一、光的反射

光射到两种不同的介质时，便有部分光自界面射回原介质中的现象，称为光的反射。

 

1、分类

（1）镜面反射：平行光线射到光滑表面上时反射光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射。

（2）漫反射：平行光线射到凹凸不平的表面上，反射光线射向各个方向，这种反射叫做漫反射。

（3）方向反射：介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射，其表现为各向都有反射，且各向反射强度不均一。

表面平滑的物体，易形成光的镜面反射，形成刺目的强光，反而看不清楚物体。通常情况下可以辨别物体之形状和存在，是由于光的漫射之故；日落后暂时能看见物体，乃是因为空气中尘埃引起光的漫射之故。镜面反射和漫反射都是遵循光的反射定律。

 

2、分布

（1）入射点：入射光线与镜面的交点；

（2）法线：过入射点且垂直于镜面的直线叫做法线；

（3）入射角：入射光线与法线的夹角叫做入射角；

（4）反射角：反射光线与法线的夹角叫做反射角。

 

3、反射定律

（1）反射角等于入射角，入射光线与平面的夹角等于反射光线与平面夹角。

（2）反射光线与入射光线居于法线两侧。

（3）反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内。

 

4、反射的四大特性

（1）共面：法线是反射光线与入射光线的角平分线所在的直线。

（2）异侧：入射光线与反射面的夹角和入射角的和为90°。

（3）等角：反射角等于入射角，反射角随入射角的增大而增大，随入射角减小而减小。

（4）可逆：光路是可逆的。

 

二、光的折射

光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折的现象叫光的折射。

 

1、折射定律

（1）折射光线和入射光线分居法线两侧（法线居中，与界面垂直）。

（2）折射光线、入射光线、法线在同一平面内（三线两点一面）。

（3）当光线从空气斜射入其它介质时，角的性质：折射角（折射率大的一方）小于入射角（折射率小的一方）。

（4）当光线从其他介质斜射入空气时，折射角大于入射角。

（以上两条总结为：谁快谁大。即为光线在哪种物质中传播的速度快，那么不管那是折射角还是入射角都是较大的角，在真空中的角度总是最大的。）

（5）在相同的条件下，折射角随入射角的增大（减小）而增大（减小）。

（6）折射光线与法线的夹角，叫折射角。

（7）光从空气垂直射入水中或其他介质时，传播方向不变。

 

P.S.：

（1）光垂直射向介质表面时（折射光线、法线和入射光线在同一直线上），传播方向不变，但光的传播速度改变。

（2）在光的折射现象中，光路是可逆的。

（3）不同介质对光的折射程度是不同的。{气体>液体>固体（折射角度），介质密度大的角度小于介质密度小的角度}

（4）光从一种透明均匀物质斜射到另一种透明物质中时，折射的程度与后者分析的折射率有关。

（5）光从空气斜射入水中或其他介质时，折射光线向法线方向偏折。

（6）入射角的正弦值与折射角的正弦值的比等于光在两种介质中的速度比、波长比。

 

2、全反射

光由光密（即光在其中传播速度较小的）媒质射到光疏（即光在其中传播速度较大的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象，称为全反射。

当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射；当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角；当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射。所以产生全反射的条件是：

①光必须由光密介质射向光疏介质；

②入射角必须大于临界角。（临界角是折射角为90°时对应的入射角只有光线从光密介质进入光疏介质且入射角大于临界角时，才会发生全反射。）

如图所示，当入射角θ增加到某种情形时，折射线延表面进行，即折射角为90°，该入射角C称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反回光密媒质此现象称为全反射。

 

三、光的衍射

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。

 

1. 分类

（1）狭缝衍射

让激光发出的单色光照射到狭缝上，当狭缝由很宽逐渐减小，在光屏上出现的现象会怎样？

当狭缝很宽时，缝的宽度远远大于光的波长，衍射现象极不明显，光沿直线传播，在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线；但当缝的宽度调到很窄，可以跟光波相比拟时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹，纹缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽。但亮度越来越暗。

试验：可以用游标卡尺调整到肉眼可辨认的最小距离，再通过此缝看光源。

（2）小孔衍射

当孔半径较大时，光沿直线传播，在屏上得到一个按直线传播计算出来一样大小的亮光圆斑；减小孔的半径，屏上将出现按直线传播计算出来的倒立的光源的像，即小孔成像；继续减小孔的半径，屏上将出现明暗相间的圆形衍射光环。

 

2、产生条件

产生衍射的条件是：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，所以当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。

 

3、特点

衍射是一切波所共有的传播行为。日常生活中声波的衍射、水波的衍射、广播段无线电波的衍射是随时随地发生的，易为人觉察。但是，光的衍射现象却不易为人们所觉察，这是因为可见光的波长很短，以及普通光源是非相干的面光源。当用一束强光照明小孔、圆屏、狭缝、细丝、刀口、直边等障碍物时，在足够远的屏幕上会出现一幅幅不同的衍射图样。在实验室中，过去用碳弧灯这类强点光源，而广泛采用氦氖激光器作光源来显示衍射现象，收到了良好的效果。衍射现象具有两个鲜明的特点：

①光束在衍射屏上的某一方位受到限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。

②若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫。理论上表明光孔横向线度ρ与衍射发散角Δθ之间存在反比关系，ρΔθ≈λ。

当光孔线度远远大于光波长λ时，衍射效应很不明显，近似于直线传播。当光孔线度逐渐变小，衍射效应逐渐明显，在远处便出现亮暗分布的衍射图样。当光孔线度小到可以同光波长相比拟时，衍射效应极为明显，衍射范围弥漫整个视场，过渡为散射情形。

 

4、应用

光的衍射决定光学仪器的分辨本领。气体或液体中的大量悬浮粒子对光的散射，衍射也起重要的作用。在现代光学乃至现代物理学和科学技术中，光的衍射得到了越来越广泛的应用。衍射应用大致可以概括为以下四个方面：

①衍射用于光谱分析，如衍射光栅光谱仪。

②衍射用于结构分析。衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构，如X射线结构学。 

③ 衍射成像。在相干光成像系统中，引进两次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技术和光学信息处理。光瞳衍射导出成像仪器的分辨本领。

④衍射再现波阵面。这是全息术原理中的重要一步。

⑤X光的衍射可用于测定晶体的结构，这是确定晶体结构的重要方法。

 

四、光的干涉

两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强（亮），在另一些区域则始终削弱（暗），形成稳定的强弱（明暗）分布的现象，称为光的干涉。

干涉现象通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间条纹分布；有时则表现为，当干涉装置的某一参量随时间改变时，在某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替的变化。

 

1、分类

（1）双光波干涉

即两个成员波的干涉。杨氏双孔和双缝干涉、菲涅耳双镜干涉及牛顿环等属于此类。双光波干涉形成的明暗条纹都不是细锐的，而是光强分布作正弦式的变化，这就是双光波干涉的特征。多光波干涉则可形成细锐的条纹。

（2）多光波干涉

即多于两个成员波的干涉。陆末-格尔克片干涉属于此类。

图中A为平行平板玻璃，一端开有倾斜的入射窗BC。从S发出的源波经BC进入玻璃片后在其上、下表面间多次反射。每次在上表面反射时，皆同时有一波折射入空气中。所有各次折射入空气中的波就是从同一源波按分振幅方式造成的一组成员波。在透镜L 的焦平面Π上观测干涉条纹。相邻两波在P点的位相差为式中λ 为光波在真空中的波长，n为玻璃的折射率，t为玻璃片厚度，β 为玻璃片内的光程辅助线与表面法线的夹角。在接收面光强分布的条纹十分细锐，这是多光波干涉的特征。

（3）偏振光的干涉

在以上所举的干涉中，各成员波在考察点处可认为偏振方向大体一致。当参与干涉的两个成员波的偏振面夹有一定角（例如 90°）时，如何产生干涉见偏振光的干涉。

 

2、产生条件

只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

 

3、应用

（1）根据光的干涉原理可以进行长度的精密计量。例如用迈克耳孙干涉仪校准块规的长度。

（2）利用干涉现象还可以检测加工过程中工件表面的几何形状与设计要求之间的微小差异。例如要加工一个平面，则可首先用精密工艺制造一个精度很高的平面玻璃板（样板）。

 

4、相干光

频率相同，且振动方向相同的光可称为相干光。两束满足相干条件的光也可称为相干光。

相干条件：这两束光在相遇区域①振动方向相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定。那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。

获得相干光源的三种方法：

（1）分波阵面法

将点光源的波阵面分割为两部分，使之分别通过两个光具组，经反射、折射或衍射后交迭起来，在一定区域形成干涉。由于波阵面上任一部分都可看作新光源，而且同一波阵面的各个部分有相同的位相，所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，不论点光源的位相改变得如何快，这些光源的初相位差却是恒定的。杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜都是这类分波阵面干涉装置。

（2）分振幅法

当一束光投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜，它是利用透明薄膜的上下表面对入射光的依次反射，由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分，只是经历不同的路径而有恒定的相位差，因此它们是相干光。另一种重要的分振幅干涉装置，是迈克耳孙干涉仪。

（3）采用激光光源

激光光源的频率、位相、振动方向、传播方向都相同。

 

五、光的偏振

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

 

1、分类

（1）线偏振光

在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光）。你可以通过一个实验想象这是一种什么景象：你把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上，另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。如果你现在拿绳子上下振动，绳子产生的波就会从两根竹子之间通过，并从你的手传到那棵树上。这时，那座篱笆对你的波来说是“透明的”。但是，要是你让绳子左右波动，绳子就会撞在两根竹子上，波就不会通过篱笆了，这时这座篱笆就相当于一个起偏振器件。

（2）部分偏振光

光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。

当光线从空气（严格地说应该是真空）射入介质时，布儒斯特角的正切值等于介质的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的，对同样的介质，布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率计算，布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。

（3）椭圆偏振光

在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果。

（4）圆偏振光

旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的，但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

 

2、产生方法

从自然光获得线偏振光的方法有以下四种：

（1）利用反射和折射；

（2）利用二向色性；

（3）利用晶体的双折射；

（4）利用散射。

另外，线偏振光可以经过波晶片产生圆偏振光和椭圆偏振光。

 

3、应用

（1）电子表的液晶显示用到了偏振光

                                             液晶原理

两块透振方向相互垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板，它们刻成了数字笔画的形状。外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光。这束光在通过液晶时，如果上下两极板间没有电压，光的偏振方向会被液晶旋转90度（这种性质叫做液晶的旋光性），于是它能通过第二块偏振片。第二块偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。但在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质改变了，旋光性消失，于是光线通不过第二块偏振片，这个电极下的区域变暗，如果电极刻成了数字的笔画的形状，用这种方法就可以显示数字。

（2）在摄影镜头前加上偏振镜消除反光

                                               偏振镜效果

在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。要通过取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的效果。当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转动镜面。

（3）摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗

由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天变的很暗，突出了蓝天中的白云。偏振镜是灰色的，所以在黑白和彩色摄影中均可以使用。

（4）使用偏振镜看立体电影

在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。

立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。当然，实际放映立体电影是用一个镜头，两套图像交替地印在同一电影胶片上，还需要一套复杂的装置。

光在晶体中的传播与偏振现象密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制等技术手段。

（5）生物的生理机能与偏振光

人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五只眼：三只单眼、两只复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。

再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。

（6）汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼

远光灯是非常讨厌的，但是利用光的偏振可以解决这个问题。我们可以将汽车灯罩设计成斜方向45°的偏振镜片，这样射出去的光都是有规律的斜向光。汽车驾驶员戴一副夜间眼镜，偏振方向与灯罩偏振方向相同。如此一来，驾驶员只能看到自己汽车射出去的光，而对面汽车射来光的震动方向，正好是与本方向汽车成90°角，那样对面的车灯光线就不会再晃到驾驶员的眼睛。

当然要实现这个设想需要很漫长的道路，首先世界必须制定一个统一的标准，来规定灯罩与眼镜的偏振方向；其次偏振眼镜必然会损失一部分光线，那么驾驶员的视野会受到影响；而且汽车大灯的功率都很大，其一半的能量都被偏振镜片吸收，一定会产生大量的热，对于汽车灯罩的做工，也是一个非常大的考验。

 

4、偏振度

在部分偏振光的总强度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度。

特征：偏振度的数值愈接近1，光线的偏振化程度就愈纯粹，一般偏振度都小于1。

 

六、丁达尔效应

当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应或者丁泽尔现象、丁泽尔效应、廷得耳效应。

丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用物理方法。

 

1、产生原因

在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶液粒子直径一般不超过1 nm，胶体粒子介于溶液中溶质粒子和悬浊液粒子之间，其直径在1~100 nm，小于可见光波长（400 nm～700 nm），因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。而对于真溶液，虽然分子或离子更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，真溶液对光的散射作用很微弱。此外，散射光的强度还随分散体系中粒子浓度增大而增强。

所以说，胶体能有丁达尔现象，而溶液几乎没有，可以采用丁达尔现象来区分胶体和溶液。注意：当有光线通过悬浊液时有时也会出现光路，但是由于悬浊液中的颗粒对光线的阻碍过大，使得产生的光路很短。

 

2、例证

（1）丁达尔现象

1869年，丁达尔发现，若令一束汇聚的光通过溶胶，则从侧面（即与光束垂直的方向）可以看到一个发光的圆锥体，这就是丁达尔效应。

其他分散体系产生的这种现象远不如胶体显著，因此，丁达尔效应实际上成为判别胶体与真溶液的最简便的方法。如图所示为Fe（OH）3溶胶与CuSO4溶液的区别。

可见光的波长约在400～700 nm之间，当光线射入分散体系时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射，可能发生以下三种情况：

①当光束通过粗分散体系，由于分散质的粒子大于入射光的波长，主要发生反射或折射现象，使体系呈现混浊。

②当光线通过胶体溶液，由于分散质粒子的半径一般在1～100 nm之间，小于入射光的波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱，出现丁达尔现象。

③当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。

（2）胶体现象

光射到微粒上可以发生两种情况，一是当微粒直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是微粒直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。散射光的强度，还随着微粒浓度增大而增加，因此进行实验时，胶体浓度不要太稀。

（3）暗室现象

在暗室中，让一束平行光线通过肉眼看来完全透明的胶体，从垂直于光束的方向，可以观察到有一浑浊发亮的光柱，其中有微粒闪烁，该现象称为丁达尔效应。在胶体中分散质粒子直径比可见光波长要短，入射光的电磁波使颗粒中的电子做与入射光波同频率的强迫振动，致使颗粒本身像一个新光源一样，向各方向发出与入射光同频率的光波。丁达尔效应就是粒子对光散射（光波偏离原来方向而发散传播）作用的结果，如黑夜中看到的探照灯的光束、晴天时天空中的蓝色，都是粒子对光的散射作用。根据散射光强的规律和溶胶粒子的特点，只有溶胶具有较强的光散射现象，故丁达尔现象常被认为是胶体体系。

（4）树林现象

清晨，在茂密的树林中，常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，类似于这种自然界现象，也是丁达尔现象。这是因为云、雾、烟尘也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。

（5）耶稣光

耶稣光即丁达尔效应的形成，是靠雾气或是大气中的灰尘，当太阳照射下来投射在上面时，就可以明显看出光线的线条，加上太阳是大面积的光线，所以投射下来的，不会只是一点点，而是一整片的壮阔画面这种为风景带来一种神圣的静谧感的光线，不知何时被命名为了“耶稣光”。