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眺湛
7 years ago
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1 光学 (Optics) 王占山, 电话程鑫彬穆宝忠方恺王风丽张锦龙 1/45

2 0.1 光学现象视觉 : 最重要的获得信息的方式人的信息有 90% 以上是通过视觉得到的我们在教室里, 你粗看一下会知道很多信息视觉是以光作为载体的听觉味觉嗅觉触觉都比视觉慢 2/45

3 第 O 章 0.1 光学现象 -- 日常生活中的光学眼镜隐形眼镜照相机双筒望远镜天文望远镜显微镜内窥镜等 3/45

4 第 O 章 0.1 光学现象 -- 日常生活中的光学光纤 : 光通讯互联网 X 射线 : 医学诊断和安检扫描仪激光打印机 CD LCD : 核心条码阅读机 : 超市 DVD : 娱乐 4/45

5 第 O 章 0.1 光学现象自然界中的光学 5/45

6 第 O 章 0.1 光学现象工业与科研中的光学还有一些不熟悉的应用激光打孔焊接切割等集成电路制造激光探测速度污染程度激光医学激光镊子激光与生物和化学的关系 6/45

7 光学的研究内容光是什么? 光是如何产生的? 光是如何传播与调控的? 光是如何探测的? 光是如何与物质相互作用的? 光是如何应用的? 7/45

8 0.2 光学的学科特点古老与现代紧密结合理论与实验紧密结合基础与应用紧密结合 8/45

9 0.2 本科程的特点与学习方法力学 : 牛顿定律电磁学 : 麦克斯韦方程组热学 : 热学三定律光学 : 在光学教学中, 缺少统一的能阐明所有光学现象的主线, 导致光学不如力学电磁学热学那样系统和完善不同类型的光学现象遵从不同的自然规律 9/45

10 0.2 本科程的特点与学习方法基础光学 : 几何光学, 物理光学 ( 波动光学 + 量子光学 ) 几何光学 : 以光的直线传播性质为基础, 研究光线在透明介质中的传播问题波动光学 : 以光的波动性为基础, 研究光的传播光和物质的相互作用规律量子光学 : 以光的量子性为基础, 研究光的发射以及光与物质相互作用的某些问题基础光学课程主要讨论内容 : 光学的基本原理及典型应用基础光学课程重点 : 光学成像干涉衍射偏振双折射等基本规律 10/45

11 0.2 本科程的特点与学习方法讲课的方法 (1) 讲课内容与教材互为补充 (2) 避免繁琐的公式推导, 重点讲述物理概念原理和思路, 一些日常遇到的光学现象 (1) 理解基本概念基本原理及其使用条件学习的方法 (2) 适当的课前预习可以使课堂听讲更容易抓住重点 (3) 课后复习要善于总结提炼, 找出规律和尚未理解的问题, 及时答疑 (4) 尽量结合光学实验学习 (5) 及时完成作业 11/45

12 0.2 本科程的特点和学习方法分组学习活动 :6 人一组有习题课 : 每一到两周一次 ( 确定时间?) 按组完成一些学习与活动有小论文光学摄影计算机模拟演示实验等成绩评定 : 分成几部分几何光学干涉与衍射偏振光学量子光学等部分考试考勤作业计算机模拟学术报告小论文竞赛等平时学习中存在的问题及对教学的建议等 12/45

13 0.2 本科程的特点和学习方法上课的要求与课程笔记请不要讲话不迟到不翘课若有听懂的问题, 请举手如何做课程笔记与总结? 课堂笔记课程大纲重点问题完整的课程要点公式推导问题的理解课后笔记整理课程总结讲课主线基本概念基本数学处理方法 13/45

14 0.3 光是什么? 英国物理学家数学家和天文学家牛顿 (Isaac Newton, ) 牛顿提出了光的微粒说, 认为光是由微粒形成的, 并且走的是最快速的直线运动路径能够解释 : 光的直线传播反射与折射定律等 14/45

15 0.3 光是什么? 荷兰物理学家天文学家数学家克里斯蒂安惠更斯 (Christian Huygens, ) 与牛顿同一时代的科学家惠更斯发展了光的波动学说 1678 年给巴黎科学院的信和 1690 年发表的光论一书中都阐述了他的光波动原理, 即惠更斯原理在此基础上用作图法解释了光的反射折射等现象 15/45

16 0.3 光是什么? 牛顿的微粒说与惠更斯的波动说构成了关于光的两大基本理论, 并由此而产生激烈的争议和探讨, 科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战因牛顿在学术界的权威和盛名, 微粒说一直占据着主导地位 16/45

17 0.3 光是什么? 英国物理学家托马斯杨 (Thomas Young, ) 1801 年, 杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验他认为光是在以太流中传播的弹性振动, 并指出光是以纵波形式传播的打破了微粒说的优势法国物理学家菲涅耳 (Augustin-Jean Fresnel,1788~1827) 17/45

18 0.3 光是什么? 英国物理学家麦克斯韦 (James Clerk Maxwell,1831~1879) 通过对电磁现象的研究, 建立了电磁学, 并将光和电磁现象统一起来, 认为光就是一定频率范围内的电磁波, 从而确立了波动说的地位这种理论预见后来得到了实验的证实 1873 年, 麦克斯韦完成巨著电磁学通论, 这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理相媲美的书, 具有划时代的意义 1887 年, 德国科学家赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz, ) 用实验证实了电磁波的存在也证实了光是电磁波的一种, 两者具有共同的波的特性赫兹在实验中同时也证实了光电效应 18/45

19 第0章 0.3 光是什么 1900年德国物理学家普朗克首次提出了关于物质体系与电磁波场交换能量过程中的量子化假设成功的导出了与实验符合的黑体辐射定律 1905年爱因斯坦提出光在本质上是由光量子组成的假设成功的解释了光电效应光子能量 1922年康普顿研究X射线散射康普顿效应光子能量光子动量 19/45

20 0.3 光是什么? 光的波粒二相性在与光的传播特性有关的现象中, 光表现为波动, 可由麦氏方程完美描述光的频率 =c/ 光的波长 =c/ 光速 c= 在光与物质作用并产生能量与动量交换的现象中, 光又充分表现出粒子的量子化特征光子能量光子动量 20/45

21 0.4 光源光线光谱范围光源什么是光源 : 任何发光的物体太阳火焰灯等热辐射 : 利用热能激发的光源非热辐射 : 电致发光荧光磷光化学发光生物发光两大类光源 : 普通光源激光光源点光源 : 只有空间位置无体积的光源面光源 : 扩展光源 21/45

22 0.4 光源光线光谱范围光线与光束光线 : 光能传播方向的几何线光束 : 有一定几何关系的一些光线的集合光谱范围 22/45

0.4 光源光线光谱范围 0.4.3 光谱范围人眼能看到的光谱区域光速 c= 3 10 8 m/s 光的频率 =c/ 3.

23 0.4 光源光线光谱范围光谱范围人眼能看到的光谱区域光速 c= m/s 光的频率 =c/ 3.9~ Hz 光的波长 =c/ 400~760 nm 光子能量 : =h 光子动量 :p= /c =h /c=h/ 23/45

24 0.4 光源光线光谱范围光谱范围 24/45

25 0.5 光度学与色度学基础眼睛能分辨光的强度 : 由黑到白为什么? 强度光度学眼睛能分辨光的颜色为什么? 频率色度学 25/45

26 0.5 光度学与色度学基础为什么眼睛有这些功能? 明视觉和暗视觉 : 两种感光细胞 26/45

27 0.5 光度学与色度学基础整个电磁波谱研究电磁辐射强弱的学科 : 辐射度学辐射最基本的量是什么? 发射传输接收的能量 : 辐射能辐射能 : 时间方向位置的变化? 辐射通量辐射强度辐射能量密度 27/45

28 0.5 光度学与色度学基础辐射通量 ( 辐射功率 ): 辐射度学中最基本的量定义 : 单位时间内光源发出 ( 或通过 ) 一定接受截面的辐射能单位 : 瓦用符号或者表示 = dq dt ( ) 辐射通量的谱密度 ; 单色辐射通量定义 : 在波长附近单位波长上的辐射通量辐射通量表达式 = = = d 光度学 : 研究光强弱 ( 明暗 ) 的学科眼睛有关人眼能看到的电磁波谱部分 : nm 区域 28/45

29 0.5 光度学与色度学基础光通量 : 辐射通量中引起光感的部分 K = 反映了眼的灵敏程度单色光见度光谱光效力光功当量在亮环境下, 人眼对 555nm 的绿色光最敏感, 此时 K =K max V( )= K K max 相对单色光见度光谱光视效率函数视见函数 V( )= K K max = = max max max max = max V( )= max 29/45

30 0.5 光度学与色度学基础定量比较 : 光使眼睛产生亮暗感觉的程度? 精确判断 : 两种颜色的光亮暗感觉是否相同? 在亮环境下, 人眼最敏感的光是 555nm 的绿色光 V( )= 555 相对单色光见度光谱光视效率函数视见函数 1mW 的 555nm 光亮度 2.5W 的 400nm 光亮度 V(400nm)= = /45

31 0.5 光度学与色度学基础光通量 : 辐射通量以视见函数折合成对眼睛的有效数量 V V( ) = V( ) ( ) = K max V( ) ( )d 单位 : 流明 (lm) K max 是波长 555nm 的光功当量 =683 lm/w 31/45

32 0.5 光度学与色度学基础光源的发光效率每瓦耗电功率所产生的流明数作为发光效率为什么白炽灯不省电? 白炽灯 1W ~ 10lm 荧光灯 1W ~ 50lm LED 灯 1W ~ 60lm 钠灯 1W ~ 100lm e ( 单位 :lm/w) 32/45

33 0.5 光度学与色度学基础发光强度描述了光源上一点的发光特性 1 定义 : 某一方向上单位立体角内所辐射的光通量的大小 2 公式: I d d 3 单位: 坎德拉 ( cd) 光度学的基本单位如果各方向发光强度都相同, 点光源发向四周的总光通量是多少? = I d =I d = 4 I 33/45

34 0.5 光度学与色度学基础发光强度描述了光源上一点的发光特性 y 球坐标下的立体角表达式 : 34/45 z 球坐标下的立体角 x d = ds rd rsin d = r2 r 2 = sin d d 在 (, ) 方向上 d 内的发光强度 I,, 则光通量 : d = I, d 发光强度不随空间方向变化, = I d = I

35 0.5 光度学与色度学基础发光强度描述了光源上一点的发光特性若光源的发光强度 I 与角无关, 只与角有关, 且随呈余弦规律变化光通量 : I, = I = I 0 cos 余弦 ( 朗伯 ) 辐射体 I 0 是光源表面法向发光强度 = I 0 cos d = I 0 cos sin d I 余弦辐射体向空间某一立体角辐射, 光通量为 : 2 = I 0 d sin cos d = I 0 sin 2 若是半空间 : I /45

36 0.5 光度学与色度学基础光出射度 ( 面发光度 ) 描述面光源的发光特性 1 定义 : 光源单位面积上所发出的光通量的大小 M 2 单位: 勒克斯 ( lx) d ds 1lx 1 lm/ m 在较大面积上均匀辐射的发光表面, 其平均光出射度 M S 2 36/45

37 0.5 光度学与色度学基础发光强度 : 方向光出射度 : 表面位置光亮度描述有限大小光源的发光特性 ( 综合了方向和表面位置 ) 1 定义 : 某一方向的单位面积光源, 在单位立体角内的光通量的大小 L, = d ds n d = d dscos d = 单位面积上的发光强度 I dscos N R d d 讨论 : 光出射度大 ; 发光强度大 dscos 朗伯辐射体 : I, = I = I 0 cos ds 亮度与方向无关 37/45

38 0.5 光度学与色度学基础 2 亮度单位 : 尼特 (nt) 坎德拉每平方米 ( cd/m 2 ) 1nt 1 cd / m 2 表示 : 1 m 2 的均匀发光表面, 在垂直方向 ( =0) 的发光强度为 1 cd 时, 该面的光亮度为 1 nt 亮度的另一个单位熙提 (sb) 表示 :1cm 2 的均匀发光表面, 在垂直方向 ( =0) 的发光强度为 1 cd 时, 该面的光亮度为 1sb / sb cd cm nt 38/45

39 0.5 光度学与色度学基础一些光源具备的光亮度 (sb) 地面所见到的太阳表面 150,000 晴朗的白天天空 0.3 月亮表面 0.25 没有月亮的夜空 10-8 烛焰 1.5 生活中的钨丝灯汽车钨丝灯 /45

40 0.5 光度学与色度学基础光照度光源发出的光投射到某表面, 该表面的量暗程度 1 定义 : 单位面积上接收的光通量大小 E d ds 2 单位 : 勒克斯 (lx) 1lx 1 lm/ m 1 cd sr / m 2 2 皓月当空 : 0.2 lx 读书 : 50 lx 精细工作 : 100 lx 40/45

41 0.5 光度学与色度学基础 ds 接收到的光通量 : d = I, d = I, dscos R 2 照度 : E = d ds = I, cos R 2 讨论 : 1. 发光强度越大则 E 越大 2. 距离越大则 E 越小 3. 与方向有关, 垂直照明时 E 最大 4. 人眼具有分辨 E 大小的能力自习教室, 希望亮些, 应该在哪儿? 41/45

42 0.5 光度学与色度学基础三种锥状细胞的响应 42/45

43 0.5 光度学与色度学基础为什么三种响应细胞会看到缤纷的世界? 43/45

44 0.5 光度学与色度学基础颜色合成演示仪蓝 + 绿绿 + 红红 + 蓝 44/45

45 作业 :1) 请大家收集与光学有关的成语和通常描述并给予物理解释五光十色霞光万道光芒万丈闪烁的星光银色的月光火红的太阳作业 :2) 请大家收集与自行拍摄光学照片光学摄影 : 有光学内涵和美学的照片 ( 学期作业组的作业 ) 光学图片 : 有光学内涵和美学的网络图片 ( 每人一张作业 ) 作业 :3) 计算余弦辐射圆盘在轴上一点产生的垂直照度作业 :4) 一支氦氖激光器发射波长 632.8nm 的激光束 10 mw, 发散角 1 mrad 试求此激光束的光通量和发光强度若光束截面取为 1mm2, 此激光器的亮度是多少? 若和太阳亮度相比, 亮度差别多大? 由此能得到什么结论? 45/45

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國語領域計畫表新竹市曙光國民小學 105 學年度三年級上學期社會領域課程計畫表設計者 : 李麗娟一本領域每週學習節數節, 本學期共 6 節二本學期課程架構 : 第一單元我的家庭第 1 課我們的姓名第 2 課家庭的生活社會上第二單元家庭與倫理第三