4-5 光波的特性
4.5.1 光的本質
光的本質是人類長期探討的課題，歷史上有三種主要的理論：
1. 微粒說
牛頓提出光是由微小粒子組成，稱為光子，以直線方式傳播，可解釋反射和折射現象。
2. 波動說
惠更斯認為光是波動，以波的形式傳播，可解釋反射和折射現象及干涉、繞射等現象。
3. 微粒說到波動說的證據
- 楊氏雙狹縫干涉實驗。
- 菲涅耳的繞射理論。
- 光速在液體中較空氣中慢。
- 泊松亮點。
- 馬克士威的電磁理論。
3. 波粒二象性
- 光電效應的實驗結果無法用波動說解釋，愛因斯坦因此提出光量子論解釋。
- 光量子論將光視為一個個的光量子，每個光量子的能量E=hf。
- 愛因斯坦因此波粒二象性，即光在不同條件會呈現出波或粒子的性質。
問題 1：
光的微粒說和波動說有何不同？波粒二象性如何統一這兩種觀點？
解題策略：
比較兩種理論的主要觀點，理解現代物理學如何解釋光的本質。
4.5.2 波前
波前是指在同一時刻，波動所到達的所有點連成的曲線或曲面。它代表了波的傳播狀態和形狀。
波的前進方向總是垂直於波前，即波以垂直於波前的方向傳播。
問題 2：
波前是什麼？波的傳播方向與波前有何關係？
解題策略：
回憶波前的定義，思考波的傳播方向與波前的幾何關係。
4.5.3 惠更斯原理
惠更斯原理指出，波前上每一點都可視為新的點波源，發出子波（次波），這些子波向前傳播，新的波前是這些子波的包絡面。
此原理可用來解釋波的傳播、反射、折射、干涉和繞射等現象。
問題 3：
惠更斯原理的核心概念是什麼？它如何解釋波的繞射現象？
解題策略：
理解惠更斯原理的基本原理，並應用於繞射的解釋。
4.5.4 光的反射
當光從一種介質射向另一種介質的界面時，會發生反射現象。反射遵循以下定律：
- 反射定律：反射光線、入射光線和法線位於同一平面上。
- 反射角等於入射角（∠i = ∠r）。
平面鏡成像就是光的反射應用，產生虛像，與物體等大且對稱。
問題 4：
反射定律的內容是什麼？在平面鏡中，物體與像之間有何關係？
解題策略：
回憶反射定律的兩個主要內容，以及平面鏡成像的特點。
4.5.5 光的折射
當光斜射入不同介質時，傳播方向會在界面處發生改變，這種現象稱為折射。折射遵循以下定律：
- 折射定律（司乃耳定律）：入射光線、折射光線和法線位於同一平面，且入射角和折射角的正弦比值為定值，即 n = sin∠i / sin∠r。
- 光由光速較快的介質進入光速較慢的介質時，折射光線會偏向法線；反之則偏離法線。
折射率（n）是光在真空中的速度與在介質中的速度之比，表示介質對光的折射能力。
問題 5：
什麼是折射率？當光從空氣進入水中時，會偏向還是偏離法線？
解題策略：
理解折射率的定義，判斷光速快慢與折射方向的關係。
4.5.6 光的干涉
當兩束相干光相遇時，會發生干涉現象，導致光強度的疊加效果：
- 建設性干涉：波峰與波峰重疊，振幅增大，形成亮紋。
- 破壞性干涉：波峰與波谷重疊，振幅減小，形成暗紋。
楊氏雙狹縫實驗證明了光的波動性，通過兩個狹縫產生相干光源，在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋。
問題 6：
什麼是建設性干涉和破壞性干涉？楊氏雙狹縫實驗證明了什麼？
解題策略：
回憶干涉的定義和雙狹縫實驗的意義。
4.5.7 光的繞射
繞射是指波在遇到障礙物或狹縫時，會繞過障礙物繼續傳播的現象。
在單狹縫繞射實驗中，光通過狹縫後會在屏幕上形成明暗相間的條紋，中央亮紋最寬且最亮，這是繞射的特徵。
問題 7：
繞射現象是什麼？單狹縫繞射實驗中觀察到什麼現象？
解題策略：
描述繞射的定義，並回憶實驗觀察到的現象。
4.5.8 生活中的干涉與繞射
在日常生活中，我們常常能觀察到由光的干涉和繞射造成的現象：
- 肥皂泡的彩虹色：薄膜干涉造成的色彩斑斕。
- 光碟片上的彩色光紋：光在光碟表面的細微溝槽繞射形成的光譜。
- 油漬的彩色斑紋：薄油膜干涉產生的色彩變化。
- 孔雀羽毛的鮮豔色彩：微小結構造成的光干涉和繞射效應。
問題 8：
為什麼肥皂泡會呈現彩虹色？這與哪種光學現象有關？
解題策略：
考慮光在薄膜表面的反射和干涉效應。
問題 9：
光碟片上的彩色光紋是由什麼現象造成的？
解題策略：
理解光在週期性結構上的繞射效應。