IB 物理/电磁波

G.1 电磁波的性质和光源

G.1.1 概述电磁 (EM) 波的性质

光是一种电磁波。光速与光源的速度无关。

电磁波由相互垂直并同相振荡的磁场和电场组成。这可以看作是两个相互垂直的横波，以相同的方向传播。

G.1.2 描述电磁频谱的不同区域

最重要的是大约 400-700 纳米的可见光

G.1.3 描述电磁波色散的含义

白光从一种介质进入另一种介质时，由于不同介质具有不同的折射率而被分解成其组成色，这种现象称为色散（如下所示）。红色波长最大，因此频率最低，与蓝色光相比，蓝色光波长较短，频率较高。

G.1.4 根据折射率对波长的依赖性描述电磁波的色散

在上面的例子中，红色光的衍射程度最小，而紫色光的衍射程度最大。这是因为频率较低（即红色）的波衍射程度较小（折射率较低）。

色散现象不仅发生在光波，也会发生在整个电磁波谱中。

G.1.5 区分辐射的透射、吸收和散射

考虑一个穿过介质的电磁波

    ----------|medium|--------->

根据常识

• 如果电磁波直线穿过介质，则该波被透射
• 如果介质中的物质（例如空气中的分子）吸收了电磁波的能量，则该波被吸收。该能量可以被重新发射。
• 如果电磁波被介质中的粒子散射到随机方向，则该波被散射。

电磁波可以被部分透射/吸收/散射。

G.1.6 讨论电磁辐射的透射、吸收和散射的例子

最常见的例子是：为什么天空是蓝色的，而日落是红色的？

• 白天：蓝光被大气中微小的尘埃粒子散射。如果没有大气，天空将是黑色的。
• 日落时：光必须穿过更多的大气。蓝光比红光散射更多（因为它具有更短的波长），因此蓝光在你到达之前就被散射太多，因此我们只能看到红光。

其他例子包括：紫外线被臭氧层吸收，红外线被温室气体吸收（导致全球变暖）。

激光

G.1.7 解释单色性和相干性的概念

单色光（mono=单一，chromatic=颜色）是指波长范围很窄的光，例如 500-501 纳米。灯泡不是单色光，因为白光是多种不同频率的混合。

相干光是指波之间相互关联的光，即所有发射的光子彼此同相位。

G.1.8 确定激光作为相干光源

“激光是相干光源”。

G.1.9概述激光产生的机制

激光代表“受激辐射的光放大”。

受激辐射是指“处于激发态的电子”发射光子并降至较低能态的过程。这是由另一个光子经过激发态电子引起的（总共有两个光子）。从本质上讲，这两个光子具有相同的波长，并且同相位（不需要解释）。

激光的工作原理是将大量能量泵入激光器，使得介质中超过 50% 的电子处于激发态。然后它有两个镜子，其中一个镜子让 1% 的光子通过（这就是我们看到的光）。

在互联网上搜索动画以正确解释这一点。

G.1.10概述激光应用的例子

选择以下其中一项

• 医学应用（激光手术）
• 通信
• 技术（条形码扫描仪、激光盘）
• 工业（测量、焊接和加工金属、在金属上钻小孔）
• CD 的生产
• 读取和写入 CD、DVD 等

G2 光学仪器

G.2.1 定义主轴、焦点、焦距和线性放大率的概念，这些概念应用于会聚（凸）透镜

主轴：是指穿过透镜中心并垂直于透镜表面的直线。

焦点：是指主轴上的一点，平行于主轴的光线经过透镜折射后会穿过该点。

焦距：是指透镜的焦点到透镜中心的距离

线性放大率 (m)：是指像的大小（高度）（h_i）与物的大小（高度）（h_o）的比值。它没有单位。

$m={\frac {h_{i}}{h_{o}}}$

G.2.2 定义凸透镜的度数和屈光度

透镜的度数是衡量透镜弯曲光线程度的指标。透镜的度数 (P) 定义为透镜的焦距 (f) 的倒数

$P={\frac {1}{f}}\,$

透镜度数的单位是 m ^-1 或屈光度 (dpt)

G.2.3 定义线性放大率

线性放大率 (m) 定义为像的高度 h_i 与物的高度 h_o 的比值

$m={\frac {h_{i}}{h_{o}}}$

G.2.5 区分实像和虚像

实像是由光线实际汇聚（聚合）在一点形成的。可以被投影。

虚像是由看起来像从一点汇聚的光线形成的。不能被投影到屏幕上。

简单的放大镜

G.2.8 定义裸眼视力的远点和近点

对于正常眼睛，远点可以假定为无限远，近点通常被认为是距眼睛 25 厘米的一点。

近点 - 眼睛与可以舒适聚焦的最靠近的物体之间的距离。“明视距离”

远点 眼睛与可以舒适聚焦的最远的物体之间的距离。

G.2.9 定义视角放大倍数

视角放大倍数是通过透镜观察物体时所张成的角度与用裸眼观察物体时所张成的角度之比。

复合显微镜和天文望远镜

G.2.12 为天文望远镜构建光线图，该望远镜的最终图像在无限远处（正常调整）

用于无限远处的图像的天文望远镜光线图。

像差

G.2.15 解释单个透镜产生的球面像差和色差的含义

您应该了解两种类型的光学像差，即色差和球面像差。

色差是由不同波长的光线被透镜中的玻璃不同程度地折射造成的，毕竟玻璃的密度与空气不同。这可以通过使用多个具有不同折射率的透镜来抵消，这些透镜有效地“将颜色弯曲回来”。

另一方面，球面像差是由于没有透镜是完美的球体造成的。因此，入射在透镜外侧部分的光线将比入射在中心部分的光线弯曲得更多。为了防止这种情况，可以使用光圈来阻止光线照射到透镜的外侧部分。

显示色差的图

显示球面像差的图

G.2.16 描述如何减少透镜的球面像差

可以通过以下方法减少透镜的球面像差

• 关闭透镜边缘附近的光线（使用光圈）。
• 研磨曲率。
• 使用透镜组合。（例如，使用两个透镜代替一个较厚的透镜）。

G.2.17 描述如何减少透镜的色差

可以通过以下方法减少透镜的色差

• 使用凸透镜和凹透镜的组合（复合透镜）。

G3 双源波的干涉

G.3.1 说明观察两个源之间干涉所需的条件

为了使两个光源产生可观察的干涉图样，来自两个光源的光必须是相干的。

G.3.3 用光的双缝实验来说明并画出观察到的干涉条纹的强度分布图

杨氏双缝实验

G6 薄膜干涉

G.6.7 说明相长干涉和相消干涉的条件

相长干涉的条件

1. 波长和频率必须相同。
2. 波必须同相位。

相消干涉的条件

1. 波长和频率必须相同。
2. 波必须反相位。