物理学习指南/光学

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光

光是人类眼睛可见的电磁能量范围，即可见光颜色。光辐射不仅包括可见光范围，还包括更广泛的不可见电磁辐射，这些辐射的行为方式与可见光辐射类似，但通常需要其他发射器或接收器才能检测到。根据实验问题的类型，光——光辐射表现为波或粒子，称为光波或光子。光子的产生或消失需要电子——电磁电荷，它们会改变能量。

光在真空中传播速度最快。

c=299,792,458{\frac {m}{s}}

在波中，我们必须区分能量的传输速度或定义频率的波的相位状态的传输速度。在真空中，任何光子能量——波长的波的速度都相同，但通过材料的传输速度取决于波长——光子能量。当真空中的光速测量达到长度单位米的不确定度时，这个基本单位在1960年得到了新的定义，基于时间单位。根据已知的最佳测量值，它被定义为没有任何长度不确定性，即光速为每秒299,792,458米。因此，光速中唯一的误差是时间单位秒的实现误差。（如果你想获得长度标准，可以与制表师合作）。

然而，当电磁辐射进入折射率为 $n$ 的介质时，其速度将变为

c_{n}={\frac {c}{n}}

其中 $c_{n}$ 是光在介质中的速度。

折射

折射发生在光从一种介质传播到另一种介质时（例如，从空气传播到水中）。折射是由于光速变化而导致的光传播方向发生变化。当光从一种介质传播到一种更密的介质时，折射会向法线方向弯曲。例如，当光从空气传播到一块玻璃中时，光会向法线方向弯曲。入射光线与折射光线的正弦之比与折射率之比相同。

{\frac {\sin(\theta _{i})}{\sin(\theta _{r})}}={\frac {n_{r}}{n_{i}}}\quad {\text{or}}\quad n_{i}\sin(\theta _{i})=n_{r}\sin(\theta _{r})

这被称为斯涅耳定律——一个容易记住的方法是“斯涅耳”是“透镜”的反写。

反射镜和透镜

焦距

{\frac {1}{d_{i}}}+{\frac {1}{d_{o}}}={\frac {1}{f}}

$f$ $f$ 是焦距。
- $f$ 在凸面镜和凹透镜中为负值。
- 凹面镜和凸透镜中，焦距 $f$ 为正。
像到镜面或透镜的距离 $d_{i}$ $d_{i}$ 。
- 对于镜面，如果像是出现在镜面前方，则 $d_{i}$ 为正；如果像是出现在镜面后方，则 $d_{i}$ 为负。
- 对于透镜，如果像是出现在与光源相反的一侧，则 $d_{i}$ 为正；如果像是出现在与光源相同的一侧，则 $d_{i}$ 为负。
物体到镜面或透镜的距离 $d_{o}$ （始终为正）。只有在没有真实物体，而是存在虚物体（来自另一个光学系统的会聚光束）的情况下， $d_{o}$ 才会为负。
记忆公式的一个简单方法是记住“如果我做，我就死”（If I Do I Die），它代表 $1/f=1/d_{0}+1/d_{i}$ 。

放大倍数

M={\frac {h_{i}}{h_{o}}}=-{\frac {d_{i}}{d_{o}}}

$M$ $M$ 为放大倍数。
- 如果放大倍数为正，则像是正立的。
- 如果放大倍数为负，则像是倒立的。
$h_{i}$ 为像高。
$h_{o}$ 为物高。
$d_{i}$ $d_{i}$ 也是像距，常记作 $v$ $v$ 。
- 对于镜面，如果像是出现在镜面前方，则 $d_{i}$ 为正；如果像是出现在镜面后方，则 $d_{i}$ 为负。
- 对于透镜，如果像是出现在与光源相反的一侧，则 $d_{i}$ 为正；如果像是出现在与光源相同的一侧，则 $d_{i}$ 为负。
$d_{o}$ 也是物距，常记作 $u$ 。