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。