的延长线会聚形成的。
像与物体连线垂直镜面 - 像和物体的连线与镜面垂直。





平面镜成像作图方法



















方法 描述
根据光的反射定律作图 - 根据入射光线、反射光线与法线的关系,利用反射定律作出光路图。
利用平面镜成像特点作图 - 利用平面镜成像的特点(像与物体距离相等、像与物体大小相同、像是虚像等)简化光路图的绘制。





平面镜的应用























应用场景 描述
用来成像 - 利用平面镜成像的特点,常用于显示物体的虚像,如化妆镜。
改变光路 - 平面镜可用来改变光的传播方向,如光学仪器中的光路调整。
先改变光路再成像 - 通过组合光学系统,平面镜可以先改变光路,再利用其他元件成像。
















2.4 凹面镜和凸面镜




凹面镜和凸面镜







凹面镜























特点 描述
会聚光线 - 平行主轴的光经抛物面镜反射后会聚于一点,称为焦点。
会聚面镜 - 凹面镜具有会聚光线的功能,因此又称为会聚面镜。
成像性质
- 凹面镜可以形成以下成像:

① 放大的倒立实像。

② 缩小的倒立实像。

③ 放大的正立虚像。

④ 无法形成缩小的正立虚像。


凹面镜的应用



















应用场景 描述
汽车车前灯、手电筒灯头、探照灯 - 将光源置于抛物面镜的焦点上,使光线经反射后平行射出。
太阳炉 - 利用太阳光平行射至地面,经平面镜反射后射至凹面镜,再反射至凹面镜的焦点上集中热量。





凸面镜































特点 描述
发散光线 - 凸面镜具有发散光线的效果,因此又称为发散面镜。
成像性质
- 凸面镜形成的影像具有以下特点:

① 必为缩小的正立虚像。

② 可用于缩小影像以增加视野。
焦点性质 - 凸面镜的焦点为虚焦点,而凹面镜的焦点为实焦点。
成像对比 - 凸面镜的成像性质类似于凹透镜;凹面镜的成像性质类似于凸透镜。
定律对比 - 面镜应用的是反射定律;透镜应用的是折射定律。


凸面镜的应用



















应用场景 描述
道路转弯处的反光镜 - 用于扩大司机的视野,增加安全性。
汽车的后照镜 - 用于观察后方情况,形成缩小的正立虚像。





光速的变化































内容 描述
光速 - 光在真空中的速率为 3 × 10⁸ m/s。
不同介质中的光速 - 光在不同介质中的速率变化:真空 > 气体(空气) > 液体(水) > 固体(玻璃)。
折射现象 - 光从一种介质进入另一种介质时,由于速率改变,在界面处光线的传播方向会发生偏折,这种现象称为光的折射。
折射原因 - 光在不同介质中的速率不同,导致传播方向发生变化。
光年 - 光年是光在一年内传播的距离单位:1光年 = 9.64 × 10¹² km。














2.5 光的折射




光的折射







折射定律























内容 描述
同一平面 - 入射线、法线、折射线在同一平面上,且入射线与折射线分别位于法线的两侧。
从快到慢的介质 - 当光从速度快的介质传播至速度慢的介质时,折射线偏向法线,折射角小于入射角。
从慢到快的介质 - 当光从速度慢的介质传播至速度快的介质时,折射线偏离法线,折射角大于入射角。





光的行进路线


光在不同介质中传播时,由于速率的变化,会发生折射现象。



  • 快到慢:折射线靠近法线。

  • 慢到快:折射线远离法线。






折射的实例































实例 描述
筷子折断现象 - 插入水中的筷子,看起来像在水面处折成两截(向上折)。
铜板上浮现象 - 将铜板放在杯底,加满水后,铜板看起来似乎上浮。
海市蜃楼 - 由于空气密度不一致,光线折射形成的虚像现象,常见于海面或沙漠中。
火焰晃动现象 - 隔着火焰看物体,由于冷热空气密度不均匀,光线折射导致物体看起来晃动。
日出与日落时间变化 - 由于大气层对光的折射作用,日出比实际时间稍早,日落比实际时间稍晚。













2.6 凸透镜和凹透镜




凸透镜和凹透镜







透镜的基本概念



































术语 定义
透镜 - 至少有一个折射面是球面一部分的光学元件叫做透镜。
透镜分类 - 凸透镜:中间厚、边缘薄。
- 凹透镜:中间薄、边缘厚。
主光轴 - 通过两个球面球心的直线叫做透镜的主光轴。
光心 - 主光轴上有一个特殊点,通过它的光线传播方向不改变,这个点叫做透镜的光心。
焦点 - 平行于主光轴的光线通过凸透镜后会聚于一点,这点叫做凸透镜的焦点。
焦距 - 焦点到光心的距离叫焦距。





凸透镜的特点



















特点 描述
会聚作用 - 凸透镜对光线有会聚作用,因此也叫会聚透镜。
平行光线的变化 - 放在凸透镜焦点上的光源,经凸透镜后将变为平行光线。





凹透镜的特点



















特点 描述
发散作用 - 凹透镜对光线有发散作用,因此也叫发散透镜。
虚焦点 - 平行于主光轴的光线通过凹透镜发散后,其反向延长线的交点称为凹透镜的焦点,称为虚焦点,因为光线实际并未相交。





凸透镜的成像性质










































物体位置 成像位置 成像性质
物体在无穷远处 另一侧的焦点上 一点(实焦点)
物体在两倍焦距外 另一侧焦点与两倍焦距之间 倒立缩小实像
物体在两倍焦距上 另一侧两倍焦距上 倒立相等实像
物体在焦距与两倍焦距之间 另一侧两倍焦距之外 倒立放大实像
物体在焦距上 不成像
物体在焦点内 物体后方 正立放大虚像





凹透镜的成像性质



























物体位置 像的位置 成像性质
物在焦点外 焦点与镜面之间 缩小正立虚像,物与像在同一侧。
物在焦点上 焦点与镜面之间 缩小正立虚像,物与像在同一侧。
物在焦点与镜面之间 焦点与镜面之间 缩小正立虚像,物与像在同一侧。















全反射与彩虹的形成





全反射与彩虹的形成







全反射




全反射的条件



















条件 描述
光由光密介质进入光疏介质 - 光从光密介质(如水、玻璃)传播到光疏介质(如空气)时可能发生全反射。
入射角大于临界角 - 当入射角大于临界角时,光线不会进入光疏介质,而会完全反射回光密介质中。



全反射的应用



















应用场景 描述
光纤通讯 - 利用全反射原理,光信号在光纤中传播而不会散失,广泛应用于高速通讯技术。
仙女棒(光导棒) - 通过全反射将光集中导向特定方向,用于装饰或照明。





彩虹的形成




彩虹的原理























过程 描述
光的进入 - 太阳光从水滴的顶部射入,进入水滴后发生第一次折射。
光的反射 - 折射后的光在水滴内部发生一次反射。
光的射出 - 反射后的光从水滴中射出时,再次发生第二次折射,并分散成七彩光。



彩虹的特点






















颜色位置 仰角 描述
红光 仰角约 42° - 偏向角最小,位于彩虹的外侧。
紫光 仰角约 40° - 偏向角最大,位于彩虹的内侧。














2.8 物体的颜色




物体的颜色







光的颜色




光和颜色的关系



























现象 描述
光的色散现象 - 牛顿通过实验发现,阳光经过三棱镜会发生色散现象,分解成七种颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
色散的原因 - 各色光在真空中速率相等,皆为 3×10⁸ m/s。
- 在介质中速率不同,导致折射程度不同。
折射程度顺序 - 红光折射程度最小,紫光折射程度最大。
- 折射程度:红 < 橙 < 黄 < 绿 < 蓝 < 靛 < 紫。
光速与折射率 - 光速改变时,光的折射率不变。



光的三原色



























三原色 描述
红、绿、蓝 - 红、绿、蓝是光的三原色。
三原色混合 - 三种色光完全混合后会形成白光。
彩色电视的原理 - 彩色电视通过调整萤光幕上三原色发光体的亮度比例,呈现出各种颜色。
太阳光的组成 - 太阳光是由不同色光混合而成。





物体的颜色




透明物体的颜色



















类型 描述
无色透明物体 - 无色透明物体的颜色与透过的光线及光源颜色相同。
有色透明物体 - 有色透明物体会吸收自身颜色以外的光,只让与其颜色相同的光透过。



不透明物体的颜色





































光源与物体颜色 红色光 蓝色光 绿色光
白色物体 绿
红色物体
蓝色物体
绿色物体 绿


为什么叶子呈绿色?
因为叶子吸收了其他颜色的光,只反射绿色光。






红外线和紫外线




红外线























特点 描述
位置 - 红外线位于可见光之外,最靠近红色光。
特点 - 温度高,可用于保持食物温度。
应用 - 黑暗中观察:物体温度比周围高时,会发出更多红外线,可用红外线仪器探测。



紫外线























特点 描述
位置 - 紫外线位于可见光之外,最靠近紫色光。
特点 - 能量高,可用于杀菌消毒。
应用 - 健康作用:适量紫外线照射可使皮肤细胞产生维生素D,有助于骨骼和牙齿健康。
- 风险:过量照射可能导致晒伤,甚至引发皮肤癌。















2.7 放大镜、显微镜、照相机和门镜




放大镜、显微镜、照相机和门镜







放大镜























特点 描述
构造 - 使用凸透镜作为主要元件。
物体位置 - 物体置于焦点内。
成像特点 - 同侧放大、正立、虚像。





显微镜























特点 描述
构造 - 物镜与目镜皆为凸透镜。
- 反光镜一面为平面镜,另一面为凹面镜。
物镜和目镜的焦距 - 物镜焦距较短,目镜焦距较长。
光线路径
1. 反光镜聚光:光线穿过载物台上的光圈进入物镜。

2. 第一次折射:物镜形成放大、倒立的实像(位于目镜的焦点内)。

3. 第二次折射:目镜将实像进一步放大,最终形成放大、倒立的虚像。





照相机



























特点 描述
构造 - 镜头为凸透镜。
- 底片为成像位置。
成像方式 - 改变像距以调整成像。
成像特点 - 缩小、倒立的实像。
成像规律
1. 远处物体:像距较小。

2. 近处物体:像距较大。

3. 物体置于两倍焦距外:成像位于焦距与两倍焦距之间。





门镜



























特点 描述
构造 - 由凹透镜和凸透镜组成。
凹透镜作用 - 将景物成正立、缩小的虚像。
凸透镜作用 - 将虚像进一步放大。
成像特点 - 正立、虚像。















2.9 眼和视觉




眼和视觉







眼的构造与功能




眼的基本结构































部位 描述
- 是视觉器官,位于眼窝内,呈球状。
- 眼球外有三对眼肌,控制眼球上下、左右及斜方向的转动。
上下眼睑 - 保护眼睛,减少外界伤害。
结膜 - 眼睑内延伸出的薄膜,覆盖眼睛前部暴露在外界的部分。
泪腺 - 位于眼球外上方,分泌泪水。
泪水功能 - 润滑结膜、清洗尘埃、减少眼睑开闭时的摩擦。



眼球的部位及功能



































































部位 构造 功能
巩膜 - 眼球壁最外层,白色不透明。 - 保护眼球。
脉络膜 - 眼球壁中间层,含微血管及色素细胞。 - 供应养料予眼球。
视网膜 - 眼球壁最内层,含视觉细胞:
1. 锥状细胞:对强光及颜色敏感。
2. 杆状细胞:对黑白敏感。
- 感受光的刺激,形成物象。
眼角膜 - 巩膜与眼球前端鼓出部位的透明膜。 - 折射光线进入眼球内。
睫状肌 - 脉络膜于眼球前方两侧膨大突出的部位。 - 固定悬韧带,调节晶体形状。
虹膜 - 睫状肌前的小突起,颜色因种族不同(如黑、棕、蓝)。 - 控制瞳孔大小,调节光量进入。
瞳孔 - 虹膜中央的小孔。 - 调节光线进入眼球的量。
晶体 - 位于虹膜后方,透明有弹性,形状似双凸透镜。 - 调节焦点,使光线聚焦在视网膜上。
悬韧带 - 位于晶体两端。 - 拉牢晶体,协助调节晶体形状。
黄点 - 视神经上方视网膜上的凹陷点,含许多锥状细胞。 - 感光最敏感的部位。
盲点 - 视神经从视网膜出口处,不含视觉细胞。 - 无视觉产生。





视觉的形成


视觉的形成包括以下步骤:



  1. 光线通过眼角膜和晶体折射,最终聚焦于视网膜上。

  2. 光线在视网膜上形成倒立、缩小的实像。

  3. 信息通过视神经传递至大脑。

  4. 大脑处理信息,将倒立的物象纠正为直立的视觉。






远近调节
































观望远或近物 看远物时 看近物时
睫状肌 放松 收缩
悬韧带 拉紧 松弛
晶体 薄状 厚状
焦距 增长 缩短





光量调节






















环境变化 瞳孔反应 肌肉反应
光亮处至暗室 弱光下,瞳孔扩大以增加光线进入。 放射状肌收缩,环状肌松弛。
暗室至光亮处 强光下,瞳孔缩小以减少光线进入。 放射状肌松弛,环状肌收缩。

控制光量的结构:虹膜由环状肌和放射状肌组成,控制瞳孔的大小。















2.10 眼的缺陷与其矫正




眼的缺陷与其矫正







近视























特点 描述
表现 - 患者只能看清近物,看远物模糊。
成因
1. 眼角膜或晶体弧度过于弯曲。

2. 眼球前后径太长,导致光线在视网膜前聚成焦点。
矫正方式 - 配戴凹透镜:使光线向外略折射,焦点后移至视网膜上。





远视























特点 描述
表现 - 患者只能看清远物,看近物模糊。
成因
1. 眼角膜或晶体过扁。

2. 眼球前后径太短,导致光线在视网膜后聚成焦点。
矫正方式 - 配戴凸透镜:使光线向内略折射,焦点前移至视网膜上。





散光























特点 描述
表现 - 患者观察物体模糊,物象与物体的形状不同。
成因 - 眼角膜或晶体的凸面曲度不规则,导致平面光线和垂直光线无法在视网膜上聚成焦点。
矫正方式 - 配戴柱面透镜:使光线在视网膜上聚成焦点。





色盲



























特点 描述
表现 - 患者无法分辨某些颜色,或完全无法分辨颜色(仅能分辨明暗)。
成因 - 遗传病,由于视网膜上的锥细胞缺乏某些感光色素(红、蓝、绿)。
类型
1. 半色盲:如红、绿色盲,较为常见。

2. 全色盲:完全无法分辨颜色,仅能分辨明暗。
矫正方式 - 目前无有效矫正方法,但可通过特殊滤光眼镜辅助改善部分色觉问题。