光的基本知识
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应用光的电磁波理论,基本上能比较完满地解释光的 发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射等与光的传播性 有关的一系列重要现象。
3. 爱因斯坦站在了巨人肩膀上
电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领 域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许 多 现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、 光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普 朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子 学说。
光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微
粒——光量子或光子所组成，而光子的能量和动量的数
值，与一定的光的频率或波长相对应，即
Eh
p h c
爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在
与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突
出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，
叫做光的“波粒二象性”。
产生全反射的条件： n1 > n2
90°>θ1 >θc
三. 光的独立传播
波(光）的三个特性－独立性，叠加性，相干性 1．独立传播定律 从不同振源发出的波在空间相遇时，如振动不十分 强，各个波将保持各自的特性不变，继续传播，相 互之间没有影响。 2．叠加原理 几列波在相遇点的合振动是各个波独自在该点振动 的矢量叠加。 成立的条件：介质为线性。在振动很强烈时，线性 介质会变为非线性的。
D
麦克斯韦方程组 微分形式
B E 0B H j tD
t
D表示电感强度（电位移矢量）
D
B表示磁感强度 H表示磁场强度 E表示电场强度
ρ为封闭曲面内的电荷密度
叠加引起的光强的重新分布； 不同之处：光的干涉现象是有限个相干光波的叠加
，光的衍射则是无限多个相干光波的叠加的结果。 衍射分为：夫琅和费衍射和菲涅耳衍射。
5.光的偏振
（1）自然光：在垂直于光传播方向的平面上，各方向 光矢量（光振动振幅）相等的光。
一束自然光可分解为两束 振动方向相互垂直的、等幅 的、不相干的线偏振光。
第一节 光的基本属性
一.波粒二象性
1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说
牛顿在1669年提出光的“微粒说”.他认为光是从光 源发 出的一种光微粒流,具有直线传播的性质.光微粒流有 弹性,并且能被某些物质吸收.光微粒流遇到物质时,如果不 被吸收,就会被弹回来.
惠更斯在1678年提出光的“波动说”.他认为光从一 处传播到另一处,是和水波类似的波.
某一固定时刻t0，在传播方向上各点对应的光矢量的端点轨迹是
螺旋线. 随着时间推移， 螺旋线以相速前移。
y
y
x
z
0
x
在垂直于光传播方向的平面 内，右旋圆偏振光的电矢量
随时间变化顺时针旋转
右旋圆偏振光在三维空间 中电矢量左旋
（4） 椭圆偏振光
y
在垂直于光传播方
向的固定平面内, 光
矢量的方向和大小都 在随时间改变, 光矢
垂直板面的光振动较强
第二节 麦克斯韦方程与物质方程
19世纪60年代，Maxwell建立经典电磁 理论。同时，他把光学现象和电磁现象 联系起来，指出光也是一种电磁波，从 而产生光的电磁理论。
一、麦克ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ韦方程组
麦克斯韦方程组是麦克斯韦把稳定电磁场
（静电场和稳恒电流的磁场）的基本规律
推广到不稳定电磁场的普通情况而得到的。
注意要点：不是强度的叠加，也不是振幅的简单相 加，而是振动矢量的叠加。
3、光的干涉 光的波动性主要标志之一：两列波叠加后产生干涉
现象。 光的干涉本质：光强重新分配。 相干的条件：同频率、同偏振、有固定的相位差。
4、光的衍射 光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所
发生的偏离直线传播的现象。 光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波
x
量的端点描出一个椭
圆, 这样的偏振光叫
做椭圆偏振光.
左旋椭圆偏振光电矢量随时
间逆时针旋转
（5）部分偏振光：在垂直于光传播方向的平面上， 各方向的光振动都存在，但他们的振幅不相等。
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、 不等幅的、不相干的线偏振光。
图示法： 平行板面的光振动较强
部分偏 振光
部分偏振 光的分解
这两学说在相互争论中发展,一直持续了200多年,牛 顿的微粒说能圆满地解释光的直线传播、反射等现象,因 而在很长一个时期内占统治地位。但后来人们又在实验中 发现,微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.这就促使科 学家们去探索新的答案.
2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论
19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。 1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在 电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。 其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名 的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波， 证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别 捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相符合，从 而进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速 度上有限的 ，其速度在真空中为每秒30万公里，与光速 一样，从而确认了光波也是电磁波。
合两个关系式：
θ1 =θ２
反射定律
n1sinθ1 = n2sinθ2
折射定律
2. 光的全反射
θc θ2 θ3 = 90°
临界角θc可由折射定律导出： n1sinθc = n2sin90°
n2
Sinθc=
n1
如果再继续增大入射角，即θ1 >θc 时，则折射角θ３ 必大于90°，光射线不再进入介质Ⅱ而由界面全部反射 回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。
E没有优势方向 自然光的分解
Ex Ey
IIxIy
图示法：
（2）线偏振光：只有一个固定方向上存在光振动。
图示法：
面对光的传播方向看
传播方向
E
光振动垂直板面
光振动平行板面
振动面
(3) 圆偏振光
在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，但随时
间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆偏振光。
ⅠⅡ
二、折射、反射、全反射
1 光的反射和折射
介
质
k1 n1
θ1
θ2
介 n2
θ3
质
法线
k2 k3
n1> n2
n —— 折射率 n=c/v
K1 —— 入射光线 K２—— 反射光线 K３—— 折射光线
θ1 —— 入射角 θ２ —— 反射角 θ３ —— 折射角
入射角θ1、反射角θ２、折射角θ３三个角之间符
3. 爱因斯坦站在了巨人肩膀上
电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领 域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许 多 现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、 光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普 朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子 学说。
光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微
粒——光量子或光子所组成，而光子的能量和动量的数
值，与一定的光的频率或波长相对应，即
Eh
p h c
爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在
与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突
出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，
叫做光的“波粒二象性”。
产生全反射的条件： n1 > n2
90°>θ1 >θc
三. 光的独立传播
波(光）的三个特性－独立性，叠加性，相干性 1．独立传播定律 从不同振源发出的波在空间相遇时，如振动不十分 强，各个波将保持各自的特性不变，继续传播，相 互之间没有影响。 2．叠加原理 几列波在相遇点的合振动是各个波独自在该点振动 的矢量叠加。 成立的条件：介质为线性。在振动很强烈时，线性 介质会变为非线性的。
D
麦克斯韦方程组 微分形式
B E 0B H j tD
t
D表示电感强度（电位移矢量）
D
B表示磁感强度 H表示磁场强度 E表示电场强度
ρ为封闭曲面内的电荷密度
叠加引起的光强的重新分布； 不同之处：光的干涉现象是有限个相干光波的叠加
，光的衍射则是无限多个相干光波的叠加的结果。 衍射分为：夫琅和费衍射和菲涅耳衍射。
5.光的偏振
（1）自然光：在垂直于光传播方向的平面上，各方向 光矢量（光振动振幅）相等的光。
一束自然光可分解为两束 振动方向相互垂直的、等幅 的、不相干的线偏振光。
第一节 光的基本属性
一.波粒二象性
1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说
牛顿在1669年提出光的“微粒说”.他认为光是从光 源发 出的一种光微粒流,具有直线传播的性质.光微粒流有 弹性,并且能被某些物质吸收.光微粒流遇到物质时,如果不 被吸收,就会被弹回来.
惠更斯在1678年提出光的“波动说”.他认为光从一 处传播到另一处,是和水波类似的波.
某一固定时刻t0，在传播方向上各点对应的光矢量的端点轨迹是
螺旋线. 随着时间推移， 螺旋线以相速前移。
y
y
x
z
0
x
在垂直于光传播方向的平面 内，右旋圆偏振光的电矢量
随时间变化顺时针旋转
右旋圆偏振光在三维空间 中电矢量左旋
（4） 椭圆偏振光
y
在垂直于光传播方
向的固定平面内, 光
矢量的方向和大小都 在随时间改变, 光矢
垂直板面的光振动较强
第二节 麦克斯韦方程与物质方程
19世纪60年代，Maxwell建立经典电磁 理论。同时，他把光学现象和电磁现象 联系起来，指出光也是一种电磁波，从 而产生光的电磁理论。
一、麦克ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ韦方程组
麦克斯韦方程组是麦克斯韦把稳定电磁场
（静电场和稳恒电流的磁场）的基本规律
推广到不稳定电磁场的普通情况而得到的。
注意要点：不是强度的叠加，也不是振幅的简单相 加，而是振动矢量的叠加。
3、光的干涉 光的波动性主要标志之一：两列波叠加后产生干涉
现象。 光的干涉本质：光强重新分配。 相干的条件：同频率、同偏振、有固定的相位差。
4、光的衍射 光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所
发生的偏离直线传播的现象。 光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波
x
量的端点描出一个椭
圆, 这样的偏振光叫
做椭圆偏振光.
左旋椭圆偏振光电矢量随时
间逆时针旋转
（5）部分偏振光：在垂直于光传播方向的平面上， 各方向的光振动都存在，但他们的振幅不相等。
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、 不等幅的、不相干的线偏振光。
图示法： 平行板面的光振动较强
部分偏 振光
部分偏振 光的分解
这两学说在相互争论中发展,一直持续了200多年,牛 顿的微粒说能圆满地解释光的直线传播、反射等现象,因 而在很长一个时期内占统治地位。但后来人们又在实验中 发现,微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.这就促使科 学家们去探索新的答案.
2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论
19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。 1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在 电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。 其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名 的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波， 证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别 捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相符合，从 而进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速 度上有限的 ，其速度在真空中为每秒30万公里，与光速 一样，从而确认了光波也是电磁波。
合两个关系式：
θ1 =θ２
反射定律
n1sinθ1 = n2sinθ2
折射定律
2. 光的全反射
θc θ2 θ3 = 90°
临界角θc可由折射定律导出： n1sinθc = n2sin90°
n2
Sinθc=
n1
如果再继续增大入射角，即θ1 >θc 时，则折射角θ３ 必大于90°，光射线不再进入介质Ⅱ而由界面全部反射 回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。
E没有优势方向 自然光的分解
Ex Ey
IIxIy
图示法：
（2）线偏振光：只有一个固定方向上存在光振动。
图示法：
面对光的传播方向看
传播方向
E
光振动垂直板面
光振动平行板面
振动面
(3) 圆偏振光
在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，但随时
间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆偏振光。
ⅠⅡ
二、折射、反射、全反射
1 光的反射和折射
介
质
k1 n1
θ1
θ2
介 n2
θ3
质
法线
k2 k3
n1> n2
n —— 折射率 n=c/v
K1 —— 入射光线 K２—— 反射光线 K３—— 折射光线
θ1 —— 入射角 θ２ —— 反射角 θ３ —— 折射角
入射角θ1、反射角θ２、折射角θ３三个角之间符