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第六章 波 6-1 波速、頻率與波長 6-2 波的特性 6-3 都卜勒效應 6-4 光 6-5 電磁波

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1 第六章 波 6-1 波速、頻率與波長 6-2 波的特性 6-3 都卜勒效應 6-4 光 6-5 電磁波
高中基礎物理(一) 第六章 波 6-1 波速、頻率與波長 6-2 波的特性 6-3 都卜勒效應 6-4 光 6-5 電磁波

2 6-4 光 折射現象 光的粒子說 補充資料─全反射 光的波動說 光的干涉 光的二象性 光的繞射 反射定律 干涉與繞射實例 鏡面反射與漫反射
6-4 光 折射現象 補充資料─全反射 光的干涉 光的繞射 干涉與繞射實例 示範實驗─楊氏雙狹縫干涉 範例題 光的粒子說 光的波動說 光的二象性 反射定律 鏡面反射與漫反射 平面鏡成像 平面鏡成像性質 光反射的應用 折射

3 光的粒子說 牛頓發表了光的微粒說,認為光是由微小粒子組成: 光遵守力學定律,由此可解釋光的直線傳播,並推導出光的反射與折射定律。
預測了光在介質中(如水或玻璃等)的光速比在空氣中快。

4 光的波動說 惠更斯提出了光的「波動說」,認為光是在介質中傳遞的一個擾動或波。 波動說可以解釋光的反射與折射現象。
楊氏雙狹縫干涉實驗,更確定了光的波動性。

5 光的二象性 愛因斯坦提出光同時具有波動和粒子的特性: 電磁波是由許多具有特定能量的「光子」組成,具有粒子性。
光有時呈現波動性,有時呈現粒子性,需要視光與周遭所處狀況來決定其性質。

6 反射定律 光發生反射時遵守以下規則,並稱為反射定律: 入射線、反射線位於法線兩側,且三線在同一平面上。 入射角等於反射角。

7 鏡面反射與漫反射 平行光射向平面鏡時,反射光會反射到一特定方向上,這種平滑面的反射稱為鏡面反射 (specular reflection)。
平行光入射到不規則表面使反射光線反射至不同角度,使任意方向上都有反射光線稱為漫反射(diffuse reflection)。 (A)為鏡面反射,如(B)中燈泡在平靜水面的倒影清晰;(C)為漫反射,如(D)中水面起伏不平,由遠至近皆有燈泡的部分光線反射至觀察者眼中,故看起來為長條狀光影。

8 平面鏡成像 一平面鏡鉛直放置,若光自 S 點向四面八方射出,反射後的光線無論從何處觀察,有如從S’點發出。故觀察者在鏡前任意位置,彷彿都感覺到有一固定位置的點光源位於 S’:

9 平面鏡成像性質 像與原物體大小相等。 成像為正立虛像。 像到鏡面的距離,等於物到鏡面的距離。

10 光反射的應用(1/3) 當兩面平面鏡垂直放置時,最多可同時看到三個像,兩側的像為一次反射所造成,而中間的像則為光線經兩次反射所造成。

11 光反射的應用(2/3) 在叉路或彎路的轉角,利用凸面鏡的反射,可獲得比平面鏡大的視野,但成像縮小。

12 光反射的應用(3/3) 化妝時所用的化妝鏡使用凹面鏡裝置,具有放大臉部影像的功能。
探照燈、汽車前燈的反射板則都是拋物面鏡,將燈泡置於拋物面的焦點,此時焦點所發出的光線射向鏡面反射後,會平行射出。

13 折射 光從一介質進入到另一介質時光的行進方向會偏離原入射方向,這種現象稱為光的折射。
折射現象可得知入射線、折射線、法線及反射線皆會位於同一平面上(此平面稱入射面),其中折射線與法線之夾角稱為折射角。 光線由光速慢的介質射向光速快的介質,折射角大於入射角。若由光速快的介質射向光速慢的介質,折射角小於入射角。

14 折射現象(1/2) 黃昏看到太陽在地平線上,其實太陽的實際位置早已落至地平線以下了,這是因為大氣層對太陽光的折射所造成的。

15 折射現象(2/2) 插入水中的吸管看起來會向上彎折﹔從水面上看魚,眼睛所見魚的位置會比實際魚的位置上升一些。 15

16 補充資料─全反射(1/2) 若光線由光速慢的介質射向光速快的介質時,折射角恆大於入射角。若入射角繼續增大,折射角亦會隨著增大,當入射角達到某個特別角度(稱為臨界角)時,折射角將會達到 90°(即折射線沿著界面前進,但事實上並不會產生這道光線),所以只要入射角大於臨界角,入射光線將全部反射回原介質,而不會有折射發生,此現象稱為全反射。

17 補充資料─全反射(2/2) 光纖通訊就是利用光的訊號在光纖中全反射現象,鑽石加工後表面會切割成許多特定角度的平面,頂部的入射光會在內部發生全反射而最後從頂部射出,所以使得鑽石看起來閃耀奪目。

18 光的干涉(1/2) 1. 仿照兩圓形水波在水面形成干涉,兩列光波在空間相遇時相互疊加,也會發生了干涉現象。 雙狹縫干涉圖形示意圖

19 光的干涉(2/2) 2. 雙狹縫干涉產生明暗相間且條紋均勻的圖案。 3. 當光波通過兩狹縫,可視為新的兩個波源,兩波源彼此互相干涉。其中,暗紋表示兩波在此相消干涉,亮紋則表示兩波在此相長干涉。 19

20 光的繞射 光波在傳播時,如果被一個大小接近於或小於波長的物體阻擋,光繞過這個物體繼續進行的現象,稱為光的繞射。
光通過一條細縫後,形成明暗相間,且中央亮帶特別寬的條紋,稱為光的單狹縫繞射。 由於日光含有多種波長,繞射後呈現各種繽紛色彩。

21 干涉與繞射實例 1. 光碟片在光線照射下呈現七彩光芒。 2. 某些鳥類和蝴蝶呈現的多種燦爛色彩。 3. 肥皂泡泡常出現彩色紋路。 21

22 示範實驗─楊氏雙狹縫干涉 將雷射光對準雙狹縫,在可以清楚看見的距離處放置屏幕。 打開雷射光源,觀察屏幕上產生條紋的圖樣。
雙狹縫的實驗裝置,雷射光為點光源,兩點光源所成的像為明暗相間的點。

23 範例 10 光的性質 甲:「粒子說」和「波動說」對於光的直進、反射和折射皆可解釋;乙:「粒子說」預測光在空氣中之速率要比在介質中快;丙:「波動說」是牛頓提出來的;丁:「粒子說」無法解釋干涉和繞射現象。對於光的「粒子說」和「波動說」,上列之敘述有哪些是對的? (A)乙、丙、丁  (B)甲、乙、丁  (C)甲、丁  (D)甲、乙

24 範例 10 解題 答 (C) 「粒子說」預測光在空氣中之速率要比在介質中慢;「波動說」是惠更斯提出來的。

25 範例 10 類題  下列關於光的敘述,正確的共有幾項?(甲)牛頓提出波動說、惠更斯提出粒子說、愛因斯坦提出光子說;(乙)光是電磁波,不需介質也能傳播;(丙)光的干涉與繞射現象表現出光的波動性;(丁)光的二象性(二重性)是指光同時具有粒子、波動性;(戊)光在真空中的速度比在介質中慢;(己)可見光的波長約在 380 奈米至 770 奈米;(庚)影子是因為光直線前進所產生。 (A) 4 (B) 5 (C) 6 (D) 7。 答 (B) 解 (乙)、(丙)、(丁)、(己)、(庚)是正確的。

26 範例 11 光的反射 (1)我們可以在白天時看到天空是亮的,呈現藍色,是因為太陽光照射空氣分子產生的 (A)單向反射 (B)漫反射
範例 11 光的反射 (1)我們可以在白天時看到天空是亮的,呈現藍色,是因為太陽光照射空氣分子產生的   (A)單向反射   (B)漫反射    (C)干涉     (D)折射 (2)已知月球上沒有大氣層,因此在月球上所看到的天空是   (A)藍色的    (B)紅色的    (C)黑暗的    (D)蒼白的 答 (1)(B) (2)(C) 26

27 範例 11 類題  平靜的湖面上常可看到湖邊建築或樹木的美麗倒影 ,但在有浪的海面上卻只能看到海浪的起伏,而看 不到岸邊物體的倒影,其原因為下列何者? (A)浪濤洶湧,容易造成色散 (B)海水中含有鹽分,造成折射 (C)海浪使海面不平坦,造成漫反射(漫射) (D)海水折射率大於純水的折射率,造成全反射 (E)海面遼闊無邊,容易使岸邊物體的影像全部透射入海中 答 (C) 解 平靜海面造成單向反射;不平坦海面造成漫反射。 27

28 範例 12 光的反射

29 範例 12 解答 答 (B) 將三個虛像與眼睛 P 連線,只有像Ⅱ、像Ⅲ與 P 的連線會通過乙鏡,表示眼睛透過乙鏡可看到像Ⅱ與像Ⅲ。

30 範例 12 類題 

31 範例 12 類題 解答  答 (B) 由兩鏡的交線看去,其虛像為二次成像,與原物比較為正立且左右相同。

32 範例 13 光的折射 一束可見光在空氣中由左向右通過一片實心平行玻璃板,試問其可能軌跡為何?

33 範例 13 解答 答 (E) 光由空氣進入玻璃應偏向法線、光由玻璃進入空氣則偏離法線,且若玻璃兩面平行則經兩次折射後折射光會平行入射光,此稱側位移。 33

34 範例 13 類題  夜間潛水時,水面下的人與岸上的另一人以光互傳訊息,如圖所示,圖中乙與戊為光不偏折的路徑。下列哪些選項為光訊息可能的行進路徑?(應選兩項) (A)甲  (B)乙  (C)丙  (D)丁  (E)己 答 (C)(E) 解 光線由空氣進入水中,偏向法線;光線由水進入空氣中,偏離法線。

35 範例 14 光的繞射 下列的光學現象,何者是光干涉與繞射的結果?(應選三項) (A)雨後天空的彩虹 (B)肥皂泡薄膜上的彩紋 (C)光線無法通過兩片互相垂直的偏振片 (D)雷射光對單狹縫的繞射條紋 (E)光碟片上的彩色現象 答 (B)(D)(E)

36 範例 14 類題  下列各種物理現象中,哪一種可用光線干涉與繞射的理論來解釋? (A)針孔成像 (B)烈日下的樹影 (C)肥皂泡薄膜的五顏六色 (D)面鏡成像 答 (C) 36

37 範例 15 光的繞射 下列哪一組光源通過狹縫(狹縫的大小略大於可見光波長)後,產生的干涉或繞射圖案是正確的?

38 範例 15 解答  答 (E) 若狹縫直立,則條紋會向兩側開展,而狹縫橫置,條紋會向上下開展。單狹縫的繞射條紋中央亮帶較其他亮帶寬,而雙狹縫干涉條紋則各條紋均一樣寬。

39 範例 15 類題

40 範例 15 類題 解答 答 (A) 狹縫直立但寬度為左、右方向,所以產生的繞射條紋應向左、右兩側開展。單狹縫繞射條紋,中央亮帶的寬度較其他亮帶寬度寬,故應選(A)。


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