大学物理基础教程———光学和量子物理分册以教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会编制的?理工科大学物理课程教学基本要求(２０１０年版)?为指导,以应用型本科学生“理论适度够用,突出实际应用”的培养特点为编写依据．本分册从几何光学和波动光学的角度为学生精炼地诠释光沿直线传播、光的干涉、光的衍射及光的偏振等的基本原理和特性,深入浅出地为学生呈现了量子物理的内容．

      培养应用型人才和职业化本科学生的一般院校中需要开设大学物理课程的本科学生
    大学物理基础教程———光学和量子物理分册适合作为普通高等学校大学物理课程的教材,也可作为相关人员的参考用书．

目　　录
第一章　几何光学§１ １　光线 ２§１ ２　几何光学的基本定律 ４§１ ３　光在平面上的反射和折射 ９§１ ４　光在球面上的反射和折射 １１§１ ５　薄透镜 １９工程应用 ２４本章提要 ３５习题 ３６
第二章　光的干涉§２ １　相干光　光的相干性 ４１§２ ２　光程　光程差 ４４§２ ３　光的干涉 ４６§２ ４　迈克尔逊干涉仪 ５９工程应用 ６２本章提要 ６９习题 ７０
第三章　光的衍射和偏振§３ １　光的衍射现象　惠更斯Ｇ菲涅耳原理 ７７§３ ２　单缝衍射　衍射光栅 ７９§３ ３　光的偏振 ８７§３ ４　光盘原理 ９２工程应用 ９６
本章提要 １０２习题 １０３第四章　量子物理基础§４ １　黑体辐射　普朗克能量子假设 １０９§４ ２　光电效应　爱因斯坦光量子假设 １１２§４ ３　德布罗意假设　实物粒子的波动性 １１５§４ ４　不确定性原理　粒子的波函数 １１７工程应用 １２１本章提要 １２９习题 １３０参考文献 １３４

第一章几何光学
如图1-1演示实验所示，在一块厚纸板上开一个十字形小孔（小于 lcm)，用屋顶的白炽灯照射，则在厚纸板的下方会留下厚纸板的影子.试 问，影子中会出现十字形状的亮斑吗？
动手实验一下，你就会发现影子中孔 的位置并没有出现十字形状的亮斑，而是 映出了白炽灯的身影，并且所映出的白炽 灯的身影和屋顶上的白炽灯相比刚好是倒 着的（左右颠倒）.即使将孔的形状变换 为三角形、圆形、星形，或者其他任何形 状，其实验结果都是左右颠倒着的白炽灯 的身影.这是为什么呢？ 小孔成像.
实际上，早在2400多年前，我国古 代学者——墨翟（墨子）就曾深入研究了 小孔成像，并在《墨经》上详细记载：
“景到，在午有端，与景长，说在端“景，光之人，煦若射，下者之人也 高，高者之人也下.足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下.在远 近有端，与于光，故景库内也这是世界上第一个演示并记载小孔成倒像的 实验，还用光沿直线传播的原理解释了小孔成倒像的原因，图"2给出了小孔 成像的示意图.


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众所周知，麦克斯韦电磁理论和实验都证实了光是一种电磁波.常规所说的光 即可见光，是指能够引起视觉反应的电磁波，它只是电磁波谱中很窄的一个波段. 红外线和紫外线尽管不能引起眼睛的视觉反应，但可以运用光学仪器或摄影器材去 度量和探测相应发光物体的存在.因此就光学中光的概念而言，光可以从可见光延 伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线都被认为是光.又称红外线和紫外线为不可 见光.
光的传播过程要用波动理论进行描述，但如果光在各向同性的均匀介质中传播， 所遇到的障碍物的线度（如人眼正常瞳孔的线度为3000!4000!%)较光波波长 (可见光的波长为0.38!0. 76!%，这个尺度比最细的灰尘颗粒还要小）大很多时， 则光可视为沿直线传播，可采用光线来描述光的传播途径和方向.所谓几何光学 (Geometrical Optics)，就是指用光线来描述光的传播规律的理论.本章将介绍几何 光学的基本知识及其工程应用.
§ ! 1光 线
1.1.1光线
任何能够发光（包括可见光和不可见光）的物体都 称为光源.但月亮、石头、树木等依靠反射外来光才能 使人们看到的物体， 不能称为 光源 。光源的最基本发光单元是分子、原子。当光源的几何尺寸在所涉及的问题中可以忽略时，此光源就可视为点光源.正如力学中的 质点概念一样，点光源是为了便于问题的研究而简化抽 象出的理想模型.一个实际的光源可以看成是无数点光 源的集合.相对点光源而言，如果光源的几何尺寸在所 涉及的问题中不能忽略，这样的光源则称为面光源.比如室内的荧光灯照射室内的 物体，并涉及室内物体的影子等相关问题时，荧光灯则是一个面光源.一个光源到 底视为点光源还是面光源，要根据实际情况而定.
2 .光线
根据波动理论，光是光源向周围空间辐射的电磁波.但在几何光学中，不涉及 光的波动本性，而把它看作是沿其能量传播方向的几何直线即光线，图"3中带箭 头的直线即为光源S发出的光线.要注意，“光线”是一个几何抽象的概念，实际物 
理过程中不可能得到一条光线.口语中所说的“光线”，可以理解为光源发出的可见 光.光路图中，用带有方向的直线表示光束.
人眼是怎么看到光呢？用电磁波的概念讲，是因为光波波阵面的一小部分进人 人眼的瞳孔，引起视觉反应而看到了光.用光线的概念讲，是由于光源发出的一束 锥形光线进人了人眼的瞳孔.
只有迎着光线使光线（强度不是很强）进人瞳孔，我们才可以感觉到光的存在. 注意，不能直视强度很强的光（如电焊作业时发出的光、太阳光等），否则会灼伤眼 睛.从光线的侧面是看不见光线的.那为什么有时候我们又看到了 “光线”呢？比 如从一个小孔射人室内的太阳光线，人工实验获得的激光光线.这是因为在光线传 播途径上的介质分子对光产生了散射的结果.事实上，当光线通过透明介质时，光 波的电磁振动会使介质分子中的电子产生振动，这些被振动的电子随即向周围空间 辐射电磁波，从而产生散射光.如果产生的散射光足够强，我们就从光线的侧面看 到了 “光线此时，我们看到的“光线”实际上是被照亮了的一条介质中的通道. 人眼之所以看到七彩斑斓的自然万物就是物体表面的分子对光的散射的结果.
3.影(shadow)
光在传播过程中遇到不透明物体时，光线被物体阻档而在物体背光面的后方形 成没有光线到达的黑暗区域，称为不透明物体的影.生活中，通常称影为“影子” 或“阴影”.影的大小、形状随光线的人射角而改变，影可分为本影和半影.
如图1-4 (a)所示，点光源会形成鲜明的影子.面光源会分别形成本影和半影， 光线完全照不到的阴影部分是影子的本影，只是部分光线照到形成相对本影较淡的 阴影部分则是影子的半影.在本影区内看不到光源发出的光，在半影区内能看到光
点光源 面光源 面光源 








⑷点光源形成鲜明的影子 
源发出的部分光.本影区和半影区的大小与面光源的大小、物体的大小、光源到物 体的距离、物体到影子的距离等因素有关，图"4 (b)和（c)给出了物体的本影和 半影以及本影和半影的变化情况.光源面积越大，遮挡物越小，本影区就越小.当 光源到影的距离和物体的大小固定时，半影区的大小由物体到影子的距离决定，距 离越远，半影区越大，反之越小.
§1.2几何光学的基本定律
1.2.1光的直线传播和独立传播定律
1 .光沿直线传播定律
人们经过长期的实践和总结得出，在各向同性的同种均匀介质中，光沿着直线 传播.此即光沿直线传播定律.生活中简单直观的例子，比如物体的影子和小孔成 )就体 了光 线 定 .
2?光的独立传播定律
光的独立传播定律是指两束或多束光相遇时，每一束光都不会因为其他光束的 存在而改变原来的传播方向，仍然按照自己原来的方向传播，见图"5.


图1 -5几束光相遇并不改变各自原来的传播方向


1.2.2光的反射定律和折射定律
1?光的反射现象和光的折射现象（Reflection of Light and Refraction of Light) 当光遇到两种不同均匀介质的分界面时，一般会同时产生光的反射和折射现象， 光线会改变原来的传播方向，见图"6.分界面两侧分别为均匀的介质1和介质2. 人射光线和分界面的交点为入射点! 一部分光改变传播方向返回原来介质1中传 播的现象称为光的反射现象.另一部分光进入介质2并沿另一方向传播的现象称为 光的折射现象.图"6中，把两种介质交接的区域称为这两种介质的分界面.为了 简单起见，图中的分界面用一条直线段表示分界面是平面.值得注意的是，介质的 
分界面即使不是平面也一样会产生光的反射和折射现象.介质1中原来的光线称为 入射光线，反射后返回介质1中沿另一方向传播的光线称为反射光线，折射后进人 介质2偏离入射方向传播的光线称为折射光线.图中过入射点作垂直于分界面的虚 线段，称为法线.人射光线与通过人射点的法线所确定的平面称为人射面.人射光 线与法线的夹角！称为入射角，反射光线与法线的夹角0'1称为反射角，折射光线 与法线的夹角02称为折射角.
介质1 介质2
n2 > nx ! 02
图i.光的反射现象和折射现象 在光的反射现象中，如果光线逆着反射光线人射，当它被反射后则一定逆着原来 的人射光线传播，这一现象称之为光路的可逆性.光的折射现象也满足这一特性.比 如我们可以通过平面镜的反射光看到别人在注视我们的眼睛，就是因为光路的可逆性. 2?光的反射定律（The law of reflection)
实验表明，当光发生反射现象时，其反射规律遵从光的反射定律，如图"6所 示.它由四点组成：①入射光线、法线、反射光线在同一平面内，即入射面内； ②人射光线和反射光线分别处于法线的两侧；③反射角等于人射角，即 ④反射角随入射角的增大而增大，减小而减小.
特例，当垂直人射时，人射光线、反射光线和法线 三线合一，此时人射角和反射角都为0°.
例1-1太阳光线与水平方向成40°角，管道工人维 修管道为了使阳光照亮竖直向上的管道内部，平面镜该 放在与水平方向成多大的角度？
解根据题意，可绘制1-7所示的示意图，水管竖 上， 反 光 上!
太阳光与水平方向AB成40°角，所以太阳光与反
射光的夹角为90°—40° = 50°，进而人射角为50°的一半，
等于 25°.于是，ZBON=25。?
所以，平面镜该放在与水平方向成180°—25°=155°或25°的角度.
3 ?光的折射定律（the law of refraction)
1)折射率(index of refraction)
光在不同介质中的传播速度是不一样的，光在真空中传播最快，其速率为c 如果光在某种介质中的传播速率为w，则称c与)的比值为此种介质的绝对折射率， 简称折射率，用《表示，即
n = — (1-1)
设n!为介质1的绝对折射率，n2为介质2的绝对折射率，则称n2与n的比值 为介质2相对于介质1的相对折射率，用*21表示，即
*21 = — (1-2)
*1
介质的折射率标志着介质使光线发生折射能力的强弱.当光线从真空进入某介 质时，介质的折射率越大，则它使光线发生折射的程度越强，也就是说折射光线偏 离原来入射光线方向的程度越显著，越偏向法线一侧.
折射率通常与介质的材料、光的波长、实验环境有关，一般由实验具体测定. 表1-1给出了一些常见介质对钠黄光（A = 589. 29nm)的折射率.
表1-1 _些常见介质的折射率
序号 介质 折射 序号 介质 折射
1 真空 1 (基准） 6 金刚石 2.417
2 空气（0°C) 1.000293 7 石英 1.458
3 氦气（0C) 1.000036 8 冰 1. 310
4 水(0C) 1. 333 9 人眼角膜 1. 337
5 酒精（0C) 1. 361 10 冕牌玻璃 1. 516


如果把两种介质相比较，则称折射率较大的介质为光密介质，称折射率较小的 介质为光疏介质.一种介质是光密介质还是光疏介质是相对而言的，比如水相对空 气而言是光密介质，相对石英而言则是光疏介质.
2)光的折射定律
实验表明，光从介质1进入介质2时会发生光的折射现象，其折射规律遵从光 的折射定律，如图1-6所示.它由三点组成：①折射光线和入射光线都处于入射面 内；②折射光线和入射光线分别处于法线的两侧；③入射角的正弦与折射角的正弦 的 一常 ， 等于介质2相对于介质1的相对折射率， 即