太阳能光伏发电光学原理课件.ppt

1、第二章 太阳能光伏发电光学原理2.1 光的反射和折射2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射2.3 光的散射2.4 光的辐射2.5 到达地面的太阳辐射2.6 光电学说2.1 光的反射和折射n光的传播：nA、光在同一种均匀介质中沿直线传播。nB、光到达两种介质的界面，发生反射和折射。nC、光在不均匀介质中传播时光线发生弯曲。一、光源能够自行发光的物体月亮不是光源光的直线传播 一、光线用来表示光的传播方向的直线。注意理解几点：1)画光线时必须有表示光的传播方向的箭头。2)光线只代表光的传播方向，并不是实际存在的东西，而光是实际存在的。3)光线可代表很窄、平行光束的传播路径。4)两条光线可代表一条光束的边

2、缘。5)用光线可代表光的会聚、发散或平行的性质。PBSa)影是由发自光源并与投影物体的表面相切的光线所形成的。b)影子的大小决定于点光源物体和光屏的相对位置。三、实际的光现象1、影点光源发出的光，照到不透明的物体时，在物体背后形成一个光照不到的黑暗区域，这就是物体的影。c)伪半影光源中心部分照不到的区域。ABCD2、若光源的发光面较大，发光面上的每个发光点，都可以看作一个点光源，它们都在物体背后造成影区，分别为：a)本影完全不受到光照射的区域。(影共有的范围)b)半影本影的周围还有一个能受到光源发出的一部分光照射的区域。月球太阳地球太阳月球地球ABBAA：本影区 看到日全食 B：半影区 看到日

3、偏食C：伪半影区 看到日环食BBc2.1.1 光的反射定律n 反射定律“三线同面，法线居中，两角相等三线同面，法线居中，两角相等”BOAN）（光的反射反射光线、入射光线和法线在同一平面上反射角等于 入射角反射光线和入射光线反射光线和入射光线分居法线的分居法线的两侧两侧练习练习1：（1）（2）（3）漫反射漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光虽为平行光束，反射光却四向分散。无论单向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。问题：n一束太阳光斜射到平面镜的表面，平面镜的另一束太阳光斜射到平面镜的表面，平面镜的另一侧可以看到耀眼的白光；如果太阳光斜射到一侧可以看到耀眼的白光；如果太阳光斜射到粗糙的木板表面，则无论

4、从哪个方向观察，都粗糙的木板表面，则无论从哪个方向观察，都看不到耀眼的亮光，为什么？看不到耀眼的亮光，为什么？平面镜平面镜会发生全反射全反射现象，而粗糙的木板木板的只能发生漫反射漫反射现象。练习：练习：光的反射现象。迎着月光走，光水人，光线这样入眼。背着月光走，光线没有射入人眼，路面存在漫反射。所以，发暗处是水。漫反射：是指一束平行光线射向凹凸不平的面时，每条光线都遵循光的反射定律。镜面反射：平行光射到光滑的平面，反射光依然平行。水洼，镜面反射。路面，漫反射。60 1200相反相反130065000练习：练习：2.1.2 光的折射定律光的折射光由一种介质传入另一种介质时（非垂直射入），前进方向

5、会改变的现象。原因：光在不同介质中，由于速率的不同，使得前进方向改变。光的折射定律（1）入射线、折射线与法线在同一平面上。（2）光自光速快的介质，传入光速慢的介质时，其折射线偏向法线。即折射角小于入射角。（3）光自光速慢的介质，传入光速快的介质时，其折射线偏离法线，及折射角大於入射角。入射光与反射光及折射光的比较：入射光与反射光的比较：相同：不同：光速、频率、波长振幅、方向入射光与折射光的比较：相同：不同：频率光速、波长、振幅、方向面镜与透镜面镜 应用光的反射原理透镜 应用光的折射原理 平面镜 凸面镜 凹面镜凸透鏡 凹透鏡平面鏡的成像成像性质：（1）为一正立虚像 （2）物距=像距 （3）物长=

6、像长 （4）左右向反，上下不颠倒凸透镜的成像凸透鏡各部分的名稱及繪圖：（1）主轴 （2）镜心（3）焦点 （4）焦距（1）平行主轴的光线通过异侧焦点（2）通过镜心的光线不偏折（3）通过焦点的光线平行主轴凸透鏡成像http:/www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.html物位置无穷远2F外2F上2FFF上F內像位置异侧F上异侧F2F异侧2F上异侧2F外无穷远同侧像性质一點实像倒立縮小实像倒立相等实像倒立放大实像不成像正立放大实像凹透镜成像凹透鏡各部分名稱及繪圖：（1）主軸 （2）鏡心（3）焦點 （4）焦距（1）平行主軸的光線向外發散，其延長線通過同側焦點（2）通過鏡心

7、的光線不偏折（3）通過異側焦點的光線平行主軸凹透鏡成像http:/www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.html物位置无穷远2F外2F上2FFF上F內像位置同侧焦点与物同侧与物同侧与物同侧与物同侧与物同侧像性质一点虚像正立缩小虚像正立缩小虚像正立缩小虚像正立缩小虚像正立缩小虚像面镜与透镜成像性质的归纳平面镜正立虚像、与物等大，左右相反。物靠近面镜，像靠近面镜且大小不变。凹面镜正立放大虚像凸面镜正立缩小虚像凸透镜焦点外为倒立实像；物靠近透镜，像原理透镜且像逐渐变大。焦点内为正立虚像；物靠近透镜，像靠近透镜起逐渐变小（仍为放大虚像）凹透镜任何位置皆为正立缩小虚像；物靠

8、近透镜，像靠近透镜且逐渐变大（仍为缩小虚像）面镜与透镜的应用凸面镜照后镜、旋转道路旁所架設的凸面镜凹面镜手电筒的灯头、车前灯平面镜万花筒、镜子等凸透镜凹透镜投影机、放大镜、相机、望远镜、远视眼镜、电影放映机、显微镜近视眼镜2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射n光的漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光虽为平行光束，反射光却四向分散。无论单向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。练习：练习：黑板本来是会发生漫反射现象的，这样坐在任意的角落的学生都能看得清黑板。但时间用久了。黑板就会很光滑，就产生全反射。坐在两边的学生就只能看见亮光，看不清黑板啦。2.2.2 光的干涉光的干涉1 1光的干涉现象光的干涉现象 1

9、 1）定义：两列光波相遇时叠加，在某些地方光被加强而）定义：两列光波相遇时叠加，在某些地方光被加强而 某些地方减弱的现象。某些地方减弱的现象。2 2）干涉条件：相干光束）干涉条件：相干光束（光源上同一点分出来的两个光源）光源上同一点分出来的两个光源）注：注：不同光源或同一光源上不同部分发出的光不会产生干涉现象。不同光源或同一光源上不同部分发出的光不会产生干涉现象。相干条件：相干条件：频率相同；振动方向相同；位相差恒定。频率相同；振动方向相同；位相差恒定。单色光单色光屏屏杨氏双缝干涉（杨氏双缝干涉（托马斯托马斯杨杨）相当于两个相当于两个完全相同的光源完全相同的光源S1S2S1S2S*单色激光束单

10、色激光束挡板挡板屏屏亮暗相间等距的条纹亮暗相间等距的条纹双缝干涉示意图双缝干涉示意图你观察到了什么？你观察到了什么？S1S2亮条纹的中心线亮条纹的中心线亮条纹的中心线亮条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线S1S2P1SP1S2P1S1=S光程差相当于完全相同的波源相当于完全相同的波源S1、S2双缝干涉双缝干涉亮条纹亮条纹暗条纹暗条纹单色激光束单色激光束相干光束相干光束.)2,1,0(kkS.)2,1,0(2)12(kkS dDxxxkk 1(1)明暗相间的条纹明暗相间的条纹对称分布于中心对称分布于中心O O点两侧点两侧。dxDxx1 干涉干涉条纹特点条纹特点：(

11、2)相邻明相邻明条纹条纹和相邻暗条纹和相邻暗条纹等间距等间距，与干涉级，与干涉级k k无关无关。两两相邻明（或暗）条纹间的距离称为相邻明（或暗）条纹间的距离称为条纹间距条纹间距。若用复色光源，则干涉条纹是彩色若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。的。1k2k1k3k3k2k双缝间距双缝间距d，屏到挡板间距离，屏到挡板间距离D，光的波长，光的波长。各色光在真空中的波长各色光在真空中的波长光的光的颜色颜色波长波长nm光的光的颜色颜色波长波长nm红红770620绿绿580490橙橙620600蓝靛蓝靛490450黄黄600580紫紫450400红光波长最大，紫光波长最小红光波长最大，紫光波长最小dLx

12、白光用白光做双缝干涉实验，在屏上会出现什么现象？用白光做双缝干涉实验，在屏上会出现什么现象？红光700nm红蓝光470nm兰亮暗相间彩色条纹亮暗相间彩色条纹杨氏干涉牛顿环牛顿环(Newton rings)牛顿环牛顿环(Newton rings)eoRr2,1,02)12(3,2,122kkkke空气薄层中，任一厚度空气薄层中，任一厚度e处处上下表面反射光的干涉条件：上下表面反射光的干涉条件：明条纹明条纹暗条纹暗条纹eoRr22222eeRRr Re)(eR 略去略去e2Rre22 各级明、暗干涉条纹的半径各级明、暗干涉条纹的半径：3,2,12)12(kRkr2,1,0kkRr随着牛顿环半径的增

13、大，条纹变得越来越密。随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。e=0,两反射光的光程差两反射光的光程差 =/2，为为暗斑暗斑。明条纹明条纹暗条纹暗条纹牛顿环牛顿环(Newton rings)erRoc 波长为波长为 的单色光垂直入射到的单色光垂直入射到平凸透镜与平晶间的平凸透镜与平晶间的空气层空气层(n n=1)=1)上，入射光从透镜的球面上和平上，入射光从透镜的球面上和平晶晶的上的上表面反射出来的光发生干涉表面反射出来的光发生干涉两束光的光程差两束光的光程差:22 e暗环暗环 o分束镜分束镜M显微镜显微镜.S平凸透镜平凸透镜平晶平晶牛顿环装置简图牛顿环装置简图2)12(22 ke暗暗环环条件

14、条件：明明环环条件条件：ke 22第第k个个明明环半径：环半径：2)12(Rkrk ),2,1(k kRrk 第第k个个暗暗环半径：环半径：),2,1,0(k条纹特点：条纹特点：1.中心是暗斑；中心是暗斑；eReRRr2)(222 eRr2 由几何关系可知：由几何关系可知：)(eR),2,1(k),2,1,0(k2.随着条纹级次随着条纹级次k的增大的增大,条纹间距条纹间距 r 减小减小e=0,r=0 kRRkrrrkk )1(1牛顿环的应用牛顿环的应用 mRrrkmk 22 测透镜球面的半径测透镜球面的半径R：已知已知,测测 m、rk+m、rk，可可得得R;测波长测波长：已知已知R，测出测出m

15、、rk+m、rk，可可得得。检验透镜球表面质量检验透镜球表面质量标准验规标准验规待测透镜待测透镜暗纹暗纹 2.2.3 光的逆向反射n光的逆向反射，又称再归反射，和镜面反射、漫反射不同，能使光线沿原来路径反射回去。n例如：自行车红色尾灯。n 公路两旁的交通标志。2.3光的散射光的散射 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。光的散射现象光的散射现象衍射衍

16、射：波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传：波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生反射，边缘小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生反射，边缘部分发生衍射。部分发生衍射。按不均匀团块的性质、散射可分为两大类：按不均匀团块的性质、散射可分为两大类：（1 1）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、雾、灰尘）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、雾、灰尘的大气中的散射必于此类。的大气中的散射必于此类。（2 2）分子散射：即使十分纯净的液体

17、或气体，也能产生比较）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落引起微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落很的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落很大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，这种现象大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，这种现象叫做临界乳光。叫做临界乳光。区别、区分散射、反射和衍射散射、反射和衍射n大气对不同色光的散射作用不会“机会均等”的，波长短的光受到的散射最厉害。n波长：红红大于紫紫色。把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散

18、射（Rayleigh scattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率。问：天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红的？云为什么是白的？答：首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的答：首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中

19、的短波成分我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。大气的散射一相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射，部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。所以每当大雨澄

20、清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可所以每当大雨澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱，其道理就在这里爱，其道理就在这里.一天天空变化由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午时大得多，从经历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这便是而大气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。白白云是大气中的水滴组成的，

21、因为这些水滴云是大气中的水滴组成的，因为这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小了，的半径与可见光的波长相比已不算太小了，瑞利定律不再适用，按米瑞利定律不再适用，按米-德拜的理论，这德拜的理论，这样大小的物质产生的散射与波长的关系不样大小的物质产生的散射与波长的关系不大，这就是大，这就是云雾呈白色云雾呈白色的缘故。的缘故。分子散射 在光学性质完全均匀的物质中，由于物质分子密度的涨落而引起的散射。概念 晴朗的天空呈现浅蓝色；清晨日出或傍晚日落时，看到太阳呈现红色；正午时太阳光，呈现白色。解释 hVhfELdFdsdFds 2.5 到达地面的太阳辐射n到达地面的太能辐射一部分以平行光的方式直接到

22、达（直接辐射）。n另一部分是太阳光线经大气散射，透射到地面的称为散射辐射。：n直接辐射：太阳高度角、大气透明系数、大气质量、海拔高度、纬度、等。n散射辐射：太阳高度角、大气透明度、大气质量、海拔、纬度、云量等。日照百分率2.6 光电学说n光的速度n光的本质n普朗克恒量与爱因斯坦学说光的速度 1、数值：2、测定方法1)天文观察法 罗默第一次证实光是以有限的速度 传播的。2)迈克耳孙的旋转棱镜法 原理：调节八面棱镜的转速，使光由凹面镜反射时，八面镜恰好转过1/8转，转过的时间就是光传播的时间，从而计算出：秒米/1038C秒千米两峰总/4299796tStSCC=f光的本质光的本质n波粒二象性：光是电磁波；光还是粒子。n（麦克斯韦）（爱因斯坦）普朗克恒量与爱因斯坦学说普朗克恒量与爱因斯坦学说n光的能量：n爱因斯坦光电方程：n光电效应：