第一篇：光學(xué)知識(shí)

光學(xué)知識(shí)：

1.色溫

定義：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。

色溫度以絕對(duì)溫度 K 來表示，是將一標(biāo)準(zhǔn)黑體（例如鉑）加熱，溫度升高至某一程度時(shí)顏色開始由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛（藍(lán)紫）、紫，逐漸改變，利用這種光色變化的特性，其光源的光色與黑體的光色相同時(shí)，我們將黑體當(dāng)時(shí)的溫度稱之為該光源的色溫度。以絕對(duì)溫K(Kelvin，或稱開氏溫度)為單位(K=℃+273.15)。因此，黑體加熱至呈紅色時(shí)溫度約527℃即800K，其溫度影響光色變化。

光色愈偏藍(lán)，色溫愈高；偏紅則色溫愈低。一天當(dāng)中光的光色亦隨時(shí)間變化：日出后40分鐘光色較黃，色溫約3000K；正午陽光雪白，上升至4800-5800K，陰天正午時(shí)分則約6500K；日落前光色偏紅，色溫又降至約2200K。因相關(guān)色溫度事實(shí)上是以黑體輻射接近光源光色時(shí)，對(duì)該光源光色表現(xiàn)的評(píng)價(jià)值，并非一種精確的顏色對(duì)比，故具有相同色溫值的兩種光源，可能在光色外觀上仍有些許差異。僅憑色溫?zé)o法了解光源對(duì)物體的顯色能力，或在該光源下物體顏色的再現(xiàn)程度如何。

黑體的溫度越高，光譜中藍(lán)色的成份則越多，而紅色的成份則越少。例如，白熾燈的光色是暖白色，其色溫表示為2700K，而日光色熒光燈的色溫表示方法則是6000K。北方晴空 8000-8500k

陰天 6500-7500k

夏日正午陽光 5500k

金屬鹵化物燈4000-4600k

下午日光 4000k

冷色熒光燈 4000-5000k

高壓汞燈 3450-3750k

暖色熒光燈 2500-3000k

鹵素?zé)?3000k

鎢絲燈 2700k

高壓鈉燈 1950-2250k

蠟燭光 2000k

一些常用光源的色溫為：標(biāo)準(zhǔn)燭光為1930K（開爾文溫度單位）；鎢絲燈為2760-2900K；熒光燈為3000K；閃光燈為3800K；中午陽光為5600K；電子閃光燈為6000K；藍(lán)天為12000-18000K。

光源色溫不同，光色也不同，色溫在3300K以下有穩(wěn)重的氣氛，溫暖的感覺；色溫在3000--5000K為中間色溫,有爽快的感覺；色溫在5000K以上有冷的感覺，不同光源的不同光色組成最佳環(huán)境。

<3300K 溫暖（帶紅的白色）穩(wěn)重、溫暖

3000－5000K 中間（白色）爽快

>5000K 清涼型（帶藍(lán)的白色）冷

色溫與亮度：高色溫光源照射下，如亮度不高則給人們有一種陰冷的氣氛；低色溫光源照射下，亮度過高會(huì)給人們有一種悶熱感覺。

光色的對(duì)比：在同一空間使用兩種光色差很大的光源，其對(duì)比將會(huì)出現(xiàn)層次效果，光色對(duì)比大時(shí)，在獲得亮度層次的同時(shí)，又可獲得光色的層次。

亮度：指的是人在看到光源時(shí)，眼睛感覺到的光亮度。亮度高低決定于光源產(chǎn)生光的能力。亮度符號(hào) L，單位nite（cd/m2），其中cd為光強(qiáng)的單位，1cd代表1燭光，即一根標(biāo)準(zhǔn)蠟燭的發(fā)光能力。單位面積上的燭光越多，則代表發(fā)光能力越強(qiáng)，亮度越高

照度：指的是光源照射到周圍空間或地面上，單位被照射面積上的光通量。照度符號(hào) E，單位LUX(lm/m2)，其中l(wèi)m是光通量的單位，1lm代表1cd的光源在一個(gè)單位立體角內(nèi)的光通量。單位被照射面積上的光通量多，照度就高。

亮度與照度：

關(guān)聯(lián)點(diǎn)是：影響光源照度和亮度高低的物理量是相同的，即光通量

不同點(diǎn)一：影響光源亮度的光通量，是光源表面輻射出來的總光通量的多少，光源的發(fā)光能力越強(qiáng)，輻射出的總光通量越多；

不同點(diǎn)二：影響光源照度的光通量，是光源被輻射到被照面（如墻壁、地面、作業(yè)平臺(tái)）上的光通量的多少。

不同點(diǎn)三：兩者位置不同，受外界影響因素也不同。同一只光源，光源表面輻射出來的光通量被輻射到被照面（如墻壁、地面、作業(yè)平臺(tái)）的光通量，在數(shù)量關(guān)系上是不等的。

物理意義

亮度形容的是光源的發(fā)光能力

照度形容的是被照物體所受到的光通量的大小 即，同一個(gè)光源的亮度是固定的，但是對(duì)同一個(gè)物體在不同距離產(chǎn)生的照度是不一樣的光強(qiáng)度(luminous intensity)

是光源在單位立體角內(nèi)輻射的光通量，以I表示，單位為坎德拉(candela，簡(jiǎn)稱cd)。1坎德拉表示在單位立體角內(nèi)輻射出1流明的光通量。

光通量φ流明Lumen(lm)

是由光源向各個(gè)方向射出的光功率,也即每一單位時(shí)間射出的光能量

色彩：

色彩深度又叫色彩位數(shù)，即位圖中要用多少個(gè)二進(jìn)制位來表示每個(gè)點(diǎn)的顏色，是分辨率的一個(gè)重要指標(biāo)。常用有1位（單色），2位（4色，CGA），4位（16色，VGA），8位（256色），16位（增強(qiáng)色），24位和32位（真彩色）等。色深16位以上的位圖還可以根據(jù)其中分別表示RGB三原色或CMYK四原色（有的還包括Alpha通道）的位數(shù)進(jìn)一步分類，如16位位圖圖片還可分為RGB565，RGB555X1（有1位不攜帶信息），RGB555A1，RGB444A4等等。

色彩空間：（YUV、YIQ、YCbCr）

YUV模型用于PAL和SECAM制式的電視系統(tǒng)；YIQ模型與YUV模型類似，用于NTSC制式的電視系統(tǒng)。YIQ顏色空間中的I和Q分量相當(dāng)于將YUV空間中的UV分量做了一個(gè)33度的旋轉(zhuǎn)；YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間，主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中；

這三者與RGB轉(zhuǎn)化公式：

RGB-> YUV：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B,U =-0.147R0.515G0.275G0.523G + 0.311B

RGB-> YCbCr：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, Cb =-0.169R0.419B-0.103B 從公式中，我們關(guān)鍵要理解的一點(diǎn)是，UV/CbCr信號(hào)實(shí)際上就是藍(lán)色差信號(hào)和紅色差信號(hào)。我們?cè)跀?shù)字電子多媒體領(lǐng)域所談到的YUV格式，實(shí)際上準(zhǔn)確的說，是以 YCbCr色彩空間模型為基礎(chǔ)的具有多種存儲(chǔ)格式的一類顏色模型的家族（包括YUV444 / YUV422 / YUV420 / YUV420P等等）。在Camera Sensor中，最常用的YUV模型是 YUV422格式，因?yàn)樗捎?個(gè)字節(jié)描述兩個(gè)像素，能和RGB565模型比較好的兼容。有利于Camera Sensor和Camera controller的軟硬件接口設(shè)計(jì)。

人造光源：

1.D65 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)人工日光(Artificial Daylight)色溫：6500K 功率：20W

2.TL84 歐洲、日本、中國(guó)商店光源色溫：4000K 功率：18W

3.F 家庭酒店用燈、比色參考光源色溫：2700K 功率：40W

4.UV 紫外燈光源(Ultra-Violet)波長(zhǎng)：365nm 功率：20W

5.CWF 美國(guó)冷白商店光源(Cool White Fluorescent)色溫：4150K 功率：20W

6.U30 美國(guó)暖白商店光源(Warm White Fluorescent)色溫：3000K 功率：18W

7.TL83標(biāo)準(zhǔn)光源，歐洲廚窗燈、部份客戶指定用商店光源色溫:3000K，算法：.白平衡算法：

在相機(jī)拍攝過程中，很多初學(xué)者會(huì)發(fā)現(xiàn)熒光燈的光在人看起來是白色的，但用數(shù)碼相機(jī)拍攝出來卻有點(diǎn)偏綠。同樣，如果是在白熾燈下，拍出圖像的色彩就會(huì)明顯偏紅。人類的眼睛之所以把它們都看成白色的，是因?yàn)槿搜圻M(jìn)行了修正。如果能夠使相機(jī)拍攝出的圖像色彩和人眼所看到的色彩完全一樣就好了。但是，由于 CCD/CMOS傳感器本身沒有這種功能，因此就有必要對(duì)它輸出的信號(hào)進(jìn)行一定的修正，這種修正就叫做白平衡。

色溫對(duì)于相機(jī)而言就是白平衡的問題。在各種不同的光線狀況下，目標(biāo)物的色彩會(huì)產(chǎn)生變化。在這方面，白色物體變化得最為明顯：在室內(nèi)鎢絲燈光下，白色物體看起來會(huì)帶有橘黃色色調(diào)，在這樣的光照條件下拍攝出來的景物就會(huì)偏黃；但如果是在蔚藍(lán)天空下，則會(huì)帶有藍(lán)色色調(diào)。在這樣的光照條件下拍攝出來的景物會(huì)偏藍(lán)。為了盡可能減少外來光線對(duì)目標(biāo)顏色造成的影響，在不同的色溫條件下都能還原出被攝目標(biāo)本來的色彩，就需要相機(jī)進(jìn)行色彩校正，以達(dá)成正確的色彩平衡，這就稱為白平衡調(diào)整。

白平衡調(diào)整就是試圖把白色制成純白色。如果這個(gè)最亮的部分是黃色，它會(huì)加強(qiáng)藍(lán)色來減少畫面中的黃色色彩，以求得更為自然的色彩。相機(jī)只要在拍攝白色物體時(shí)正確還原物體的白色，就可以在同樣的照明條件下正確還原物體的其他色彩。

2.ISO：

ISO感光度的高低代表了在相同EV曝光值時(shí)，選擇更高的ISO感光度，在光圈不變的情況下能夠使用更快的快門速度獲得同樣的曝光量。反之，在快門不變的情況下能夠使用更小的光圈而保持獲得正確的曝光量。因此，在光線比較暗淡的情況下進(jìn)行拍攝，往往可以選擇較高的ISO感光度。當(dāng)然，對(duì)于單反相機(jī)而言還可以選擇使用較大口徑的鏡頭，提高光通量。而對(duì)于一般數(shù)碼相機(jī)因?yàn)椴捎玫氖枪潭ㄧR頭，惟有通過提高ISO感光度來適應(yīng)暗淡光線情況下的拍攝，特別是在無法使用輔助光線的情況下。

夜景拍攝常常使用較小的光圈和較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，假如選擇較高的ISO感光度必將不可

避免的產(chǎn)生噪點(diǎn)和雜色。這時(shí)可以使用三腳架，有可能的再使用快門線，選擇較低的ISO感光度就可以避免噪點(diǎn)和雜色的產(chǎn)生。

Lux

照度是反映光照強(qiáng)度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量，照度的單位是每平方米的流明（Lm）數(shù)，也叫做勒克斯（Lux）： 1 lx=1 Lm/㎡上式中，Lm是光通量的單位

第二篇：古詩詞中的光學(xué)知識(shí)

古詩詞中的光學(xué)知識(shí)

新課程倡導(dǎo)要注重學(xué)科間的知識(shí)的聯(lián)系，在浩如煙海的中國(guó)古代詩詞中包含著許多物理知識(shí)，舉例如下，希望對(duì)同學(xué)們的學(xué)習(xí)有所幫助。

1．峰多巧障日，江遠(yuǎn)欲浮天。──《游蔣山》 蘇軾（宋）

2．排云數(shù)峰出，漏日半江明。──《泊樟鎮(zhèn)》 楊萬里（宋）

第一句提出“為什么太陽光會(huì)被山峰擋住？”第二句提出“為什么要推開山腰的浮云，才能看到峰頂，陽光只能從云縫中穿出照亮江面？”其實(shí)都是利用了光的直線傳播的道理。

3．寶釵好耀首，明鏡可鑒形。──《贈(zèng)婦》 秦嘉（漢）

前一句說明了光通過珠寶首飾的反射后的反射光線進(jìn)入人眼中，顯得格外耀眼；后一句利用了平面鏡成像這一知識(shí)。

4．掬水月在手，弄花香滿衣。──《春山夜月》 于良史 前一句提出了“水中為什么會(huì)有月亮？”這一現(xiàn)象，涉及到平面鏡成像的物理知識(shí)；后一句說明了花朵分泌芳香的分子在做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象。

5．舉杯邀明月，對(duì)影成三人。──《月下獨(dú)酌》 李白（唐）

前一句主要說明了月亮成像在酒杯中的現(xiàn)象，涉及到光的反射。后一句可依詩句之意，從物理角度理解為：人、月下影子、酒杯中人的像而成為三人。

6．夕陽返照桃花塢，柳絮飛來片片紅。──《雨窗消意圖》 牛應(yīng)之（清）

柳絮本來是白的，而詩中卻說是“片片紅”。其原因主要是太陽光里含有七種色光，當(dāng)它穿過一片紅色的桃花時(shí)，白光中的大部分色光被桃花所吸收，只有紅光被反射出來，反射出來的紅光再照到白色的柳絮上，自然呈現(xiàn)出淡淡的紅色。

7．野曠天低樹，江清月近人。──《宿建德江》 孟浩然（唐）

通過作出月亮在水中所成的像的反射光路以及人眼看到月亮在水中所發(fā)生的折射光路圖，來說明“月近人”的光學(xué)原理如圖所示，S1是月亮S在水中所成的虛像，從S1點(diǎn)射向空氣中的光線，在水面處發(fā)生折射，折射光線偏離法線，眼睛逆著折射光線看去，覺得是水中的S2射來的，眼睛看到的是S2點(diǎn)，S2點(diǎn)在S1點(diǎn)的上方，距水面較近，從而出現(xiàn)了“月近人”的感覺。

第三篇：RLE_ME02幾何光學(xué)知識(shí)總結(jié)

實(shí)驗(yàn)1薄透鏡的成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)

物體在2f之外，成像于f~2f。物體在f~2f之間，成像于2f之外。物體在2f處，成像于2f′。

實(shí)驗(yàn)2自準(zhǔn)直法測(cè)量薄透鏡焦距實(shí)驗(yàn)

自準(zhǔn)直法：若物體AB正好處在透鏡L的前焦面處，那么物體上各點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后，變成不同方向的平行光，經(jīng)透鏡后方的反射鏡M把平行光反射回來，反射光經(jīng)過透鏡后，成一倒立的與原物大小相同的實(shí)像A?B?，像A?B?位于原物平面處。即成像于該透鏡的前焦面上。此時(shí)，物與透鏡之間的距離就是透鏡的焦距f。通過??

實(shí)驗(yàn)3二次成像法測(cè)量薄透鏡焦距實(shí)驗(yàn)

L O nl?來證明。算出β=-1 n?lI dl l2?d2f??4l

當(dāng)透鏡移動(dòng)到如圖3-1中實(shí)線位置時(shí)，屏中將出現(xiàn)一個(gè)放大清晰的像，（設(shè)此物距為u，像距為v）；當(dāng)透鏡移動(dòng)到虛線位置時(shí)，屏中將出現(xiàn)一個(gè)縮小清晰的像，（設(shè)此時(shí)物距為u′,像距為v′）。根據(jù)透鏡的成像公式，可得：u?v',v?u'---------（由高斯公式可以推出）

由圖可以看出：

l?d?u?v?2u

∴

'u?l?d2

v??l?u??l?l?d2?l?d2

l?dl?d∴f?

uvu?v?22ll2?d2?

4l實(shí)驗(yàn)4光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

主點(diǎn)、焦點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的定義。

當(dāng)共軸球面系統(tǒng)處于同一媒質(zhì)時(shí)，兩主點(diǎn)分別與兩節(jié)點(diǎn)重合。

LABL.S.OPN?(H?)QN(H)F?(B?)A?f? ?fo因?yàn)锳O// A’N’，AB// A’ B’，OB// N’ B’，所以 △AOB∽△A’ N’B，即AB:(?fo)=A’ B’:f?

f???f0所以A?B?h2?f0ABh1

因此我們可以通過測(cè)量A’ B’的大小，從而得到f?的數(shù)值。

設(shè)待測(cè)透鏡組中靠近L的透鏡（透鏡1）的焦距為f1,f1'，另一透鏡（透鏡2）的焦距為f2,f2'。則：

??xHf2'(f1'?f2)△

(4-2)

△?d?f1'?f2（4-3）

?是透鏡2的后焦點(diǎn)到系統(tǒng)像方主式中，△為透鏡組的光學(xué)間隔。xH點(diǎn)的距離。

實(shí)驗(yàn)5平行光管使用及透鏡焦距測(cè)量實(shí)驗(yàn)

y'fx??fo'

y?10因?yàn)橛蔑@微目鏡來觀察像的大小，所以y’除以10才是像的實(shí)際大小。此實(shí)驗(yàn)也可以用分劃板直接觀察成像大小。

實(shí)驗(yàn)6光學(xué)系統(tǒng)景深測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在景像平面上能清晰成像的物空間的深度范圍稱為光學(xué)系統(tǒng)的景深。

對(duì)準(zhǔn)平面B1Z1景像平面 出射光瞳 入射光瞳 Z'2 B'' 2PA1P'12aPP2PP'2A' Z2 B2 Δ 1 Δ 2-P-P-P12P' 1P' P'2Z'1 B' 1 入射光瞳的直徑越小，即孔徑角越小，景深越大。影響景深的因素還有以下三個(gè)方面。

（1）對(duì)像的清晰度要求越低，景深越大；要求越高，景深越小。（2）物體的物距越大，景深越大；物距越小，景深也越小。（3）焦距越短，景深越大；焦距越長(zhǎng)，景深越小。

4ap2??=?1+?2=24a?p2?2

實(shí)驗(yàn)7望遠(yuǎn)系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

常見望遠(yuǎn)鏡可簡(jiǎn)單分為伽利略望遠(yuǎn)鏡，開普勒望遠(yuǎn)鏡等

伽利略發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史中占有重要地位。它由一個(gè)凹透鏡（目鏡）和一個(gè)凸透鏡（物鏡）構(gòu)成。

fo???

fe由此可見，望遠(yuǎn)鏡的放大率?等于物鏡和目鏡焦距之比。若要提高望遠(yuǎn)鏡的放大率，可增大物鏡的焦距或減小目鏡的焦距.放大的原因：從目鏡可看到遠(yuǎn)處物體的倒立虛像，由于增大了視角，故提高了分辨能力

??平行光管焦距L'?

觀測(cè)物鏡焦距L?109

平行光管跟觀察物鏡的放大率等于觀察物鏡焦距除以平行光管焦距。

實(shí)驗(yàn)8顯微鏡搭建和參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

y3'yyl2tan??????3?2y1tan?y2y1(8-1)'?l2??D???e?o fefo式中，φ為明視距離處物體對(duì)眼睛所張的視角，Ψ為通過光學(xué)儀器觀察時(shí)在明視距離處的成像對(duì)眼睛所張的視角。

第四篇：光學(xué)教案

光學(xué)知識(shí)點(diǎn)

（一）光源：能發(fā)光的物體。

1、光源可分為自然光源。如 ：太陽、螢火蟲。

2、人造光源。如： 篝火、蠟燭、油燈、電燈、電視機(jī)屏幕。

3、月亮、平面鏡、放電影時(shí)所看到的銀幕本身不會(huì)發(fā)光，它們不是光源。

（二）光的傳播：光在同一種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。

1、表示光的傳播方向的直線叫光線，光線是帶箭頭的直線，箭頭表示光傳播的方向。

2、用光的直線傳播解釋簡(jiǎn)單的光現(xiàn)象

1）影的形成：光在傳播過程中，遇到不透明的物體，由于光是沿直線傳播的，所以在不透光的物體后面，光照射不到，形成了黑暗的部分就是影。2）日食、月食的成因。

3）小孔成像：小孔成像實(shí)驗(yàn)早在《墨經(jīng)》中就有記載小孔成像成倒立的實(shí)像，其像的形狀與孔的形狀無關(guān)。

（三）光速

81、光在真空中的傳播速度是3×10 m/s.2、光在其他各種介質(zhì)中的速度都比在真空中的小.3、光在空氣中的速度可認(rèn)為是3×108 m/s.（四）色散：復(fù)色光分解單色光的現(xiàn)象，叫做光的色散。

1、白光是復(fù)色光。白光通過棱鏡不能再分解的光叫做單色光

2、紅、綠、藍(lán)是色光的三原色

3、紅、黃、藍(lán)是顏料的三原色。

（五）光的反射：光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)表面時(shí)，一部分光被反射回原來介質(zhì)的現(xiàn)象叫光的反射。

1、反射定律：反射光線與入射光線、法線在同一平面上，反射光線和入射光線分居于法線的兩側(cè)，反射角等于入射角。光的反射過程中光路是可逆的。

2、分類：

⑴ 鏡面反射：射到物面上的平行光反射后仍然平行。

迎著太陽看平靜的水面，特別亮。黑板“反光”等，都是因?yàn)榘l(fā)生了鏡面反射 ⑵ 漫反射：射到物面上的平行光反射后向著不同的方向 每條光線遵守光的反射定律。

（六）平面鏡：

1、成像特點(diǎn)：①物體在平面鏡里所成的像是虛像。②像、物到鏡面的距離相等。③像、物大小相等。④像、物的連線與鏡面垂直。

2、“正立”“等大”“虛象”像、物關(guān)于鏡面對(duì)稱。

3、成像原理：光的反射定理。

4、作用：成像、改變光路。

5、實(shí)像和虛像：實(shí)像：實(shí)際光線會(huì)聚點(diǎn)所成的像。

虛像：反射光線反向延長(zhǎng)線的會(huì)聚點(diǎn)所成的像。

（七）光的折射：光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向一般會(huì)發(fā)生變化；這種現(xiàn)象叫光的折射現(xiàn)象。

1、光的折射定律：

⑴折射光線，入射光線和法線在同一平面內(nèi)。⑵折射光線和入射光線分居與法線兩側(cè)。⑶

光從空氣斜射入水或其他介質(zhì)中時(shí)，折射角小于入射角。光從水中或其他介質(zhì)斜射入空氣中時(shí)，折射角大于入射角。光從空氣垂直射入（或其他介質(zhì)射出），折射角=入射角= 0度。

2、在折射時(shí)光路是可逆的。

3、應(yīng)用：從空氣看水中的物體，或從水中看空氣中的物體看到的是物體的虛像，看到的位置比實(shí)際位置高。

（八）透鏡成像：

1、透鏡及分類： 凸透鏡： 邊緣薄，中央厚。

凹透鏡： 邊緣厚，中央薄。

2、主光軸，光心、焦點(diǎn)、焦距。

主光軸：通過兩個(gè)球心的直線。

光心：主光軸上有個(gè)特殊的點(diǎn)，通過它的光線傳播方向不變。焦點(diǎn)：凸透鏡能使跟主軸平行的光線會(huì)聚在主光軸上的一點(diǎn)，這點(diǎn)叫透鏡的焦點(diǎn)，用“F”表示

焦距：焦點(diǎn)到光心的距離叫焦距，用“f”表示。

虛焦點(diǎn)：跟主光軸平行的光線經(jīng)凹透鏡后變得發(fā)散，發(fā)散光線的反向延長(zhǎng)線相交在主光軸上一點(diǎn)，這一點(diǎn)不是實(shí)際光線的會(huì)聚點(diǎn)，所以叫虛焦點(diǎn)。每個(gè)透鏡都有兩個(gè)焦點(diǎn)、焦距和一個(gè)光心以及一條主光軸。

3、透鏡對(duì)光的作用

凸透鏡：對(duì)光起會(huì)聚作用。

凹透鏡：對(duì)光起發(fā)散作用。

4、凸透鏡成像規(guī)律

注意：

u>f： 物距增大、像距減小、像變小、成倒立實(shí)像；物距減小、像距增大、像變大、成倒立實(shí)像。

U

第五篇：光學(xué)教案

6.1 光的吸收和散射

教 案

主講： 朱 輝 單位：物電學(xué)院

2010-12-08【教學(xué)目的】

掌握光在傳播中與物質(zhì)的相互作用之一——能量變化（吸收和散射）。掌握朗伯定律。

掌握吸收光譜及其應(yīng)用。

能夠利用瑞利散射理論解釋朝陽、藍(lán)天現(xiàn)象。能夠利用米氏散射理論解釋白云和霧的現(xiàn)象。了解散射光的偏振性。

培養(yǎng)學(xué)生利用光的吸收和散射原理解釋自然現(xiàn)象的能力。提高學(xué)生對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)?！窘虒W(xué)內(nèi)容】

朗伯定律。

一般吸收和選擇吸收。

吸收光譜及其應(yīng)用。

光的散射定義。瑞利散射和米氏散射。藍(lán)天、朝陽和白云現(xiàn)象。【教學(xué)重點(diǎn)】

朗伯定律、吸收光譜。

用散射理論解釋自然界中的光學(xué)現(xiàn)象?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】

吸收光譜。電偶極輻射理論。

散射和漫射、反射和衍射的區(qū)別。散射光的偏振性?！菊n時(shí)安排】 45分鐘 【預(yù)習(xí)要求】

觀察自然界中的吸收和散射現(xiàn)象?！窘虒W(xué)方法】

實(shí)驗(yàn)演示法、講授法、談話法等。【實(shí)驗(yàn)演示】

通過實(shí)驗(yàn)演示光的吸收和散射現(xiàn)象

通過PPT顯示光的吸收和吸收光譜的動(dòng)畫或圖片。【教學(xué)手段】

采用多媒體教學(xué)?！緟⒖紩亢蛥⒖嘉墨I(xiàn)】

1.趙凱華.新概念物理教程光學(xué).北京:高等教育出版社,2004.11.2.鐘錫華.現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ).北京：北京大學(xué)出版社，2003.8.3.趙凱華,鐘錫華.光學(xué).北京:北京大學(xué)出版社,1984.4.母國(guó)光,戰(zhàn)元齡.光學(xué).北京:人民教育出版社,1979.5.郭光燦等.光學(xué).北京:高等教育出版社,1997.6.張志軍, 熊維巧.原子吸收分光光度法測(cè)定微量鉻[J].化學(xué)工程師 , 2000,(03)7.孫立民, 郭麗娟.氫化物原子吸收分光光度法測(cè)定水中的汞[J].吉林水利 , 2002,(06)8.伯廣宇等.探測(cè)大氣溫度和氣溶膠的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達(dá)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010（01）.【作業(yè)】

Page291 6.2 [教學(xué)內(nèi)容] 導(dǎo)入：

除了真空，沒有一種介質(zhì)對(duì)電磁波是絕對(duì)透明的。光的強(qiáng)度隨穿進(jìn)介質(zhì)的深度而減少的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對(duì)光的吸收（absorption）。仔細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)光不僅有吸收而且還有散射兩種情況，前者是光能量被介質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，后者則是光被介質(zhì)散射到四面八方。

演示1：光通過液體以后的變化，引入光與物質(zhì)相互作用中的吸收和散射問題。發(fā)現(xiàn)

光束越深入物質(zhì)，強(qiáng)度將越減弱

結(jié)論：

⑴ 光的能量被物質(zhì)吸收——光的吸收現(xiàn)象

⑵ 光向各個(gè)方向散射 ——光的散射

6.1 光的吸收和散射

一、光的吸收 1.朗伯定律

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)光沿X方向均勻通過介質(zhì)的時(shí)候，設(shè)光的強(qiáng)度在經(jīng)過厚度dx的一層介質(zhì)時(shí)強(qiáng)度由I減為I-dI。在相當(dāng)廣闊的光強(qiáng)范圍內(nèi)，-dI正比于I和dx，有

?dI??Idx

（1）

式中α是個(gè)與光強(qiáng)無關(guān)的比例系數(shù)，成為該物質(zhì)的吸收系數(shù)。

為了求出光束穿過厚度為l的介質(zhì)后的強(qiáng)度

圖一 光的吸收

改變，（1）改寫為

并在0到l區(qū)間對(duì)x進(jìn)行積分。得

?le

(2)

I?I0?dII???dx

在光強(qiáng)不太強(qiáng)的情況下，大量的實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)定律相當(dāng)精確。

激光出現(xiàn)后，由于人類掌握的光強(qiáng)增加了幾個(gè)甚至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)——這時(shí)候就出現(xiàn)光與物質(zhì)作用的非線性效應(yīng)（非線性光學(xué)）。

在液體中吸收系數(shù)α與液體濃度C的關(guān)系為

??AC

(3)那么(2)式可以改寫為

I?I0e?ACl

(4)公式(3)可以作為液體濃度測(cè)量的理論依據(jù)。2.一般吸收和選擇吸收

在吸收的過程中，如果所有的波長(zhǎng)的吸收都是一樣的，我們稱為普遍吸收，也可以稱之為一般吸收。

a）一般吸收

吸收很少，并且在某一給定的波段內(nèi)幾乎不變。如：空氣、無色玻璃和純水都是在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生一般吸收。

不是所有的物質(zhì)都是如此，對(duì)于廣闊的電磁波了范圍，一般吸收介質(zhì)不可能存在。比如我們看一束白光通過一個(gè)濾光片，那么就會(huì)產(chǎn)生一些特殊的效果。如紅色濾光片后變成紅光，這種物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)吸收特別強(qiáng)烈的過程，我們稱為選擇吸收。

b)選擇吸收

特點(diǎn)表現(xiàn)為：吸收很多，并且隨著波長(zhǎng)的變化而劇烈的變化。任何一種物質(zhì)對(duì)光的吸收都是有這兩種吸收組成。c）吸收曲線的應(yīng)用。（如光纖吸收曲線）

圖二 光纖的工作波長(zhǎng)分段圖

圖二是光纖的吸收曲線，從圖中可以看出吸收比較少的，而且應(yīng)用最好是波長(zhǎng)1550nm的窗口。這也是高錕的重要貢獻(xiàn)。

圖三 大氣窗口

一般將大氣的衰減作用相對(duì)較輕、透射率較高、能量較易通過的電磁波段定義為大氣窗口。只有位于大氣窗口的波段才能被用于生成遙感圖像。在VIS—IR區(qū)段，常用的大氣窗口有：0.3—1.3μm、1.5—1.8 μ m、2.0—2.6 μ m、3.0-4.2 μ m、4.3—5.0 μ m、8—14 μ m。在微波區(qū)段，主要采用的大氣窗口為8mm附近和頻率低于20GHz的波段。

3.吸收光譜

產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過有選擇吸收的介質(zhì)后，用分光計(jì)可以看出默寫線段或某些波長(zhǎng)的光被吸收。這就形成了吸收光譜。

a)實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 觀察吸收光譜的實(shí)驗(yàn)裝置

b)吸收光譜

當(dāng)連續(xù)的白光通過吸收物質(zhì)后再經(jīng)過光譜儀器的分析，即可將不同波長(zhǎng)的光被吸收的情況顯示出來，形成“吸收光譜”。

c)吸收光譜與發(fā)射光譜的關(guān)系

圖五 氫原子在可見光區(qū)域的發(fā)射光譜和吸收光譜

從圖五中可以看出，吸收譜中的暗線和發(fā)射譜中明線意義對(duì)應(yīng)，也就是說某種物質(zhì)自身發(fā)射那些波長(zhǎng)的光，它就強(qiáng)烈的吸收那些波長(zhǎng)的光。

d)吸收光譜的應(yīng)用

我們知道不同的元素對(duì)應(yīng)有不同的發(fā)射譜線，就如同條形碼一樣。很多的時(shí)候我們無法也不能把元素加上高溫讓其發(fā)射譜線，如恒星表面覆蓋的一層氣體。

利用吸收譜觀察太陽表面的元素構(gòu)成：1868年法國(guó)人讓桑（J.P.Janssen）發(fā)現(xiàn)太陽光譜中出現(xiàn)了不知來源的暗線；后有英國(guó)天文學(xué)家洛爾基（J.N.Lockyer）取名為氦，源于希臘語意為太陽(helios)。這種物質(zhì)1894年才有英國(guó)化學(xué)家萊姆賽（W.Ramsay）從億鈾礦蛻變的氣體中發(fā)現(xiàn)。

利用吸收光譜測(cè)量：元素比例的定量分析。

二、光的散射

1.光的散射

在光學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)中或兩種折射率不同介質(zhì)的分界面上，無論光的直射、反射和折射都僅局限在某一個(gè)特定的方向上，而在其他方向上的光強(qiáng)則等于零，我們沿著光束的側(cè)向觀察就應(yīng)該看不到光。

但光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí)，從側(cè)向卻可以看到光，這種現(xiàn)象叫光的散射。

2.電偶極輻射理論

光通過物質(zhì)的時(shí)候，由于電場(chǎng)的作用，物質(zhì)中的原子、離子或分子在入射光電場(chǎng)的作用下做受迫振動(dòng)。設(shè)p=ez，z=Acoswt經(jīng)典的理論告訴我們。

E?H?eA4??0cRE2?sin?cos?(t?2Rc)

(5)

?0cz?S?Hz?p?O?p?O?EI

圖六 電偶極輻射

圖七 波的強(qiáng)度與角度的關(guān)系

能量可以用坡印廷矢量表示

???S?E?H?EH?1?0cE(6)則波的強(qiáng)度的平均值為

S?I?1?0cE2??0eA?32?cR22224sin?2

(7)有此可知，光在半徑為R的球面上各點(diǎn)的相位都相等(球面波)，相位落后園心R/c，但是振幅隨著角度變化。

3.散射與介質(zhì)不均勻的關(guān)系

當(dāng)光入射到介質(zhì)上，將激起其中的電子作受迫振動(dòng)，從而發(fā)出相干次波。注意這里的次波和惠更斯——菲涅耳原理假設(shè)的次波不同，這里是真是的振源。理論上可以證明，只要分子的密度是均勻的，次波相干疊加的結(jié)果，只剩下遵守幾何光學(xué)規(guī)律的光線，沿著其余方向的振動(dòng)完全抵消。但是，在微觀的尺度，由于分子的漲落，沒有物質(zhì)是均勻的。那么當(dāng)尺度達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)的鄰近小塊之間的光學(xué)性質(zhì)有較大差異時(shí)，在光波的作用下它們將成為強(qiáng)度差別較大的次波源，而且從它們到空間個(gè)點(diǎn)已有不可忽略的光程差，這些結(jié)果就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于均勻介質(zhì)的情況。如圖八所示：

圖八 散射、衍射和反射

圖中可以看出，介質(zhì)比較大的情況下，散射可以看作反射和折射。介質(zhì)比較小的情況下，可以看作衍射。4．瑞利散射和米氏散射

瑞利在1871年針對(duì)細(xì)微質(zhì)點(diǎn)的散射，通過大量的實(shí)驗(yàn)，提出了散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的四次方成反比的規(guī)律。

從電動(dòng)力學(xué)的結(jié)果我們也可以看出，偶極子的輻射功率也是正比與頻率的四次方。究其原因，瑞利認(rèn)為是熱運(yùn)動(dòng)破環(huán)了分子之間的關(guān)聯(lián)。

同樣我們從上面的分析也可以看出，較大顆粒對(duì)光散射，不能僅僅看成獨(dú)立的電偶極子的振蕩合成了，它們有很大的一部分是相關(guān)的。對(duì)應(yīng)大顆粒散射，米(C.Mie)和德拜(P.Debye)以球形質(zhì)點(diǎn)為模型計(jì)算了電磁波的散射，給出了適用于任何球體的散射公式。如圖九所示。

圖九 瑞利散射和米氏散射

5.藍(lán)天、朝陽和白云 首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結(jié)果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個(gè)方向射向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（藍(lán)紫色）遭到散射比長(zhǎng)波成分（紅黃色）強(qiáng)烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍(lán)色。瑞利曾對(duì)天空中各種波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)作過測(cè)量，發(fā)現(xiàn)與反比律頗相吻合。大氣的散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分是密度漲落引起的分子 散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明顯。所以每當(dāng)大雨初霽、玉宇澄清的時(shí)候，天空總是藍(lán)得格外美麗可愛，其道理就在這里.由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長(zhǎng)波成分了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經(jīng)歷大氣層的厚度要比中午時(shí)大得多，從而大氣的散射效應(yīng)也要強(qiáng)烈得多，這便是旭日初升時(shí)顏色顯得特別殷紅的原因（圖十）。白云是大氣中的水滴組成的，因?yàn)檫@些水滴的半徑與可見光的波長(zhǎng)相比已不算太小了，瑞利定律不再適用，按米-德拜的理論，這樣大小的物質(zhì)產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)的關(guān)系不大，這就是云霧呈白色的緣故。

圖十 藍(lán)天和朝陽的形成

6.散射光的偏振性

雖然從光源發(fā)出的光是自然光。但從正側(cè)方（Z）觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)散射光是線偏振。斜方向觀察發(fā)現(xiàn)是部分偏振的，唯有在X方向才是自然光。如圖十一。

圖十一 散射光的偏振性

先假定入射光是線偏振的，傳播方向沿X軸，電矢量E沿平行Y軸的方向振動(dòng)。根據(jù)電偶極振蕩理論所有的受迫振動(dòng)都是平行與Y軸的，由此產(chǎn)生的次級(jí)電磁波是球面波，向各個(gè)方向傳播時(shí)，波的電矢量E’都是在電偶極子軸線DD’所在的平面內(nèi)。由于光是橫波，E’還必須垂直與波的傳播方向。根據(jù)(7)式，在赤道面各點(diǎn)的振幅最大，兩極為零。

同樣可以把自然光的另外一部分沿著Z軸振蕩處理。就可以得到上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

應(yīng)用：蜜蜂利用偏振光和生物鐘來辨別方向。

開車時(shí)司機(jī)帶有偏光的太陽鏡。