光学是一门古老而又前沿的科学，同时也是当今物理学的核心方向之一。两千多年前，我国古代的著名思想家墨子在其著作《墨经》中便提出了光沿直线传播定律。我国古人在光学方面具有丰富的研究成果，包括依据太阳的高度变化设计了日晷，应用于天文观测制定了二十四节气等。在量子光学出现之前，光学的两个主要研究分支：几何光学和物理光学各自为光学发展做出了重大贡献，因此也是大学物理课程的考察重点，本专题将重点介绍反射与折射定律、光的干涉等重要内容。
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知识点介绍
光的反射定律：
入射光线、反射光线以及反射面的法线三者处在一个平面内，反射角等于入射角。
可逆性原理：
入射光线沿着反射光线的方向以相同的角度入射向分界面，则反射光线必将沿着原入射光线的方向，即光路是可逆的，这就是光的可逆性原理。
光的折射定律：
如下图所示：光线OA入射到介质I和介质II的分界面O点,PQ为分界面的法线，折射光线为OB，入射光线与面法线之间的夹角为i，折射光线和面法线之间夹角为γ，两介质的折射率分别为n1和n2与入射角折射角之间的关系满足：
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例题讲解
关于折射率的计算（属于基础题，但很重要）：
在空气中频率为5*10^14HZ的单色光进入某种透明介质后波长变为400nm，问此介质的折射率是多少？光在此介质内的频率是多少？
关于折射率的定义：
介质相对真空的折射率等于光在真空的速率与在介质中传播的比值。因此，本质上引起折射的原因是光在不同的介质中传播的速度不一致。在介质中光的速度变为：
这时介质中的波长等于：
这是一个很有用的结论，这样我们就可以很方便计算出光在真空中的波长或者介质的折射率等参数。
关于本题计算得到真空中的光波长为：
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知识点介绍
19世纪末麦克斯韦建立的电磁理论已经证明光是一种电磁波。因此，光的干涉本质上即光波的叠加现象。让我们回忆下机械波的相干条件：两波的频率必须相同、振动方向相同、相位差恒定。对于光的干涉来说同样需要满足以上三个条件。满足以上条件的光称为相干光。
因此，即使是两盏单色的相同钠灯，它们发出的光波在重叠区域内也观察不到干涉现象的。
如果两束光来自同一光源而使它们的相位差始终保持恒定，则合成后的光强为：
合成光强还可简化为：
产生相干光的方法有两类，一类是分波面法以杨氏双缝实验为代表，一类是分振幅法以薄膜干涩实验为代表。这里主要介绍杨氏双缝干涉（必考，一般每年固定考察计算题+选择填空，累计分值共12-20分）
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杨氏双缝干涉现象
单色平行光垂直入射狭缝a，在a前面放两个相距很近均与a平行的狭缝b和c，并使得这两个狭缝到狭缝a的距离相同。将单色平行光分割波面作为次级波源，由此产生了相干光。由于b和c位于同一波面上，从而它们发出的相干光在空间区域内叠加，形成干涉现象（明暗相间的条纹）
实验的主要考察点：
计算明暗条纹的间距，单色光波的波长等。以及有对单色光进行调制后条纹的位置变化等的计算。
明暗纹的位置计算：
设相干光源的距离为d，到观察屏的距离为D，且D>>d。在观察屏上任取一点P，设S1P=r1，S2P=r2，作过S1的垂线于S2P。根据三角形相似可以很容易得到∠POO’=θ=∠S2S1B。同时由于D>>d,因此，可以近似认为r2-r1=S2B。而S2B即为两相干光源的光程差（本质上是相位差）有以下关系：
同时又因为θ很小，有近似关系：
所以
本次的介绍内容就这么多啦。物理研究需要借助数学的计算工具，但无论是什么物理理论都离不开实验的验证，否则永远只是空中楼阁。大学物理下册考察的三大重点内容板块分别是电磁学、光学和近代物理，其中难度最高的是电磁学板块，难度适中、考察分值较大的是光学板块。因此，学好光学知识是很重要的，同学们可以积极整理自己的大学物理学习笔记，相信机会会留给有准备的人。
策划|本科生学业指导中心
图文|刘梓添
编辑|林泓伶
初审|官子涵
复审|陈祚瑜
审核|尚文浩
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