IB 物理/光学 SL
镜面反射 : 这是由镜子所体现的，镜面反射产生了一个反射影像。这是由非常光滑的表面造成的，光线均匀地反射回整个表面。
漫反射 : 这是光线从任何其他物体上反弹形成物体影像的更常见情况（例如，当光线从一张纸上反弹时，我们看到的是纸，而不是反射）。这是由纸的表面不光滑造成的，而是光线向各个方向反射。
如果你从不同的角度看镜子，你会看到不同的反射，而纸从各个角度看起来都是一样的。漫反射让我们能够看到物体，否则我们只能看到发光的物体。因此，当周围有足够的光线时，我们可以看到任何不是漆黑一片的物体（即吸收所有光线的物体）。
平面镜中虚像的形成
光线从物体上每个点向各个方向传播，但不可能把所有的光线都画出来，所以要用光线图。通常把物体画成斜着的箭头，箭头朝上，不过任何能显示旋转和反转的东西都可以。
从一点画两条光线，稍微发散（分离），然后撞击镜子，然后反射（折射角 = 入射角）。
画一条垂直于镜子的线，然后入射角一边等于出射角另一边（这两条线然后离开镜子，到达“眼睛”（只画点什么来代表它，这不是绘画比赛）。
到达眼睛的两条光线然后向后延伸到“镜子里面”，直到它们在一点交汇（应该与原始物体在同一水平线上）。这个点就是影像形成的地方。它应该是直立的，但围绕垂直轴“翻转”，是一个虚像。
最后，在镜子里画出影像。
镜子被用于光学仪器中，主要用于让我们看到实际上不在我们面前（或无法正常看到）的东西。
- 自行车后视镜让我们看到即将撞上我们的汽车。
- 潜望镜让潜艇能够看到，然后炸毁水面上的船只。
- 月球上的镜子被用来测量它与地球之间的距离，方法是将激光反射到月球上，并测量返回的时间。
曲率半径 : 如果镜片的曲面延伸成一个完整的圆，那么曲率半径就是这个圆的半径。曲率半径只适用于球面透镜，但我们只考虑球面透镜。球面镜的焦距是曲率半径的一半，或者曲率半径是2F，这取决于你从哪个角度看它。
主轴 : 主轴是一条垂直于透镜曲面中心点的线（即一条穿过透镜中心的水平线）。
主焦点 : 这个值与透镜的焦距有关。主焦点总是距离透镜中心一个焦距（因此有两个主焦点，一个在透镜的一侧，一个在另一侧，通常在远端用 F 表示，在物体一侧用 F' 表示）。平行光线进入透镜，要么会聚到主焦点（凸透镜），要么从主焦点发散（凹透镜）。
焦距 : 焦距是主轴到主焦点之间的最短距离。
近轴光线 : 近轴光线是指靠近主轴并平行于主轴的光线。
放大倍数 : 放大倍数通常定义为影像高度/物体高度，表示影像的放大程度。这与影像距离/物体距离也直接相关。
虚像 : 定义为实际上没有光线穿过它，只有“虚像”（即在镜子里延伸的光线）。
实像 : 那些确实有光线穿过它的影像（那些可以在屏幕上显示的影像）。
至于画光线图来帮助分析这一点，我认为这属于“如果光线穿过它”的定义。实像通常用于投影系统，其中影像被显示在屏幕上（或直接投射到眼睛里）。虚像经常被使用，例如，在放大镜中，影像必须从不同的角度才能看到。
透镜公式 : 1/do + 1/di = 1/f。根据影像距离、物体距离和焦距中的两个，可以找到第三个。这个公式在数据手册的光学部分。
薄透镜 : 用于在光学系统中会聚或发散光线。例如，望远镜将来自恒星的光线聚焦到我们的眼睛，在望远镜的末端，放大镜会发散光线，在另一侧形成放大的虚像。
声透镜 : 以与光学透镜聚焦光线的方式非常相似的方式聚焦声音。斯涅耳定律描述了声波在两种不同声速介质之间界面处发生折射的情况。声透镜提供了适当的材料厚度，使平行声波波前聚焦到单个焦点。
微波透镜 : 推测它与微波有关，微波实际上只是电磁波谱的另一个部分，所以它们对透镜的影响与可见光完全相同。我假设在微波炉中，你使用发散透镜来散射微波，但其他人可能对此有所补充。
画光线图
- 首先画出主轴，然后画出透镜（凸透镜或凹透镜，视情况而定）在中心。在主轴的两侧标记点，代表焦距和焦距的 2 倍（F 和 2F）。
- 在左侧画出物体（通常也是一个箭头）。
- 从箭头的顶端画两条光线。第一条平行于主轴，直到它撞击透镜，然后沿着直线向下穿过焦距（对于凸透镜）或沿着直线离开物体一侧的焦距（对于凹透镜）。第二条光线从物体的顶端到透镜的中心，在那里它遇到主轴，然后继续直线穿过。
- 如果这两条光线在另一侧相遇，那么影像就会形成在那里（即你应该把屏幕放在那里）。如果它们发散，那么从透镜向后追踪这两条线，直到它们在另一侧相遇。这会在物体同侧形成一个虚像，必须从透镜的另一侧观看，不需要屏幕。如果物体在焦距上，那么这两条光线将平行，不会形成影像。
符号约定 : 基本上，高于主轴的高度为正，低于主轴的高度为负。会聚透镜的焦距被认为是正的，而发散透镜的焦距是负的（因此，如果你学习的是正值，记住对于发散透镜，焦距是负值）。如果物体在光线射入的同侧（几乎总是这种情况），那么物体距离为正，如果影像在光线射入的另一侧（一般来说，实像为正，虚像为负），那么影像距离为正。
透镜方程的推导是利用通过透镜中心的射线形成的相似三角形。三角形 #1 由物体、主轴和这条射线形成，三角形 #2 由像、主轴和射线形成。由于所有三角形的边成比例，这使我们能够得到关系式 Hi/Ho = Di/Do。
第二对三角形是由从透镜向下通过焦点（如绘制图表中）的射线形成的。这与透镜（高度等于 Ho）、轴线和射线形成了三角形 #1。三角形 #2 是像、轴线和射线。这使我们能够得到关系式 Hi/Ho = (Di-f)/f。注意，对于发散透镜，顶部项为 (f-Di)，但由于 f 为负，因此消除了它。
然后可以将这两个方程等同起来并简化为 1/do + 1/di = 1/f，即透镜方程（是的，它与镜面方程相同）。用图表会更清楚，所以也许有人愿意添加一些。
从第一个方程也可以看出，Di 和 Do 也与高度比直接相关，即放大倍数 M=Hi/Ho=Di/Do。
简单放大镜（即放大镜） : 这种放大镜使用凸透镜，物体放置在比 F 更靠近透镜的地方。这会导致一个放大的虚拟像出现在透镜的后面（实际上比物体更远，但它更大以弥补）。这使得物体看起来比实际更大。例如，这可以用来阅读小字体的文字。
复式显微镜 : 通过使用两个透镜产生一个放大的、倒置的图像。第一个透镜靠近物体，称为物镜，第二个透镜称为目镜。物体放置在比 F物镜 更远的地方远离物镜。然后它会使光线汇聚形成一个比 F目镜 更靠近目镜的图像。这会导致光线从目镜中发散出来，因此通过回溯，我们可以找到放大的虚拟像的位置。
天文望远镜 : 它与复式显微镜几乎完全相同，除了这次光线不是从近处的物体进入，而是以与透镜成一定角度的平行线进入（因为它来自很远的地方）。物镜将光线聚焦在比 Fe 更近的地方，然后将其发散，并在透镜后面形成一个放大的、倒置的图像。
全反射棱镜和光纤
(另请参见第 11.1.4 节)
全反射 (TIR) : 全反射是斯涅耳定律的结果，当折射角大于 90 度时发生。光线在一种物质中传播时遇到与另一种密度较小的介质相邻的边界。光线将偏离法线折射。然而，当折射角达到 90 度时，就会出现一个临界点。SinØc = n2/n1（由于 sin 90 = 1，因此可以将其约掉）。如果入射角等于 Øc，则光线将沿着密度较大的介质的表面传播，然而如果入射角大于 Øc，则所有光线将反射回密度较大的介质中。
TIR 棱镜 : 当在棱镜内部传播的光线到达边界并试图离开时，如果入射角大于 Øc，它将受到全反射的影响。因此，可以设计一个（直角三角形）棱镜，光线从垂直面进入，在斜边上完全反射，然后从底部面离开。这可以用来形成一种不使用镜子的潜望镜，这意味着 100% 的光被传输（镜子往往会损失一些光）。此外，还可以设计这样的棱镜，使其斜边向下放置，光线从一侧进入并向下折射，在底部完全反射，然后从另一侧离开。这意味着进入棱镜较高位置的光线会从更低的位置出来（因为它们在更远的位置撞击底部）。因此，这可以用来反转图像（如上面描述的望远镜）。
光纤 : 光纤基本上是由一根非常细的具有高折射率的材料制成的“线”，光线被送入其中。由于它具有高折射率，即使光纤弯曲，临界角也不会超过，所有光线都会发生全反射。然后可以利用它来非常容易地将光线绕过拐角等。由于光线以非常快的速度传播并且没有阻力，所以它优于在电线中使用电流，并且经常用于电信中。这些光纤也可以用来将光线导入人体，就像在内窥镜中一样，允许我们检查人体内部而不进行切开手术（或进行任何其他令人作呕的生物学操作）。装饰灯具是一种相当琐碎的用途，但你也可以用它们来做这个。
注意，在前两个应用中，重要的是相邻的光纤要光学隔离，这样光线就不可能从一个光纤跳到另一个光纤。这通常通过用折射率低于光纤的材料包裹它们来实现。
确定棱镜色散的最小偏角，并解释色散效应如何在分光镜中使用。
棱镜将白光分离成彩虹般的颜色，因为材料的折射率取决于波长。白光是由所有可见波长的混合物组成的，当它照射到棱镜上时，不同的波长会被弯曲到不同的角度。由于较短波长的折射率更大，因此紫光弯曲得最多，而红光弯曲得最少，如图所示。这种将白光分散成全光谱的现象称为色散。
分光镜是一种使用衍射光栅或棱镜分离不同波长的光的仪器，用于精确测量波长。棱镜由于色散，会将不同波长的光线弯曲成不同的角度。棱镜的缺点是它产生的线条不那么清晰，并且难以分离间隔很近的线条。但它具有比典型的衍射光栅偏转更多光线的优点（因此对微弱光源更有用），因为在后者中，大部分光线通过到中心峰。这些仪器的一个重要用途是鉴定原子或分子。当气体被加热或通过它通入大量电流时，气体会发出特征的线状光谱。也就是说，只发射某些波长的光，这些波长对于不同的元素和化合物是不同的。
棱镜的最小偏角出现在折射对称时。最小偏角 D 出现在方程式中：n=[sin1/2(A+D)]/[sin1/2A]，其中 A 是棱镜的主折射角，即在垂直于折射边缘的主要截面中由折射面形成的角度，n 是折射率。对于小角度棱镜，D=(n-1)A（近似），并且在一个中等范围的入射角范围内，偏差近似恒定。
各种装置中的干涉和衍射。
在每种情况下，都假定单色相干光照射到所讨论的装置上。
单缝 : 假设光线照射到介质中的一个细缝，并因此在该缝上形成无数个点光源，每个点光源都以半圆形模式辐射光。然后，我们考虑从这些点以许多关键角度传播的光线。
- 直接穿过的光线保持同相位，因此在与缝隙平行的屏幕上产生一个亮带。
- 当光线以这样的角度射出时，来自顶部光源的光线必须比来自底部光源的光线多传播一个波长才能到达屏幕。这意味着在中心必须存在一个光源，该光源必须比底部光源多传播半个波长。因此，这个半个波长和最上面的光线完全异相，因此它们会发生相消干涉。对于最上面光线下方的一条光线，以及中间光线下方的一条光线，也是如此。我们一直往下继续，直到所有光线都发生了相消干涉，导致在这个角度（sinØ = λ/狭缝长度）上屏幕出现一条暗带。
- 现在考虑最上面的光线需要多传播 3/2x λ 的点。狭缝的底部和中间三分之一部分会像 2 中那样发生相消干涉，但顶部的三分之一部分会继续传播到屏幕上，导致另一个（虽然更小）的亮带（sinØ = 3 x λ/2 x 狭缝长度）。
- 最上面的光线需要多传播 2 x λ 的点。所有光线都会发生相消干涉（sinØ = 2 x λ/狭缝长度），等等。这导致了一系列明暗条纹，随着偏离中心的角度变大，亮条纹变得越来越小。
双狭缝 : 这与上面的情况基本相同，只是更简单，因为我们有两个点光源，而不是一排点光源。当从屏幕到两个狭缝的距离差是偶数个波长时，就会出现亮带；当距离差是 1/2λ 时，就会出现暗带。一般来说，两者都遵循方程 D sinØ = m x λ，其中 D 是两个狭缝之间的距离或狭缝的长度。
衍射光栅 : 与双狭缝类似，只是这次我们有许多狭缝。这会产生一组更锐利的峰值，因为对于双狭缝，当角度略微偏离亮带时，两个光源只略微异相，因此仍然会产生一个相当明亮的亮带。对于多个狭缝，角度的微小变化会造成更大的强度下降，因为一个狭缝可能会与数百个狭缝之外的另一个狭缝完全异相。这使得亮带非常尖锐，也使衍射光栅在计算波长方面比双狭缝更精确。
相位变化（这个定义在接下来的两个部分中需要） : 每当光线改变介质时，它的一部分就会被边界反射。如果光线进入的介质折射率高于其传播介质的折射率，那么就会发生相位变化（即，在横波模型中，波峰变为波谷，反之亦然）。这有时会使计算光线何时会发生相消干涉变得复杂，因为必须将任何相位变化与路径差一起考虑。
薄膜 : 一个典型的例子是漂浮在水面上的一层薄薄的油膜（假设其折射率低于水）。在适当的光线条件下，这会产生一种彩虹效应。当光线进入油膜时，它的一部分会被反射（会发生相位变化）。剩余的光线继续向下，其中一部分会被油水边界反射（也会发生相位变化，这意味着这两种情况都可以忽略。如果薄膜像肥皂泡一样，只会发生一次相位变化，并且必须考虑）。这意味着如果薄膜的厚度一定，某些波长会被增强，而另一些波长会发生相消干涉（这就是他们制造那些从外面看是红色的太阳镜的方式等等）。请注意，光线总是被假设垂直进入和离开，虽然将其以一定角度绘制会更容易，但应该在任何图示中都注明这一点。如果问题是要在薄膜上产生条纹，而不是特定的波长被增强/相消干涉，那么可能需要考虑所涉及的角度。
牛顿环 : 在牛顿环中，有一个平坦的玻璃表面，在上面放置一块弯曲的玻璃板（想象一下一个球体的底部被切掉）。这意味着两块玻璃之间的间隙随着偏离中心的距离而增大。光线从弯曲玻璃板的底部反射（没有相位变化），并从基板的顶部反射（会发生相位变化）。这意味着要增强，两条传播路径之间的实际距离差必须是（k+1/2） x λ（其中 k 是一个整数）。请注意，这意味着在最中心会存在一个暗点，而不是一个亮点（如上面提到的各种狭缝情况）。
对于单狭缝，最小值由 m x λ = a sin Ø 定义（其中 m 是一个整数，它根据条纹的顺序而变化，a 是狭缝的宽度）。对于双狭缝或光栅，m x λ = d sin Ø = xd/D（其中 d 是两个相邻狭缝的中心之间的距离，x 是带宽（屏幕上相邻亮带之间的距离），D 是到屏幕的距离）。
光通常在所有平面传播（例如，一个波上下运动，另一个波左右运动，以及介于两者之间的所有角度）。偏振光是指仅在一个平面内传播的光（例如，仅上下运动）。这可能是由于多种原因造成的（将在下一节中讨论），通常可以使用偏振片（例如制造太阳镜的材料）进行分析，因为当它旋转时，通过它的光的强度会发生变化。
获得偏振光的方法。
反射 : 如上所述，当光线撞击两种介质之间的边界时，它的一部分会被反射，另一部分会进入第二种介质。但是，如果我们仔细思考，与表面平行的运动的光线比与表面垂直运动的光线更容易被反射（即，在边界上上下运动）。当反射光线和折射光线之间的角度差正好为 90 度时，这种情况会完全发生。你可以计算一下，但这意味着 tanØp=n（假设我们从折射率为 1 的介质进入折射率为 n 的介质），其中 Øp 是光线必须以其入射角度（入射角）才能完全偏振。
双折射 : 在折射的概念被理解之前，人们就知道某些晶体（如冰洲石）会折射出两束单独的光线，因此它们被称为双折射晶体。当另一种类型的晶体（电气石）旋转时，来自它的光线要么被透射，要么被阻挡，具体取决于方向。直到很久以后，人们才理解这种现象是偏振。
选择性吸收 : 一些材料被称为偏振片，它们能够在光线通过它们时偏振光线。它们是由长长的分子链制成的，这些分子链排列在一起，使它们全部平行，在它们之间留下了小的缝隙。偏振片的轴是缝隙的方向，当非偏振光通过时，在缝隙平面内运动的光线会完全被透射，而在垂直平面内运动的光线会被完全吸收。可以使用矢量图来找到光线在适当平面内的分量，从而确定透射量。
散射 : 当光线穿过大气层时，波会与一些空气分子（特别是 O2 和 N2）相互作用。与光相关的电场被吸收，导致分子内的电荷振荡。振荡的电荷会导致垂直于振荡方向（以及光线最初传播的方向）的电磁辐射产生。因此，从正上方看，会看到偏振光，其中偏振面垂直于振荡方向（以及光线最初传播的方向）。从其他视角看，光线会部分偏振。这可以用来解释为什么天空是蓝色的（因为短波长更容易受到影响）以及为什么日落是红色的（因为几乎所有的蓝色光都被消除了），但我认为不需要知道这些。
证实光波粒二象性的实验
干涉 : 这指的是上面提到的双缝实验。这是波的特性，因为粒子不能发生相消干涉（或者说，粒子根本不会发生干涉）。
衍射 : 同上。粒子穿过狭缝时不会发生衍射，而波会发生衍射。
偏振 : 粒子不会振荡，因此不能被偏振，但光可以被偏振，因此它一定是一种波（也许）。
光电效应（参见 13.5.1） : 当频率高于一定频率的电磁辐射照射在金属表面时，会产生电流。光的波动理论预测光中的能量以连续的形式传播（就像所有波一样）。这意味着任何频率的电磁辐射，只要足够长的时间照射在金属上，最终都会导致电子的发射（并因此产生电流），然而事实并非如此。相反，任何频率低于这个频率的电磁辐射都无法引起发射（无论强度增加、照射时间延长还是其他任何方法）。低于 fo（“一定”频率）时，强度的增加会增加每秒发射的电子数量，但电子的最大动能 Ek 不会因任何因素而改变，除了频率。所有这些都是通过使用可变电压来抵消光电子发射产生的电流，并使用电流计来测量电流恰好为零时的电压来测量的。
所有这些信息表明，光中的能量是量子化的，因此光被分解成称为光子的单个粒子，这些粒子携带与其频率相关的特定能量。因此，每个原子只能接受一个光子，不能接受两个光子的叠加。这也解释了为什么电子的动能 Ek 由波长决定，因为 Ek 来自电子从原子中激发出来后剩余的能量。因此，光是一种粒子，也是一种波（等等）。
康普顿效应 : 此效应涉及短波长（高频）光，如 X 射线与电子的碰撞。康普顿使用光子的模型来预测电子将被这种碰撞散射，并且随后剩余的 X 射线将具有更少的能量。这通过使用能量守恒和动量守恒定律以及实验结果在数学上得到了证明。波动理论预测，产生的 X 射线能量不会发生变化，因为频率为 f 的电磁辐射将被电子吸收，导致电子以频率 f 振荡并以相同的频率重新发射 X 射线。再一次，这是光的粒子性的证据。
激光的使用
技术 : 条形码扫描仪（依赖于激光光的反射或吸收），激光盘（光线将被光盘表面的“凹坑”反射或散射，从而允许读取数据）。
工业 : 测量（因为光束非常强烈，可以在不损失强度的的情况下传播很远的距离，因此可以用来测量距离等），焊接（强烈的光线非常热，并且可以非常精确地聚焦到一点），同样适用于金属加工和钻小孔。
医疗 : 烧灼小面积的组织（非常热且精确），破碎胆结石和肾结石（可以很容易地通过光纤传输到体内），附着视网膜，烧灼淋巴管和毛细血管（同样，精确、集中的热量）。
全息术是指制作全息图，全息图是嵌入二维表面中的三维图像。这个过程是用激光完成的（因为它们是聚焦的、相干的光源，与普通光不同）。一束宽激光照射在一个半透镜上，因此一半的光线穿过照射到胶片上，而另一半的光线被反射到物体上并进入全息图。因此，来自物体上每个点的光线都照射到胶片上的每个点，两束光线的干涉使胶片能够记录到达它的光的强度和相位。如果我们仔细考虑一下，强度部分就像一张普通照片。相位直接与“深度”相关（因为相位随距离变化）。来自物体的光线和直接穿过镜子光线之间的干涉使得可以找到这种相位差，并将其记录在胶片上。
要观看全息图，必须再次使用激光。胶片冲洗后，将全息图放置在与制作时相同波长的激光光中。全息图充当一种衍射光栅，在激光对面的方向产生全息图的真实二维图像，并在与激光相同的方向上产生虚拟的三维图像，从而产生三维效果。