經(jīng)典物理學(xué)-光學(xué)

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1、電磁波譜 現(xiàn)代物理學(xué)所認(rèn)識到的電磁波按波長順序排列成譜，就形成了電磁波譜： 1.無線電波 通信、雷達、無線電導(dǎo)航、微波能加熱領(lǐng)域. 長波（波長3000米以上） 短波（波長10米到50米） 中波（波長200米到3000米） 微波（波長1毫米到1米） 用于無線電廣播、電視和電報通訊等領(lǐng)域 2.紅外線（波長760納米到十分之幾毫米） 紅外線主要是由熾熱物體所輻射,故也稱為熱輻射。其熱效應(yīng)顯著,因此被廣泛應(yīng)用于加熱,烘烤,理療等領(lǐng)域.此外,由于發(fā)熱的物體都輻射一定量的紅外線,因此還在病理檢查,航天及軍事方面有廣泛的用途. 3.可見光（波長390納米到760納

2、米之間） 可見光在整個電磁波譜中只占很狹窄的頻帶領(lǐng)域,按照頻率的增加,光的顏色依次從紅到紫. 4.紫外線（波長范圍5到400個納米之間） 波長比可見光略短的是紫外線, 熾熱物體溫度很高時就會輻射紫外線. 短波紫外線：（波長200nm－280nm）。在經(jīng)過地球表面同溫層時被臭氧層吸收，不能達到地球表面，對人體產(chǎn)生重要作用（如：皮膚癌患者增加）。 中波紫外線：（波長280nm－320nm).中波紫外線的極大部分被皮膚表皮吸收，不能滲入皮膚內(nèi)部.對皮膚可產(chǎn)生強烈的光損傷，被照射部位真皮血管擴張，皮膚紅腫、水泡等癥狀。長久照射皮膚會出現(xiàn)紅斑、炎癥、皮膚老化，嚴(yán)重者可引起皮膚癌。中

3、波紫外線又被稱作紫外線的曬傷（紅）段，是應(yīng)重點預(yù)防的紫外線波段。 4.紫外線（波長范圍5到400個納米之間） 波長比可見光略短的是紫外線, 熾熱物體溫度很高時就會輻射紫外線. 長波紫外線：(波長320nm－400nm）。長波紫外線對衣物和人體皮膚的穿透性遠(yuǎn)比中波紫外線要強，可達到真皮深處，并可對表皮部位的黑色素起作用，從而引起皮膚黑色素沉著，使皮膚變黑，起到了防御紫外線，保護皮膚的作用。因而長波紫外線也被稱做“曬黑段”。長波紫外線雖不會引起皮膚急性炎癥，但對皮膚的作用緩慢，可長期積累，是導(dǎo)致皮膚老化和嚴(yán)重?fù)p害的原因之一。（曬黑、老化） 防止紫外線照射給人體造成的皮膚傷害，主要是防

4、止中波紫外線的照射；而防止長波紫外線，則是為了避免皮膚曬黑。 4.紫外線（波長范圍5到400個納米之間） 波長比可見光略短的是紫外線, 熾熱物體溫度很高時就會輻射紫外線. 紫外線的特點 （1）缺點：A使皮膚老化產(chǎn)生皺紋 B產(chǎn)生斑點 C造成皮膚炎 D造成皮膚癌 （2）優(yōu)點：A消毒殺菌 B促進骨骼發(fā)育 C對血色有益 D偶爾可以治療某些皮膚病 波長200～290nm的紫外線能穿透細(xì)菌、病毒的細(xì)胞膜，給核酸（DNA）以損傷，使細(xì)胞失去繁殖能力，達到快速殺菌的效果。 5.X射線 X射線由高

5、速電子流轟擊金屬靶得到,也可以由較種的原子內(nèi)層電子的躍遷產(chǎn)生.波長范圍在10到0.001納米之間.它的波長與紫外線和γ射線均有重疊。 X射線能量非常高,具有很強的穿透力，可以穿透生物體和金屬。醫(yī)學(xué)上常用作透視檢查，工業(yè)中用來探傷。長期受X射線輻射對人體有傷害 。X射線可激發(fā)熒光、使氣體電離、使感光乳膠感光，故X射線可用電離計、閃爍計數(shù)器和感光乳膠片等檢測。晶體的點陣結(jié)構(gòu)對X射線可產(chǎn)生顯著的衍射作用，X射線衍射法已成為研究晶體結(jié)構(gòu)、形貌和各種缺陷的重要手段。 6.γ射線 波長小于0.1納米的電磁波稱為γ射線.由于其波長極短，在所有的電磁波中，它的能量、穿透能力和殺傷力均居首位

6、。它可由放射性元素自發(fā)產(chǎn)生，也可在粒子加速器中產(chǎn)生。被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、生物、冶金、科研等領(lǐng)域。 與其他核武器相比，γ射線的威力主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是γ射線的能量大。高能量的γ射線對人體的破壞作用相當(dāng)大，當(dāng)人體受到γ射線的輻射劑量達到一定量時，死亡的概率幾乎為100％。 二是γ射線的穿透本領(lǐng)極強。γ射線是一種殺人武器，它比中子彈的威力大得多。中子彈是以中子流作為攻擊的手段，但是中子的產(chǎn)額較少，只占核爆炸放出能量的很小一部分，所以殺傷范圍只有500－700米。γ射線的殺傷范圍為方圓100萬平方公里。 光的研究領(lǐng)域 一、幾何光學(xué)——以光的直線傳播為基礎(chǔ)研究光在透明介質(zhì)中

7、的傳播規(guī)律。 二、波動光學(xué)——以光的波動性為基礎(chǔ)研究光在傳播過程發(fā)生的現(xiàn)象。 三、量子光學(xué)——以光的量子性為基礎(chǔ)研究光與物質(zhì)的相互作用。 一. 幾何光學(xué) 1。光的直線傳播理論 古代關(guān)于光學(xué)現(xiàn)象的知識記載主要有： （1）《墨經(jīng)》在兩千多年前關(guān)于針孔成像的描述中國北宋時期沈括在《夢溪筆談》記載有“小孔成像”現(xiàn)象； （2）古希臘在公元前300年研究光的直線傳播和光的反射現(xiàn)象。 （3）開普勒寫過《折光學(xué)》一書，記載了光的折射實驗。 費馬光程極值定理 光線在兩點間的實際路徑是使所需的傳播時間為極值的路徑。在大部分情況下，此極值為最小值，但有時為最大值，有時為恒定值。

8、支持學(xué)說——光的微粒說 17世紀(jì)70年代，牛頓在對光的折射和色散的研究基礎(chǔ)上，基于光線的直線傳播的性質(zhì)，提出了光的微粒說，他認(rèn)為： 光是發(fā)光體所射出的一群微小的粒子，它們一個接一個地迅速射出來，以直線進行，人們感覺不到相繼兩個粒子之間的時間間隔。 二、波動光學(xué)——物理光學(xué) A.光是一種波動 惠更斯認(rèn)為:光是發(fā)光體中的微小粒子的振動在彌漫于宇宙空間的完全彈性介質(zhì)(以太)中的傳播過程. 縱波：傳播方向與振動方向一致的波； 橫波：傳播方向與振動方向垂直的波． 聲波是縱波，光是橫波． 二、波動光學(xué)——物理光學(xué) 電 磁 波 振動方向與傳播方向垂直 ——

9、橫波 振動方向與傳播方向平行 —— 縱波 比如：聲波 隨波長λ變化，光的顏色不同 ! 例： 紅光λ≈ 6300 ? ＝ 6.3×10-7 m 綠光λ≈ 5500 ? ＝ 5.5×10-7 m 波長=光速/頻率 惠更斯原理：光振動所達到的每一點都可視為子波的振動中心，子波的包絡(luò)面為傳播著的波的波陣面。 a．光的干涉(相干原理) 相干條件： (1) 兩光波頻率相同； (2) 兩光波在相遇點的振動方向相同； (3) 兩光波在相遇點具有恒定的位相差。 滿足上述相干條件的兩光波相遇，在空間形成強度穩(wěn)定分布的干涉現(xiàn)象。 由于它們的頻率相同，振動方向相同，且具有固

10、定的位相差Δφ=0，因此，疊加后光強加強。 由于它們在相遇時位相相反，因此，疊加后光強相消。 屏上點的光強取決于有兩個縫發(fā)出的光波到達該點時的位相是相同還是相反.當(dāng)位相相同時,該點為亮條紋;當(dāng)位相相反時,該點為暗條紋.所以,屏幕上就產(chǎn)生了明暗相間的干涉條紋. b.光的衍射 惠更斯——菲涅耳原理： 波陣面上每一點ds，均可看作新的子波源，向四周發(fā)出球面波，任一點P的光強是所有這些子波源在該點振動的相干疊加。 平面波到達狹縫時,縫上各點都可看做是子波的波源,做出這些子波的包絡(luò)，就得出新的波前.很明顯,此時的波前與原來平面略有不同,靠近邊緣處略有彎曲,這樣子波就繞過了障礙物而繼續(xù)傳

11、播. 例:平面波的衍射 例：直邊衍射（刀刃衍射） 例2：（光柵）平行、等寬且等間隔的多條狹縫　　 狹縫～104條／厘米 光柵功能：把具有不同波長的光分成很細(xì)的 紋，條紋間夾角很大，即分辨率很高! 光柵原理：多光束干涉 ＋ 單狹縫夫瑯和費衍射 c. 光的偏振 光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光的偏振是光的波動性的又一例證。 自然光經(jīng)過偏振片，光強變?yōu)樵鈴姷囊话耄? 1. 在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光 　　在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線

12、的偏振而引起的。在拍攝時加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。要通過取景器一邊觀察一邊轉(zhuǎn)動鏡面，以便觀察消除偏振光的效果。當(dāng)觀察到被攝物體的反光消失時，既可以停止轉(zhuǎn)動鏡面。 2. 攝影時控制天空亮度，使藍(lán)天變暗。 　　由于藍(lán)天中存在大量的偏振光，所以用偏振鏡能夠調(diào)節(jié)天空的亮度，加用偏振鏡以后，藍(lán)天變的很暗，突出了藍(lán)天中的白云。偏振鏡是灰色的，所以在黑白和彩色攝影中均可以使用。 3. 使用偏振鏡看立體電影 　　在觀看立體電影時,觀眾要戴上一副特制的眼鏡——就是一對透振方向互相垂直的偏振片。 立體電影是用兩個鏡頭如

13、人眼那樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像,制成電影膠片.在放映時,通過兩個放映機,把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映,使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上.這時如果用眼睛直接觀看,看到的畫面是模糊不清的,要看到立體電影,就要在每架電影機前裝一塊偏振片,它的作用相當(dāng)于起偏器.從兩架放映機射出的光,通過偏振片后,就成了偏振光.左右兩架放映機前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直.這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處,偏振光方向不改變.觀眾用上述的偏振眼鏡觀看,每只眼睛只看到相應(yīng)的偏振光圖象,即左眼只能看到左機映出的畫面,右眼只能看到右機映出的畫面,這樣就會像直接

14、觀看那樣產(chǎn)生立體感覺.這就是立體電影的原理. 19世紀(jì),光的波動說取得了巨大的成功,它比微粒說解釋了更多的現(xiàn)象. 而大約在100年后,新的顯示光的”粒子性”的實驗現(xiàn)象出現(xiàn)了,光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等,這些現(xiàn)象用”波動說”無法解釋! 愛因斯坦提出了”光子”的概念,提出光的波粒二象性,這是目前人們對于光的本性的比較正確和全面的認(rèn)識-------光在傳播時顯示出波性,在與物質(zhì)相互作用而轉(zhuǎn)移能量時現(xiàn)實出粒子性,兩者不會同時顯現(xiàn)出來. 2.1 三維全息照相技術(shù) (1)普通照相 　　普通照相(攝影)技術(shù)的原理是應(yīng)用透鏡成像原理,使物體成實像在感光底片上,從而講物體的形象紀(jì)錄

15、下來.因此,我們知道普通照相紀(jì)錄的只是物體表面發(fā)光或者反射光的強度. (2)數(shù)碼照相 　　數(shù)碼相機的工作原理是通過鏡頭接收光線，然后被CCD的芯片將接收到的光線轉(zhuǎn)換成電信號，最后將電信號作為數(shù)據(jù)記錄到內(nèi)存儲器和存儲卡中. 　?。茫茫?，是英文Charge Coupled Device 即電荷耦合器件的縮寫，它是一種特殊半導(dǎo)體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個感光元件叫一個像素。一般來講,像素越高圖象越清晰． （３）全息照相（全部信息照相）技術(shù) １．概述 　　全息照相原理，最早是1948年倫敦大學(xué)的伽博（D.Gabor）為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)而提出的。 　　從那時起直到50年

16、代末期，全息照相都是用汞燈（水銀燈）作為光源，由于光源的相干性太差，因此在這10年中，全息技術(shù)進展緩慢。1960年以后，出現(xiàn)了激光，由于它的高度相干性和強度大，為全息照相提供了十分理想的光源，此后全息技術(shù)才獲得了迅速發(fā)展，現(xiàn)在它已是一門應(yīng)用廣泛的重要新技術(shù)。 　　伽博本人也因此而獲得1971年度的諾貝爾物理學(xué)獎。 2.原理 全息照相技術(shù)－－－無透鏡兩步成像術(shù) 所以，全息術(shù)的原理是來源于經(jīng)典的波動光學(xué)理論，是經(jīng)典光學(xué)中的干涉和衍射技術(shù)的一種綜合和發(fā)展． 全息照相原理解釋： 從激光器發(fā)出的一束激光，被分束鏡分成兩束．一束被反射鏡M1，擴束鏡擴展后照射到物體上，被物體反射的光線

17、直接照射在照相底片上，這一束光叫做物光；另外一束通過分束鏡的光被擴束鏡擴展后經(jīng)反射鏡M2，也照射到底片上，這一束光沒有經(jīng)過物體的反射，稱為參考光．參考光和物光是同一束激光分離出來的，所以他們是相干的．在照相底片上兩束光干涉，在空間的不同位置發(fā)生振幅干涉相長或干涉相消的情況，底片就把這樣的干涉條紋紀(jì)錄下來，經(jīng)過顯影和定影后，就成為一張全息照相的“底片”． 用全息照相方法獲得的底片并不直接顯示被照物體的形象，而是一幅復(fù)雜的干涉條紋圖象（很多條），這些條紋記錄了物體的光學(xué)全息。在顯微鏡下可觀察到它上面布滿細(xì)密的亮暗條紋（如圖所示），這些條紋形狀與原物形象沒有任何幾何上的相似性。 全息照相的再現(xiàn)

18、： 觀察全息照片記錄的物像時，必須用與原來參考光完全相同的光束去照射，這束光稱為再現(xiàn)光。再現(xiàn)光觀察時所用光路如下圖所示（圖中假設(shè)再現(xiàn)光是平行光）。用一束被擴束的相干光從特定方向照射到全息照片上，對于這束再現(xiàn)光，全息照片相當(dāng)于一塊反差不同，間距不等，彎彎曲曲透過率不均勻的復(fù)雜“光柵”，再現(xiàn)光被照片上的干涉圖像衍射，在照片后面出現(xiàn)一系列衍射光波有 0 級、1 級、2 級等．0 級波可看成是入射相干光經(jīng)衰減后形成的光束，而正負(fù)1 級衍射光，它們構(gòu)成了物體的兩個再現(xiàn)像。其中，+1 級衍射光是發(fā)散光與物休在原來位置發(fā)出的光波完全一樣，將形成一個虛像，如果這個光波被人眼所接受，就等于看

19、到了原物體，所以也稱它為真像，－1 級衍射光是會聚光，它將在原物再現(xiàn)像的異側(cè)形成一個共軛實像，被稱為贗像。 在Windows Vista Business DVD零售光盤的封面上發(fā)現(xiàn)了一張極其微小的三人合影照．微軟Vista產(chǎn)品經(jīng)理Nick White對此做出了解釋：照片上的三個人是負(fù)責(zé)設(shè)計Vista DVD光盤全息防偽技術(shù)的，而這張照片也則是微軟反盜版部門的一個數(shù)字水印，目的是增加盜版的難度 。 2.2 全息的應(yīng)用? 全息照相技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，已發(fā)現(xiàn)它有大量的應(yīng)用。例如利用全息照相可以獲得三維立體圖象的特性。目前已經(jīng)進行了對全息顯微術(shù)、全息電影、全息電視的實驗研究，逐漸接近實

20、用。此外可利用全息照片的干涉圖樣所揭示的微小光程差的變化來研究物體的形變、內(nèi)部的應(yīng)力分布等，在力學(xué)領(lǐng)域的研究中發(fā)展起來的全息干涉計量方法也已獲得較大的成功。 利用全息照片可以把資料的信息存儲在很小的范圍內(nèi)的特點實現(xiàn)了全息信息存儲。把文字、圖片或其它資料制成的透光片作為物，可以制成這樣的全息底片，使得每張透光片對應(yīng)著底片上1～2mm2面積的小全息圖。 使這些小全息圖排列成規(guī)則的矩形陣列，利用聲光或電光器件把一細(xì)束光按小全息圖的位置偏轉(zhuǎn)作為照明光，就得到原透光片的象。以上說明，全息信息存儲可以有極大的存儲密度，如果再作多重記錄，則在一張全息照片上可以記錄數(shù)千頁透光片資料。 除光學(xué)全息外，還發(fā)展了紅外、微波、超聲全息術(shù)。這些全息技術(shù)在軍事偵察或監(jiān)視上具有重要意義，如對可見光不透明的物體，往往對超聲波“透明”，因而超聲全息可用于水下偵察和監(jiān)視，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損探傷等。 友情提示：部分文檔來自網(wǎng)絡(luò)整理，供您參考！文檔可復(fù)制、編制，期待您的好評與關(guān)注！ 7 / 7