IB 物理/光學 SL
鏡面反射 : 這是由鏡子所體現的，鏡面反射產生了一個反射影像。這是由非常光滑的表面造成的，光線均勻地反射回整個表面。
漫反射 : 這是光線從任何其他物體上反彈形成物體影像的更常見情況（例如，當光線從一張紙上反彈時，我們看到的是紙，而不是反射）。這是由紙的表面不光滑造成的，而是光線向各個方向反射。
如果你從不同的角度看鏡子，你會看到不同的反射，而紙從各個角度看起來都是一樣的。漫反射讓我們能夠看到物體，否則我們只能看到發光的物體。因此，當週圍有足夠的光線時，我們可以看到任何不是漆黑一片的物體（即吸收所有光線的物體）。
平面鏡中虛像的形成
光線從物體上每個點向各個方向傳播，但不可能把所有的光線都畫出來，所以要用光線圖。通常把物體畫成斜著的箭頭，箭頭朝上，不過任何能顯示旋轉和反轉的東西都可以。
從一點畫兩條光線，稍微發散（分離），然後撞擊鏡子，然後反射（折射角 = 入射角）。
畫一條垂直於鏡子的線，然後入射角一邊等於出射角另一邊（這兩條線然後離開鏡子，到達“眼睛”（只畫點什麼來代表它，這不是繪畫比賽）。
到達眼睛的兩條光線然後向後延伸到“鏡子裡面”，直到它們在一點交匯（應該與原始物體在同一水平線上）。這個點就是影像形成的地方。它應該是直立的，但圍繞垂直軸“翻轉”，是一個虛像。
最後，在鏡子裡畫出影像。
鏡子被用於光學儀器中，主要用於讓我們看到實際上不在我們面前（或無法正常看到）的東西。
- 腳踏車後視鏡讓我們看到即將撞上我們的汽車。
- 潛望鏡讓潛艇能夠看到，然後炸燬水面上的船隻。
- 月球上的鏡子被用來測量它與地球之間的距離，方法是將雷射反射到月球上，並測量返回的時間。
曲率半徑 : 如果鏡片的曲面延伸成一個完整的圓，那麼曲率半徑就是這個圓的半徑。曲率半徑只適用於球面透鏡，但我們只考慮球面透鏡。球面鏡的焦距是曲率半徑的一半，或者曲率半徑是2F，這取決於你從哪個角度看它。
主軸 : 主軸是一條垂直於透鏡曲面中心點的線（即一條穿過透鏡中心的水平線）。
主焦點 : 這個值與透鏡的焦距有關。主焦點總是距離透鏡中心一個焦距（因此有兩個主焦點，一個在透鏡的一側，一個在另一側，通常在遠端用 F 表示，在物體一側用 F' 表示）。平行光線進入透鏡，要麼會聚到主焦點（凸透鏡），要麼從主焦點發散（凹透鏡）。
焦距 : 焦距是主軸到主焦點之間的最短距離。
近軸光線 : 近軸光線是指靠近主軸並平行於主軸的光線。
放大倍數 : 放大倍數通常定義為影像高度/物體高度，表示影像的放大程度。這與影像距離/物體距離也直接相關。
虛像 : 定義為實際上沒有光線穿過它，只有“虛像”（即在鏡子裡延伸的光線）。
實像 : 那些確實有光線穿過它的影像（那些可以在螢幕上顯示的影像）。
至於畫光線圖來幫助分析這一點，我認為這屬於“如果光線穿過它”的定義。實像通常用於投影系統，其中影像被顯示在螢幕上（或直接投射到眼睛裡）。虛像經常被使用，例如，在放大鏡中，影像必須從不同的角度才能看到。
透鏡公式 : 1/do + 1/di = 1/f。根據影像距離、物體距離和焦距中的兩個，可以找到第三個。這個公式在資料手冊的光學部分。
薄透鏡 : 用於在光學系統中會聚或發散光線。例如，望遠鏡將來自恆星的光線聚焦到我們的眼睛，在望遠鏡的末端，放大鏡會發散光線，在另一側形成放大的虛像。
聲透鏡 : 以與光學透鏡聚焦光線的方式非常相似的方式聚焦聲音。斯涅耳定律描述了聲波在兩種不同聲速介質之間介面處發生折射的情況。聲透鏡提供了適當的材料厚度，使平行聲波波前聚焦到單個焦點。
微波透鏡 : 推測它與微波有關，微波實際上只是電磁波譜的另一個部分，所以它們對透鏡的影響與可見光完全相同。我假設在微波爐中，你使用發散透鏡來散射微波，但其他人可能對此有所補充。
畫光線圖
- 首先畫出主軸，然後畫出透鏡（凸透鏡或凹透鏡，視情況而定）在中心。在主軸的兩側標記點，代表焦距和焦距的 2 倍（F 和 2F）。
- 在左側畫出物體（通常也是一個箭頭）。
- 從箭頭的頂端畫兩條光線。第一條平行於主軸，直到它撞擊透鏡，然後沿著直線向下穿過焦距（對於凸透鏡）或沿著直線離開物體一側的焦距（對於凹透鏡）。第二條光線從物體的頂端到透鏡的中心，在那裡它遇到主軸，然後繼續直線穿過。
- 如果這兩條光線在另一側相遇，那麼影像就會形成在那裡（即你應該把螢幕放在那裡）。如果它們發散，那麼從透鏡向後追蹤這兩條線，直到它們在另一側相遇。這會在物體同側形成一個虛像，必須從透鏡的另一側觀看，不需要螢幕。如果物體在焦距上，那麼這兩條光線將平行，不會形成影像。
符號約定 : 基本上，高於主軸的高度為正，低於主軸的高度為負。會聚透鏡的焦距被認為是正的，而發散透鏡的焦距是負的（因此，如果你學習的是正值，記住對於發散透鏡，焦距是負值）。如果物體在光線射入的同側（幾乎總是這種情況），那麼物體距離為正，如果影像在光線射入的另一側（一般來說，實像為正，虛像為負），那麼影像距離為正。
透鏡方程的推導是利用透過透鏡中心的射線形成的相似三角形。三角形 #1 由物體、主軸和這條射線形成，三角形 #2 由像、主軸和射線形成。由於所有三角形的邊成比例，這使我們能夠得到關係式 Hi/Ho = Di/Do。
第二對三角形是由從透鏡向下透過焦點（如繪製圖表中）的射線形成的。這與透鏡（高度等於 Ho）、軸線和射線形成了三角形 #1。三角形 #2 是像、軸線和射線。這使我們能夠得到關係式 Hi/Ho = (Di-f)/f。注意，對於發散透鏡，頂部項為 (f-Di)，但由於 f 為負，因此消除了它。
然後可以將這兩個方程等同起來並簡化為 1/do + 1/di = 1/f，即透鏡方程（是的，它與鏡面方程相同）。用圖表會更清楚，所以也許有人願意新增一些。
從第一個方程也可以看出，Di 和 Do 也與高度比直接相關，即放大倍數 M=Hi/Ho=Di/Do。
簡單放大鏡（即放大鏡） : 這種放大鏡使用凸透鏡，物體放置在比 F 更靠近透鏡的地方。這會導致一個放大的虛擬像出現在透鏡的後面（實際上比物體更遠，但它更大以彌補）。這使得物體看起來比實際更大。例如，這可以用來閱讀小字型的文字。
複式顯微鏡 : 透過使用兩個透鏡產生一個放大的、倒置的影像。第一個透鏡靠近物體，稱為物鏡，第二個透鏡稱為目鏡。物體放置在比 F物鏡 更遠的地方遠離物鏡。然後它會使光線匯聚形成一個比 F目鏡 更靠近目鏡的影像。這會導致光線從目鏡中發散出來，因此透過回溯，我們可以找到放大的虛擬像的位置。
天文望遠鏡 : 它與複式顯微鏡幾乎完全相同，除了這次光線不是從近處的物體進入，而是以與透鏡成一定角度的平行線進入（因為它來自很遠的地方）。物鏡將光線聚焦在比 Fe 更近的地方，然後將其發散，並在透鏡後面形成一個放大的、倒置的影像。
全反射稜鏡和光纖
(另請參見第 11.1.4 節)
全反射 (TIR) : 全反射是斯涅耳定律的結果，當折射角大於 90 度時發生。光線在一種物質中傳播時遇到與另一種密度較小的介質相鄰的邊界。光線將偏離法線折射。然而，當折射角達到 90 度時，就會出現一個臨界點。SinØc = n2/n1（由於 sin 90 = 1，因此可以將其約掉）。如果入射角等於 Øc，則光線將沿著密度較大的介質的表面傳播，然而如果入射角大於 Øc，則所有光線將反射回密度較大的介質中。
TIR 稜鏡 : 當在稜鏡內部傳播的光線到達邊界並試圖離開時，如果入射角大於 Øc，它將受到全反射的影響。因此，可以設計一個（直角三角形）稜鏡，光線從垂直面進入，在斜邊上完全反射，然後從底部面離開。這可以用來形成一種不使用鏡子的潛望鏡，這意味著 100% 的光被傳輸（鏡子往往會損失一些光）。此外，還可以設計這樣的稜鏡，使其斜邊向下放置，光線從一側進入並向下折射，在底部完全反射，然後從另一側離開。這意味著進入稜鏡較高位置的光線會從更低的位置出來（因為它們在更遠的位置撞擊底部）。因此，這可以用來反轉影像（如上面描述的望遠鏡）。
光纖 : 光纖基本上是由一根非常細的具有高折射率的材料製成的“線”，光線被送入其中。由於它具有高折射率，即使光纖彎曲，臨界角也不會超過，所有光線都會發生全反射。然後可以利用它來非常容易地將光線繞過拐角等。由於光線以非常快的速度傳播並且沒有阻力，所以它優於在電線中使用電流，並且經常用於電信中。這些光纖也可以用來將光線匯入人體，就像在內窺鏡中一樣，允許我們檢查人體內部而不進行切開手術（或進行任何其他令人作嘔的生物學操作）。裝飾燈具是一種相當瑣碎的用途，但你也可以用它們來做這個。
注意，在前兩個應用中，重要的是相鄰的光纖要光學隔離，這樣光線就不可能從一個光纖跳到另一個光纖。這通常透過用折射率低於光纖的材料包裹它們來實現。
確定稜鏡色散的最小偏角，並解釋色散效應如何在分光鏡中使用。
稜鏡將白光分離成彩虹般的顏色，因為材料的折射率取決於波長。白光是由所有可見波長的混合物組成的，當它照射到稜鏡上時，不同的波長會被彎曲到不同的角度。由於較短波長的折射率更大，因此紫光彎曲得最多，而紅光彎曲得最少，如圖所示。這種將白光分散成全光譜的現象稱為色散。
分光鏡是一種使用衍射光柵或稜鏡分離不同波長的光的儀器，用於精確測量波長。稜鏡由於色散，會將不同波長的光線彎曲成不同的角度。稜鏡的缺點是它產生的線條不那麼清晰，並且難以分離間隔很近的線條。但它具有比典型的衍射光柵偏轉更多光線的優點（因此對微弱光源更有用），因為在後者中，大部分光線透過到中心峰。這些儀器的一個重要用途是鑑定原子或分子。當氣體被加熱或透過它通入大量電流時，氣體會發出特徵的線狀光譜。也就是說，只發射某些波長的光，這些波長對於不同的元素和化合物是不同的。
稜鏡的最小偏角出現在折射對稱時。最小偏角 D 出現在方程式中：n=[sin1/2(A+D)]/[sin1/2A]，其中 A 是稜鏡的主折射角，即在垂直於折射邊緣的主要截面中由折射面形成的角度，n 是折射率。對於小角度稜鏡，D=(n-1)A（近似），並且在一箇中等範圍的入射角範圍內，偏差近似恆定。
各種裝置中的干涉和衍射。
在每種情況下，都假定單色相干光照射到所討論的裝置上。
單縫 : 假設光線照射到介質中的一個細縫，並因此在該縫上形成無數個點光源，每個點光源都以半圓形模式輻射光。然後，我們考慮從這些點以許多關鍵角度傳播的光線。
- 直接穿過的光線保持同相位，因此在與縫隙平行的螢幕上產生一個亮帶。
- 當光線以這樣的角度射出時，來自頂部光源的光線必須比來自底部光源的光線多傳播一個波長才能到達螢幕。這意味著在中心必須存在一個光源，該光源必須比底部光源多傳播半個波長。因此，這個半個波長和最上面的光線完全異相，因此它們會發生相消干涉。對於最上面光線下方的一條光線，以及中間光線下方的一條光線，也是如此。我們一直往下繼續，直到所有光線都發生了相消干涉，導致在這個角度（sinØ = λ/狹縫長度）上螢幕出現一條暗帶。
- 現在考慮最上面的光線需要多傳播 3/2x λ 的點。狹縫的底部和中間三分之一部分會像 2 中那樣發生相消干涉，但頂部的三分之一部分會繼續傳播到螢幕上，導致另一個（雖然更小）的亮帶（sinØ = 3 x λ/2 x 狹縫長度）。
- 最上面的光線需要多傳播 2 x λ 的點。所有光線都會發生相消干涉（sinØ = 2 x λ/狹縫長度），等等。這導致了一系列明暗條紋，隨著偏離中心的角度變大，亮條紋變得越來越小。
雙狹縫 : 這與上面的情況基本相同，只是更簡單，因為我們有兩個點光源，而不是一排點光源。當從螢幕到兩個狹縫的距離差是偶數個波長時，就會出現亮帶；當距離差是 1/2λ 時，就會出現暗帶。一般來說，兩者都遵循方程 D sinØ = m x λ，其中 D 是兩個狹縫之間的距離或狹縫的長度。
衍射光柵 : 與雙狹縫類似，只是這次我們有許多狹縫。這會產生一組更銳利的峰值，因為對於雙狹縫，當角度略微偏離亮帶時，兩個光源只略微異相，因此仍然會產生一個相當明亮的亮帶。對於多個狹縫，角度的微小變化會造成更大的強度下降，因為一個狹縫可能會與數百個狹縫之外的另一個狹縫完全異相。這使得亮帶非常尖銳，也使衍射光柵在計算波長方面比雙狹縫更精確。
相位變化（這個定義在接下來的兩個部分中需要） : 每當光線改變介質時，它的一部分就會被邊界反射。如果光線進入的介質折射率高於其傳播介質的折射率，那麼就會發生相位變化（即，在橫波模型中，波峰變為波谷，反之亦然）。這有時會使計算光線何時會發生相消干涉變得複雜，因為必須將任何相位變化與路徑差一起考慮。
薄膜 : 一個典型的例子是漂浮在水面上的一層薄薄的油膜（假設其折射率低於水）。在適當的光線條件下，這會產生一種彩虹效應。當光線進入油膜時，它的一部分會被反射（會發生相位變化）。剩餘的光線繼續向下，其中一部分會被油水邊界反射（也會發生相位變化，這意味著這兩種情況都可以忽略。如果薄膜像肥皂泡一樣，只會發生一次相位變化，並且必須考慮）。這意味著如果薄膜的厚度一定，某些波長會被增強，而另一些波長會發生相消干涉（這就是他們製造那些從外面看是紅色的太陽鏡的方式等等）。請注意，光線總是被假設垂直進入和離開，雖然將其以一定角度繪製會更容易，但應該在任何圖示中都註明這一點。如果問題是要在薄膜上產生條紋，而不是特定的波長被增強/相消干涉，那麼可能需要考慮所涉及的角度。
牛頓環 : 在牛頓環中，有一個平坦的玻璃表面，在上面放置一塊彎曲的玻璃板（想象一下一個球體的底部被切掉）。這意味著兩塊玻璃之間的間隙隨著偏離中心的距離而增大。光線從彎曲玻璃板的底部反射（沒有相位變化），並從基板的頂部反射（會發生相位變化）。這意味著要增強，兩條傳播路徑之間的實際距離差必須是（k+1/2） x λ（其中 k 是一個整數）。請注意，這意味著在最中心會存在一個暗點，而不是一個亮點（如上面提到的各種狹縫情況）。
對於單狹縫，最小值由 m x λ = a sin Ø 定義（其中 m 是一個整數，它根據條紋的順序而變化，a 是狹縫的寬度）。對於雙狹縫或光柵，m x λ = d sin Ø = xd/D（其中 d 是兩個相鄰狹縫的中心之間的距離，x 是頻寬（螢幕上相鄰亮帶之間的距離），D 是到螢幕的距離）。
光通常在所有平面傳播（例如，一個波上下運動，另一個波左右運動，以及介於兩者之間的所有角度）。偏振光是指僅在一個平面內傳播的光（例如，僅上下運動）。這可能是由於多種原因造成的（將在下一節中討論），通常可以使用偏振片（例如製造太陽鏡的材料）進行分析，因為當它旋轉時，透過它的光的強度會發生變化。
獲得偏振光的方法。
反射 : 如上所述，當光線撞擊兩種介質之間的邊界時，它的一部分會被反射，另一部分會進入第二種介質。但是，如果我們仔細思考，與表面平行的運動的光線比與表面垂直運動的光線更容易被反射（即，在邊界上上下運動）。當反射光線和折射光線之間的角度差正好為 90 度時，這種情況會完全發生。你可以計算一下，但這意味著 tanØp=n（假設我們從折射率為 1 的介質進入折射率為 n 的介質），其中 Øp 是光線必須以其入射角度（入射角）才能完全偏振。
雙折射 : 在折射的概念被理解之前，人們就知道某些晶體（如冰洲石）會折射出兩束單獨的光線，因此它們被稱為雙折射晶體。當另一種型別的晶體（電氣石）旋轉時，來自它的光線要麼被透射，要麼被阻擋，具體取決於方向。直到很久以後，人們才理解這種現象是偏振。
選擇性吸收 : 一些材料被稱為偏振片，它們能夠在光線透過它們時偏振光線。它們是由長長的分子鏈製成的，這些分子鏈排列在一起，使它們全部平行，在它們之間留下了小的縫隙。偏振片的軸是縫隙的方向，當非偏振光透過時，在縫隙平面內運動的光線會完全被透射，而在垂直平面內運動的光線會被完全吸收。可以使用向量圖來找到光線在適當平面內的分量，從而確定透射量。
散射 : 當光線穿過大氣層時，波會與一些空氣分子（特別是 O2 和 N2）相互作用。與光相關的電場被吸收，導致分子內的電荷振盪。振盪的電荷會導致垂直於振盪方向（以及光線最初傳播的方向）的電磁輻射產生。因此，從正上方看，會看到偏振光，其中偏振面垂直於振盪方向（以及光線最初傳播的方向）。從其他視角看，光線會部分偏振。這可以用來解釋為什麼天空是藍色的（因為短波長更容易受到影響）以及為什麼日落是紅色的（因為幾乎所有的藍色光都被消除了），但我認為不需要知道這些。
證實光波粒二象性的實驗
干涉 : 這指的是上面提到的雙縫實驗。這是波的特性，因為粒子不能發生相消干涉（或者說，粒子根本不會發生干涉）。
衍射 : 同上。粒子穿過狹縫時不會發生衍射，而波會發生衍射。
偏振 : 粒子不會振盪，因此不能被偏振，但光可以被偏振，因此它一定是一種波（也許）。
光電效應（參見 13.5.1） : 當頻率高於一定頻率的電磁輻射照射在金屬表面時，會產生電流。光的波動理論預測光中的能量以連續的形式傳播（就像所有波一樣）。這意味著任何頻率的電磁輻射，只要足夠長的時間照射在金屬上，最終都會導致電子的發射（並因此產生電流），然而事實並非如此。相反，任何頻率低於這個頻率的電磁輻射都無法引起發射（無論強度增加、照射時間延長還是其他任何方法）。低於 fo（“一定”頻率）時，強度的增加會增加每秒發射的電子數量，但電子的最大動能 Ek 不會因任何因素而改變，除了頻率。所有這些都是透過使用可變電壓來抵消光電子發射產生的電流，並使用電流計來測量電流恰好為零時的電壓來測量的。
所有這些資訊表明，光中的能量是量子化的，因此光被分解成稱為光子的單個粒子，這些粒子攜帶與其頻率相關的特定能量。因此，每個原子只能接受一個光子，不能接受兩個光子的疊加。這也解釋了為什麼電子的動能 Ek 由波長決定，因為 Ek 來自電子從原子中激發出來後剩餘的能量。因此，光是一種粒子，也是一種波（等等）。
康普頓效應 : 此效應涉及短波長（高頻）光，如 X 射線與電子的碰撞。康普頓使用光子的模型來預測電子將被這種碰撞散射，並且隨後剩餘的 X 射線將具有更少的能量。這透過使用能量守恆和動量守恆定律以及實驗結果在數學上得到了證明。波動理論預測，產生的 X 射線能量不會發生變化，因為頻率為 f 的電磁輻射將被電子吸收，導致電子以頻率 f 振盪並以相同的頻率重新發射 X 射線。再一次，這是光的粒子性的證據。
雷射的使用
技術 : 條形碼掃描器（依賴於雷射光的反射或吸收），雷射盤（光線將被光碟表面的“凹坑”反射或散射，從而允許讀取資料）。
工業 : 測量（因為光束非常強烈，可以在不損失強度的的情況下傳播很遠的距離，因此可以用來測量距離等），焊接（強烈的光線非常熱，並且可以非常精確地聚焦到一點），同樣適用於金屬加工和鑽小孔。
醫療 : 燒灼小面積的組織（非常熱且精確），破碎膽結石和腎結石（可以很容易地透過光纖傳輸到體內），附著視網膜，燒灼淋巴管和毛細血管（同樣，精確、集中的熱量）。
全息術是指製作全息圖，全息圖是嵌入二維表面中的三維影像。這個過程是用雷射完成的（因為它們是聚焦的、相干的光源，與普通光不同）。一束寬雷射照射在一個半透鏡上，因此一半的光線穿過照射到膠片上，而另一半的光線被反射到物體上並進入全息圖。因此，來自物體上每個點的光線都照射到膠片上的每個點，兩束光線的干涉使膠片能夠記錄到達它的光的強度和相位。如果我們仔細考慮一下，強度部分就像一張普通照片。相位直接與“深度”相關（因為相位隨距離變化）。來自物體的光線和直接穿過鏡子光線之間的干涉使得可以找到這種相位差，並將其記錄在膠片上。
要觀看全息圖，必須再次使用雷射。膠片沖洗後，將全息圖放置在與製作時相同波長的雷射光中。全息圖充當一種衍射光柵，在雷射對面的方向產生全息圖的真實二維影像，並在與雷射相同的方向上產生虛擬的三維影像，從而產生三維效果。