第十七章　光的传播（一、光的直线传播）

第十七章　光的传播（一、光的直线传播） 光学简介 我们无法想象一个没有光明的世界，光使我们认识周边的事物，提供了人类直接感知信息的90%。 除了感知周边的事物，人们很早就对宇宙天体进行光学观测，逐渐形成了科学的世界观。正是有了精确的天文观测，才有了开普勒三定律，才有牛顿万有引力定律的诞生，为经典物理大厦的建立打下了坚实的基础。 人们不仅对光的传播规律进行研究和应用，到十七世纪，科学家们还开始对光的本性进行深层次的思考，这方面的研究到二十世纪取得了丰硕的成果。光的波粒二象性学说为人们认识整个世界提供了一个更完美的视角。而对于光谱的研究则是人们深入探索微观世界的契机。 第一节　光的直线传播 【教学目的】 1．知道光在同种均匀介质中沿直线传播，并能用来解释相关现象． 2．理解光源的概念，知道光线是表示光的传播方向的直线，是一个抽象模型． 3．知道光在真空中的传播速度是3×108 m/s，会根据公式计算光传播的路程和时间． 【教学重点】 光的直线传播，光在真空中的传播速度 【教学难点】 利用光的直线传播原理解释一些光学现象 【教学过程】 引入 我们学习光学，有必要从一些最基本的概念和规律开始── 一　光源 宇宙间的物体，有的是发光的，有的是不发光的。我们把能自行发光的物体叫做──光源：能自行发光的物体。 请大家注意构成这个概念的字眼，关键词是什么？ 那么，我们下面看这样一些物体，（宇宙空间）太阳、月亮星星；（周边事物）萤火虫、（通电的）灯泡、反光镜，哪些是光源，哪些不是？ 学生：交流、作答（太阳、萤火虫、电灯泡）。 光源之所以自行发光，是因为消耗了其它形式的能，进而将它们转化成了光能。请大家分析一下上面提到的三个光源的能量转化情况… 学生：萤火虫──生物能→光能；电灯泡──电能→光能；（教师补充：对于太阳的能量转化，情形要复杂一些，我们会在第二十二章学习到。它完成的是原子能到光能的转化。） 世界上有多种多样的光源，我们有必要对它们进行分类，但正如力的分类有几种不同的体系一样，光源的分类方式也不是唯一的。 如果我们按照光源的形成分类，可以分为自然光源和人造光源。 如果按照光源的形状，可以分为点光源、线光源、面光源等。 如果按照光照的方向特点，可以分为平行光源、发散光源等。 我们能看到光源，是因为它发出的光射入眼睛，产生了视觉反映。我们能看到不发光的物体，是因为光源发出的光能够被它们发射，而反射光进入眼睛产生了视觉。 二　光的直线传播 光线 光的直线传播规律是我们比较好接受的。但作为一个严谨的科学结论，人们发现，直线传播的规律也是有条件的。所以，我们有必要先接触一个名词── 介质：光能够在其中传播的物质。 我们遇到的一些物质中，有些是透明的，有些则不透明。可以这样看，透明物质就是光介质。 人们研究发现，光只有在同种、均匀的介质中才是直线传播的。 1．光在同种、均匀介质中是直线转播的。 光的传播知识在初中我们已经知道了一些，请大家告诉我，为什么要强调“同种”？ 学生：光越过不同介质要发生折射现象。 为什么还要强调“均匀”呢？ 学生：快速浏览… 为了直观地表征光的直线传播规律，人们还引进了光线的概念── 2．光线：沿光的传播方向作一条线，并标上箭头，表示传播方向。 在暗室的窗上开一个小孔，让一束阳光射入，可以看到光的传播路径是笔直的。漆黑的夜晚，探照灯射过有烟雾的天空，我们也能“光沿直线传播”的壮观景象，这都是光沿直线传播的直接证据。但是，能不能说，这些就是光线呢？ 学生：思考、交流… 教师（联系传媒）展示相关事实：①如果天空非常明净，我们看到的是探照灯的光柱，还是到达地面的光斑？②在太空，宇航员能看到太阳“光线”吗？ 学生：光斑；不能。 事实上，即使再细的光束，也不能说它就是光线，因为光线是人们为了表征光的传播而引进的一个抽象工具，它是一个理想模型，而不是真实的存在。 光线尽管是一个抽象模型，但对人们运用光的直线传播规律分析问题是非常有效的。下面看几个典型的事例── a．眼睛判断发光点的位置，列队时“向前看齐”，枪手瞄准； b．小孔成像； c．日食和月食的形成。 学生：补充一些应用光的直线传播规律的事例… 利用光线的概念，我们还可以准确界定平行光和发散光的概念── 平行光：所有光线都平行的光叫平行光。请大家注意这个概念…真正的平行光源事实上是很难找到的，我们常常将太阳光近似看成平行光（但在研究小孔成像、月食和日食的形成时，并不能作这种近似处理）；用一些光学仪器可以造就比较理想平行光，譬如激光器、凸透镜等。 与平行光相对应的则有发散光（常见）和会聚光（不常见）。 三．光速 光在真空中的传播速度为 c = 3.00×108 m/s ，这就是通常意义上的光速。事实上，光传播到其它介质时，传播速度会小于c（定量规律在下一节介绍）。 光速c是一个什么样的概念呢？我们不妨做这样一些估算── 1．如果飞船绕地球以光速飞行，它1秒钟可以绕行7.5圈； 2．如果飞船以光速飞行，它从地球到达月球，只需要1.3秒。 尽管光速是如此之大，但由于宇宙中某些天体之间的距离非常遥远，光的传播仍需要很长的时间，如：太阳光到达地球需要8分钟，光线从天狼星到达地球甚至需要8.7年！ 由于光速很大，所以在相当长的时期内人们认为光的传播根本不需要时间，直到17世纪，科学家们才发现光速是有限的，在测定光速的努力中，很多科学家都做出了贡献。有关的物理学史和目前光速的权威、精确数据怎样，请大家课后参看《阅读材料──光速的测定》。 四 小结 本节课，我们复习了一个基本的规律──光的直线传播，介绍了一个数据──光速，了解了几个名词──光源、光线、介质、平行光等等。如果说今天的学习相比初中应该有所提高的话，请大家留意规律的条件、数据的数量级、概念的准确措辞，物理术语和口头的俗语之所以不同，就是因为它们具有准确的内涵，而不是只给人一种似是而非的模糊印象。 五 作业布置 【板书设计】 注意“教学过程”的带框字符，即是板书计划。