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一、光學原理 光的直線傳播 (Rectilinear Propagation of Light) 內容：光在均勻介質中沿直線傳播。 應用： 影子的形成。 小孔成像。 激光準直。 光的反射 (Reflection of Light) 內容：光在兩種介質的界面上改變傳播方向，返回原介質的現象。 反射定律： 入射線、反射線和法線在同一平面內。 反射角等於入射角。 應用： 鏡子的成像。 光纖的傳輸。 雷達的探測。 光的折射 (Refraction of Light) 內容：光從一種介質進入另一種介質時，傳播方向發生改變的現象。 折射定律： 入射線、折射線和法線在同一平面內。 入射角和折射角的正弦之比等於兩種介質中光速之比。 sinθ₁/sinθ₂ = v₁/v₂ = n₂/n₁ 折射率 (Refractive Index)： n = c/v c：真空中的光速。 v：介質中的光速。 全反射 (Total Internal Reflection)： 光從光密介質射向光疏介質，入射角大於等於臨界角時發生的現象。 臨界角：sinθc = n₂/n₁ (n₁ > n₂) 應用： 透鏡的成像。 棱鏡的色散。 光纖的傳輸。 光的干涉 (Interference of Light) 內容：兩列或多列頻率相同、相位差恆定的光波在空間中疊加，使某些區域的光增強，某些區域的光減弱的現象。 發生干涉的條件： 相干光源：兩列光波的頻率相同、相位差恆定。 疊加：兩列光波在空間中相遇。 楊氏雙縫干涉 (Young's Double-Slit Experiment)： 條紋間距：Δx = λL/d λ：光波的波長。 L：雙縫到屏幕的距離。 d：雙縫之間的距離。 應用： 全息攝影。 光學測量。 薄膜干涉。 光的衍射 (Diffraction of Light) 內容：光波在傳播過程中遇到障礙物或小孔時，會繞過障礙物或小孔繼續傳播的現象。 發生明顯衍射的條件： 障礙物或小孔的尺寸與光波的波長相近，或者小於光波的波長。 應用： 光柵。 激光全息。 衍射光譜。 惠更斯原理: 波在傳播的過程中，波前的每個點都可以看作是新的波源，由此可以解釋波的繞射，干涉現象。 二、光子說與波粒二象性 (Photon Theory and Wave-Particle Duality) 光微粒說 (Corpuscular Theory of Light) 提出者：牛頓 (Isaac Newton) 內容： 光是由微小的粒子組成的，這些粒子稱為光微粒。 光微粒以極高的速度沿直線傳播。 不同的顏色對應於不同大小的光微粒。 優點： 可以解釋光的直線傳播和反射現象。 缺點： 無法解釋光的折射、干涉和衍射現象。 無法解釋不同顏色的光的速度相同。 光的波動說 (Wave Theory of Light) 提出者：惠更斯 (Christiaan Huygens)、楊氏 (Thomas Young) 內容： 光是一種電磁波。 光波在空間中傳播時，會發生干涉、衍射等現象。 優點： 可以解釋光的折射、干涉和衍射現象。 缺點： 無法解釋光電效應和康普頓效應。 光子說 (Photon Theory) 提出者：愛因斯坦 (Albert Einstein, 1905 年) 理論基礎：普朗克的量子理論 內容： 光不是連續的電磁波，而是一份一份的，每一份稱為一個光子。 光子具有能量和動量。 光子的能量：E = hν (h 是普朗克常數，ν 是光的頻率) 優點： 可以解釋光電效應和康普頓效應。 光的波粒二象性 (Wave-Particle Duality of Light) 內容： 光既具有波動性，又具有粒子性，這兩種性質是統一的，不可分割的。 在某些情況下，光表現出波動性，例如干涉、衍射。 在另一些情況下，光表現出粒子性，例如光電效應、康普頓效應。 光的波動性和粒子性之間的關係： 波動性描述的是光在宏觀上的統計行為，粒子性描述的是光在微觀上的個別行為。 光的波動性是光子集體行為的表現，光子的粒子性是構成光波的基本單元。 德布羅意波 (de Broglie Wave)： 德布羅意提出，不僅光具有波粒二象性，所有的微觀粒子都具有波粒二象性。 物質波的波長：λ = h/p (p 是粒子的動量) 三、總結 光的本性是波粒二象性，光既是一種電磁波，也是由光子組成的粒子流。 在不同的情況下，光會表現出不同的性質： 在傳播過程中，光主要表現出波動性，例如干涉、衍射。 在與物質相互作用時，光主要表現出粒子性，例如光電效應、康普頓效應。 對光的本性的認識是物理學發展的重要里程碑，也是量子力學產生的重要基礎。 惠更斯原理: 波在傳播的過程中，波前的每個點都可以看作是新的波源，由此可以解釋波的繞射，干涉現象。