物理奥赛培训光学辅导
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多普勒效应
物理奥赛培训光学辅导
关于光的理论
• 光是粒子流（光线） • 光是波（电磁波） • 光是具有波粒二相性的波
物理奥赛培训光学辅导
1、几何光学
物理奥赛培训光学辅导
1.1、反折射定律
法线
介质1：折射率 n1 介质2：折射率 n2
反射定律 折射定律
物理奥赛培训光学辅导
1.1、反折射定律
折射率
物理奥赛培训光学辅导
薄膜
物理奥赛培训光学辅导
2.2 、杨氏双缝干涉
单色光
r1
d
r2
D
x o
条件： d >>λ，D>> d
光程差：
相位差：
物理奥赛培训光学辅导
2.2 、杨氏双缝干涉
明纹条件
暗纹条件
物理奥赛wenku.baidu.com训光学辅导
2.2 、双缝干涉条纹
物理奥赛培训光学辅导
2.3 、光的衍射 惠更斯—菲涅耳原理 单缝夫琅禾费衍射
x
0
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2.1、光程、光程差
光程 : L = nd
光程差 ： = L2 - L1
L2
L1
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2.1 、相干条件
同频率, 同偏振方向,有恒定相位差 另外，振幅相差不悬殊，光程差不能太大
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2.1 、普通光源获得相干光的途径
分波面法
p
S*
分振幅法
p
S*
法线
物理奥赛培训光学辅导
1.1、 反折射定律
折射率大的介质叫光密介质，小的叫光疏介质
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1.2、全反射
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1.3 、近轴光线的概念
数学表达：
a b
c
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1.4 、近轴光线的概念
近垂直入射
折射定律
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1.5、 球面镜的焦点
i
A
B
现象:
衍射屏
S
*
a
10 - 3 a
观察屏
衍射屏
L
S *
观察屏 L
定义: 光在传播过程中能绕过障碍物 的边缘而偏离直线传播的现象
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3、光的量子理论
物理奥赛培训光学辅导
3.1 基本内容
• 光线是光子流，每个光子具有
满足能量、动量守恒定律 光压：光子流产生的压强
物理奥赛培训光学辅导
C
O
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1.6、 凸球面透射的焦点
i
A
r
B
O
C
物理奥赛培训光学辅导
物理奥赛培训光学辅导
1.7 、凹球面透射的焦点
r
i
A
C
O B
物理奥赛培训光学辅导
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1.8 凸透镜的焦点
n1
A
B
C
O1
n2
O2
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1.9、 成像法则
焦平面
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• （2）在保持刻度精度的条件下增加高度可以提高 回归年的测量精度，元代科学家郭守敬就是以此 方式大大提高了回归年的测量精度。假设圭表增 加到10米，估算由此测得的回归年误差。
• （3）然而郭守敬建立了10米的圭表后，发现事与 愿违，由于圭越高，影子边缘越模糊。设这一现 象是由于太阳有一定的体积造成的，问由此造成 的边缘阴影的模糊范围。
3.2 、 多普勒效应
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3.2.1 波的多普勒效应
情景1：固定波源，产生10个周期的一列波，波速u, 则：
情景2：波源以速度v运动（向着观测者）， 产生10个周期的一列波，波速u, 则：
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3.2 沿运动方向的波频率变大
t2 t1
t2 t1
X=u(t-t2) X=u(t-t1)
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1.11.2、3D显示技术原理 • 左右眼看视角不同
物理奥赛培训光学辅导
1.11.3 、眼镜3D
• 红蓝滤色眼睛 • 偏振眼睛 • 主动式眼睛
物理奥赛培训光学辅导
1.11.4 、裸眼3D（遮光式）
物理奥赛培训光学辅导
1.11.5、 裸眼3D（折光式）
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1.11.5 、圆柱镜折射原理
焦平面
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1.12 、负折射材料
物理奥赛培训光学辅导
1.12.1、负折射材料性质 n2<0
法线
介质1：折射率 n1 介质2：折射率 n2
反折定律 折射定律
物理奥赛培训光学辅导
1.12.1、负折射材料性质
物理奥赛培训光学辅导
1.12.1、负折射材料实验
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1.12.2、n=-1的情况：平板成像
E3
E2 E1
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3.7、激光冷却原理
物理奥赛培训光学辅导
3.7、 激光冷却原理
多普勒效应的应用
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日晷
圭表
物理奥赛培训光学辅导
• 圭表是测量回归年长度，确定季节的天文仪器， 如图。
• （1）假定圭的高度1米，表的刻度精度到厘米， 估算此设备测量回归年的误差，已知当地纬度为 北纬40度。
1.9 成像法则
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1.10 成像的公式
透镜、球面镜
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1.11 、3D成像原理
物理奥赛培训光学辅导
1.11.1 、眼睛辨别距离（空间感）原理
物理奥赛培训光学辅导
1.11.1、一直眼睛只能接收来自
一个方向的光线
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1.11.1、玻璃杯中的钱币
物理奥赛培训光学辅导
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1.12.3、n<-1的负折射情况
图2
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1.12.3、 隐含近轴光线条件
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1.12.4 、负折射隐形原理
物理奥赛培训光学辅导
1.13、小孔成像
物理奥赛培训光学辅导
2、波动光学
物理奥赛培训光学辅导
2.1、 波速、波长、频率、相位
物理奥赛培训光学辅导
3.5.2 、从量子的角度：光具有动量
物理奥赛培训光学辅导
3.5.2、 动量守恒定光压方向
物理奥赛培训光学辅导
3.5.2 、动量守恒定广压方向
物理奥赛培训光学辅导
3.5.3 、空心激光光镊
• 决赛第八题（10分） 空心激光束是一种在传播方向上中心 光强为零的圆筒形光束．由于这一特征，它可以把某些微 小粒子约束在激光束的中心部位，作为激光导管、激光镊 子、光学扳手等，实现对纳米粒子、生物细胞等微小粒子 的精确操控．空心激光技术目前在生物学、激光加工、原 子冷却等方面得到了广泛的应用，正逐渐成为一门新兴的 学科分支．产生空心激光束的基本做法是利用光学系统将 一束实心的圆柱形激光转换成为一束空心的激光。 给定如下光学器件：凸透镜，锥面反射镜，球面镜， 如图：
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3.3、 相对论多普勒效应
• 狭义相对论：运动的尺子长度变短，运动的时钟变慢
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3.4 、反多普勒效应：负折射率介质
相位传播方向
能量传播方向
反多普勒效应： 声源靠近，频率增大，声源远离，频率物减理奥小赛培训光学辅导
3.5、 激光光镊
物理奥赛培训光学辅导
3.5.1 、先谈谈彩虹
• （4）于是郭守敬想到了一个办法改善阴影长度的 测量方法—小孔成像原理，请你据此原理推测郭 守敬是如何实现的。太阳到地球的距离149597870 千米，太阳的直径约为1 391 000千米
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3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/22
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利用上述光学器件设计一光学系统，使得一束很细的实心圆 柱形入射激光转化成一束空心的出射激光，且空腔为圆柱形 ，半径为 请回答如下问题： 1、画出该光学系统的光路图． 2、求该光学系统中锥面镜顶点到球面镜球心的距离
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参考解答： 1、光路图如下，指出被球面镜反射的光线汇聚于凸透镜的焦点.
2、参照所给光路图，可知
两式联立，可求得
设
, 有如下几何关系：
(1)
.
（2）
.
（3）
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3.5.3、 空心激光光镊
可以构造不同中空方式的中空激光光束，用于激光 导管、光镊、光学扳手等
其他两种典型类型
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3.6、 原子的核外电子能级量子化
• 原子中的电子只能吸收和放出某些特定频 率的电磁波。
物理奥赛培训-光学辅导
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主要内容
• 1 、几何光学的基本理论 平面镜、凸面镜、凹面镜、凸面折射、凹面折射、 凸透镜、凹透镜的成像原理—近轴光线+反折射定律
• 2、 波动光学—位相与光程 • 3 、光的量子理论—光子的动量与能量 • 深、广、新、奇、活 • 新：3D成像、负折射、隐形、光镊、激光冷却、反
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关于光的理论
• 光是粒子流（光线） • 光是波（电磁波） • 光是具有波粒二相性的波
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1、几何光学
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1.1、反折射定律
法线
介质1：折射率 n1 介质2：折射率 n2
反射定律 折射定律
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1.1、反折射定律
折射率
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薄膜
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2.2 、杨氏双缝干涉
单色光
r1
d
r2
D
x o
条件： d >>λ，D>> d
光程差：
相位差：
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2.2 、杨氏双缝干涉
明纹条件
暗纹条件
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2.2 、双缝干涉条纹
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2.3 、光的衍射 惠更斯—菲涅耳原理 单缝夫琅禾费衍射
x
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2.1、光程、光程差
光程 : L = nd
光程差 ： = L2 - L1
L2
L1
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2.1 、相干条件
同频率, 同偏振方向,有恒定相位差 另外，振幅相差不悬殊，光程差不能太大
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2.1 、普通光源获得相干光的途径
分波面法
p
S*
分振幅法
p
S*
法线
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1.1、 反折射定律
折射率大的介质叫光密介质，小的叫光疏介质
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1.2、全反射
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1.3 、近轴光线的概念
数学表达：
a b
c
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1.4 、近轴光线的概念
近垂直入射
折射定律
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1.5、 球面镜的焦点
i
A
B
现象:
衍射屏
S
*
a
10 - 3 a
观察屏
衍射屏
L
S *
观察屏 L
定义: 光在传播过程中能绕过障碍物 的边缘而偏离直线传播的现象
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3、光的量子理论
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3.1 基本内容
• 光线是光子流，每个光子具有
满足能量、动量守恒定律 光压：光子流产生的压强
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C
O
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1.6、 凸球面透射的焦点
i
A
r
B
O
C
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1.7 、凹球面透射的焦点
r
i
A
C
O B
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1.8 凸透镜的焦点
n1
A
B
C
O1
n2
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1.9、 成像法则
焦平面
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• （2）在保持刻度精度的条件下增加高度可以提高 回归年的测量精度，元代科学家郭守敬就是以此 方式大大提高了回归年的测量精度。假设圭表增 加到10米，估算由此测得的回归年误差。
• （3）然而郭守敬建立了10米的圭表后，发现事与 愿违，由于圭越高，影子边缘越模糊。设这一现 象是由于太阳有一定的体积造成的，问由此造成 的边缘阴影的模糊范围。
3.2 、 多普勒效应
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3.2.1 波的多普勒效应
情景1：固定波源，产生10个周期的一列波，波速u, 则：
情景2：波源以速度v运动（向着观测者）， 产生10个周期的一列波，波速u, 则：
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3.2 沿运动方向的波频率变大
t2 t1
t2 t1
X=u(t-t2) X=u(t-t1)
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1.11.2、3D显示技术原理 • 左右眼看视角不同
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1.11.3 、眼镜3D
• 红蓝滤色眼睛 • 偏振眼睛 • 主动式眼睛
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1.11.4 、裸眼3D（遮光式）
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1.11.5、 裸眼3D（折光式）
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1.11.5 、圆柱镜折射原理
焦平面
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1.12 、负折射材料
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1.12.1、负折射材料性质 n2<0
法线
介质1：折射率 n1 介质2：折射率 n2
反折定律 折射定律
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1.12.1、负折射材料性质
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1.12.1、负折射材料实验
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1.12.2、n=-1的情况：平板成像
E3
E2 E1
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3.7、激光冷却原理
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3.7、 激光冷却原理
多普勒效应的应用
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日晷
圭表
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• 圭表是测量回归年长度，确定季节的天文仪器， 如图。
• （1）假定圭的高度1米，表的刻度精度到厘米， 估算此设备测量回归年的误差，已知当地纬度为 北纬40度。
1.9 成像法则
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1.10 成像的公式
透镜、球面镜
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1.11 、3D成像原理
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1.11.1 、眼睛辨别距离（空间感）原理
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一个方向的光线
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1.12.3、 隐含近轴光线条件
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2.1、 波速、波长、频率、相位
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3.5.2 、从量子的角度：光具有动量
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3.5.2、 动量守恒定光压方向
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3.5.2 、动量守恒定广压方向
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3.5.3 、空心激光光镊
• 决赛第八题（10分） 空心激光束是一种在传播方向上中心 光强为零的圆筒形光束．由于这一特征，它可以把某些微 小粒子约束在激光束的中心部位，作为激光导管、激光镊 子、光学扳手等，实现对纳米粒子、生物细胞等微小粒子 的精确操控．空心激光技术目前在生物学、激光加工、原 子冷却等方面得到了广泛的应用，正逐渐成为一门新兴的 学科分支．产生空心激光束的基本做法是利用光学系统将 一束实心的圆柱形激光转换成为一束空心的激光。 给定如下光学器件：凸透镜，锥面反射镜，球面镜， 如图：
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3.3、 相对论多普勒效应
• 狭义相对论：运动的尺子长度变短，运动的时钟变慢
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3.4 、反多普勒效应：负折射率介质
相位传播方向
能量传播方向
反多普勒效应： 声源靠近，频率增大，声源远离，频率物减理奥小赛培训光学辅导
3.5、 激光光镊
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3.5.1 、先谈谈彩虹
• （4）于是郭守敬想到了一个办法改善阴影长度的 测量方法—小孔成像原理，请你据此原理推测郭 守敬是如何实现的。太阳到地球的距离149597870 千米，太阳的直径约为1 391 000千米
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利用上述光学器件设计一光学系统，使得一束很细的实心圆 柱形入射激光转化成一束空心的出射激光，且空腔为圆柱形 ，半径为 请回答如下问题： 1、画出该光学系统的光路图． 2、求该光学系统中锥面镜顶点到球面镜球心的距离
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参考解答： 1、光路图如下，指出被球面镜反射的光线汇聚于凸透镜的焦点.
2、参照所给光路图，可知
两式联立，可求得
设
, 有如下几何关系：
(1)
.
（2）
.
（3）
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3.5.3、 空心激光光镊
可以构造不同中空方式的中空激光光束，用于激光 导管、光镊、光学扳手等
其他两种典型类型
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3.6、 原子的核外电子能级量子化
• 原子中的电子只能吸收和放出某些特定频 率的电磁波。
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主要内容
• 1 、几何光学的基本理论 平面镜、凸面镜、凹面镜、凸面折射、凹面折射、 凸透镜、凹透镜的成像原理—近轴光线+反折射定律
• 2、 波动光学—位相与光程 • 3 、光的量子理论—光子的动量与能量 • 深、广、新、奇、活 • 新：3D成像、负折射、隐形、光镊、激光冷却、反