IB 物理/電磁波

G.1 電磁波的性質和光源

G.1.1 概述電磁 (EM) 波的性質

光是一種電磁波。光速與光源的速度無關。

電磁波由相互垂直並同相振盪的磁場和電場組成。這可以看作是兩個相互垂直的橫波，以相同的方向傳播。

G.1.2 描述電磁頻譜的不同區域

最重要的是大約 400-700 奈米的可見光

G.1.3 描述電磁波色散的含義

白光從一種介質進入另一種介質時，由於不同介質具有不同的折射率而被分解成其組成色，這種現象稱為色散（如下所示）。紅色波長最大，因此頻率最低，與藍色光相比，藍色光波長較短，頻率較高。

G.1.4 根據折射率對波長的依賴性描述電磁波的色散

在上面的例子中，紅色光的衍射程度最小，而紫色光的衍射程度最大。這是因為頻率較低（即紅色）的波衍射程度較小（折射率較低）。

色散現象不僅發生在光波，也會發生在整個電磁波譜中。

G.1.5 區分輻射的透射、吸收和散射

考慮一個穿過介質的電磁波

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

根據常識

• 如果電磁波直線穿過介質，則該波被透射
• 如果介質中的物質（例如空氣中的分子）吸收了電磁波的能量，則該波被吸收。該能量可以被重新發射。
• 如果電磁波被介質中的粒子散射到隨機方向，則該波被散射。

電磁波可以被部分透射/吸收/散射。

G.1.6 討論電磁輻射的透射、吸收和散射的例子

最常見的例子是：為什麼天空是藍色的，而日落是紅色的？

• 白天：藍光被大氣中微小的塵埃粒子散射。如果沒有大氣，天空將是黑色的。
• 日落時：光必須穿過更多的大氣。藍光比紅光散射更多（因為它具有更短的波長），因此藍光在你到達之前就被散射太多，因此我們只能看到紅光。

其他例子包括：紫外線被臭氧層吸收，紅外線被溫室氣體吸收（導致全球變暖）。

雷射

G.1.7 解釋單色性和相干性的概念

單色光（mono=單一，chromatic=顏色）是指波長範圍很窄的光，例如 500-501 奈米。燈泡不是單色光，因為白光是多種不同頻率的混合。

相干光是指波之間相互關聯的光，即所有發射的光子彼此同相位。

G.1.8 確定雷射作為相干光源

“雷射是相干光源”。

G.1.9概述雷射產生的機制

雷射代表“受激輻射的光放大”。

受激輻射是指“處於激發態的電子”發射光子並降至較低能態的過程。這是由另一個光子經過激發態電子引起的（總共有兩個光子）。從本質上講，這兩個光子具有相同的波長，並且同相位（不需要解釋）。

雷射的工作原理是將大量能量泵入雷射器，使得介質中超過 50% 的電子處於激發態。然後它有兩個鏡子，其中一個鏡子讓 1% 的光子透過（這就是我們看到的光）。

在網際網路上搜索動畫以正確解釋這一點。

G.1.10概述雷射應用的例子

選擇以下其中一項

• 醫學應用（雷射手術）
• 通訊
• 技術（條形碼掃描器、雷射盤）
• 工業（測量、焊接和加工金屬、在金屬上鑽小孔）
• CD 的生產
• 讀取和寫入 CD、DVD 等

G2 光學儀器

G.2.1 定義主軸、焦點、焦距和線性放大率的概念，這些概念應用於會聚（凸）透鏡

主軸：是指穿過透鏡中心並垂直於透鏡表面的直線。

焦點：是指主軸上的一點，平行於主軸的光線經過透鏡折射後會穿過該點。

焦距：是指透鏡的焦點到透鏡中心的距離

線性放大率 (m)：是指像的大小（高度）（h_i）與物的大小（高度）（h_o）的比值。它沒有單位。

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

G.2.2 定義凸透鏡的度數和屈光度

透鏡的度數是衡量透鏡彎曲光執行緒度的指標。透鏡的度數 (P) 定義為透鏡的焦距 (f) 的倒數

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

透鏡度數的單位是 m ^-1 或屈光度 (dpt)

G.2.3 定義線性放大率

線性放大率 (m) 定義為像的高度 h_i 與物的高度 h_o 的比值

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

G.2.5 區分實像和虛像

實像是由光線實際匯聚（聚合）在一點形成的。可以被投影。

虛像是由看起來像從一點匯聚的光線形成的。不能被投影到螢幕上。

簡單的放大鏡

G.2.8 定義裸眼視力的遠點和近點

對於正常眼睛，遠點可以假定為無限遠，近點通常被認為是距眼睛 25 釐米的一點。

近點 - 眼睛與可以舒適聚焦的最靠近的物體之間的距離。“明視距離”

遠點 眼睛與可以舒適聚焦的最遠的物體之間的距離。

G.2.9 定義視角放大倍數

視角放大倍數是透過透鏡觀察物體時所張成的角度與用裸眼觀察物體時所張成的角度之比。

複合顯微鏡和天文望遠鏡

G.2.12 為天文望遠鏡構建光線圖，該望遠鏡的最終影像在無限遠處（正常調整）

用於無限遠處的影像的天文望遠鏡光線圖。

像差

G.2.15 解釋單個透鏡產生的球面像差和色差的含義

您應該瞭解兩種型別的光學像差，即色差和球面像差。

色差是由不同波長的光線被透鏡中的玻璃不同程度地折射造成的，畢竟玻璃的密度與空氣不同。這可以透過使用多個具有不同折射率的透鏡來抵消，這些透鏡有效地“將顏色彎曲回來”。

另一方面，球面像差是由於沒有透鏡是完美的球體造成的。因此，入射在透鏡外側部分的光線將比入射在中心部分的光線彎曲得更多。為了防止這種情況，可以使用光圈來阻止光線照射到透鏡的外側部分。

顯示色差的圖

顯示球面像差的圖

G.2.16 描述如何減少透鏡的球面像差

可以透過以下方法減少透鏡的球面像差

• 關閉透鏡邊緣附近的光線（使用光圈）。
• 研磨曲率。
• 使用透鏡組合。（例如，使用兩個透鏡代替一個較厚的透鏡）。

G.2.17 描述如何減少透鏡的色差

可以透過以下方法減少透鏡的色差

• 使用凸透鏡和凹透鏡的組合（複合透鏡）。

G3 雙源波的干涉

G.3.1 說明觀察兩個源之間干涉所需的條件

為了使兩個光源產生可觀察的干涉圖樣，來自兩個光源的光必須是相干的。

G.3.3 用光的雙縫實驗來說明並畫出觀察到的干涉條紋的強度分佈圖

楊氏雙縫實驗

G6 薄膜干涉

G.6.7 說明相長干涉和相消干涉的條件

相長干涉的條件

1. 波長和頻率必須相同。
2. 波必須同相位。

相消干涉的條件

1. 波長和頻率必須相同。
2. 波必須反相位。