第三章 几何光学的基本原理1
第三章 几何光学的基本原理
1 证明反射定律符合费马原理。
证明：设平面Ⅰ为两种介质的分界面，光线从A 点射向界面经反射B 点，在分界面上的入射点为任意的C 点；折射率分别为：n 1、n 2。
（1）过A 、B 两点做界面的垂直平面Ⅱ，两平面相交为直线X 轴，过C 点做X 轴的垂线，交X 轴于C ＇点，连接ACC ＇、BCC ＇得到两个直角三角形，其中：AC 、BC 为直角三角形的斜边，因三角形的斜边大于直角边，根据费马原理，光线由A 点经C 点传播到B 点时，光程应取最小值，所以在分界面上的入射点必为C ＇点，即证明了入射光线A C ＇和反射光线B C ＇共面，并与分界面垂直。
（2）设A 点的坐标为（x 1，y 1），B 点坐标为（x 2，y 2），C 点坐标为（x ，0），入射角为θ，反射角为θ＇，则光线由A 传播到B 的光程：
))()((2
2222
1211y x x y x x n +-+
+-=?
若使光程取极值，则上式的一阶导数为零，即：
0)()(22
2
2221
2
11=+---
+--=?
y
x x x x y
x x x x dx
d
从图中得到：21
2
11)(sin y
x x x x +--=
θ 22
2
22)(sin y
x x x x +--=
'θ
也即：sin θ=sin θ＇，说明入射角等于反射角，命题得证。
2 根据费马原理可以导出在近轴条件下，从物点这出并会聚到象点所有光线的光程都相等。由此导出薄透镜的物象公式。 解：
3 眼睛E 和物体PQ 之间有一块折射率为1.5的玻璃平板，平板的厚度d
为30cm ，求PQ 的象P ＇Q ＇与物体之间的距离d 2。
解：方法一
P ＇Q ＇是经过两个平面折射所形成的象 （1）PQ 经玻璃板前表面折射成象： 设PQ 到前表面的距离为s 1，n=1、n ＇=1.5 由平面折射成象的公式：11s n n s '=
' 得到：112
3s s =' （2）PQ 经玻璃板前表面折射成象：
从图中得到：s 2=s 1+d 、n=1.5、n ＇=1 根据：22s n
n s '
=
' 解出最后形成的象P ＇Q ＇到玻璃板后表面的距离：d s s 3
212+=' 物PQ 到后表面的距离：s=s 1+d
物PQ 与象P ＇Q ＇之间的距离d 2：d 2 = s 2＇-s =（3
2
1-
）d=10cm 方法二：参考书中例题的步骤，应用折射定律解之。
方法三：直接应用书中例题的结论：d 2 =d （1-1/n ）即得。
4 玻璃棱镜的折射角A 为600，对某一波长的光其折射率为1.6，计算(1)最小偏向角；(2)此时的入射角；(3)能使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角。
解：（1）根据公式：2
sin
2
sin
0A A
n +=
θ
代入数据：A=600，n=1.6
解出最小偏向角：θ0= 46016＇
（2）因：A i -=102θ 则入射角：53352/)(001'=+=A i θ （3）若能使光线从A 角两侧透过棱镜，则出射角i 1＇=900 有：n sini 2＇= 1 sin900 = 1 解出：i 2＇=38.680 从图中得到：i 2 + i 2＇= A 得到：i 2 =21.320
又有：sini 1 = nsini 2 解出最小入射角：i 1 =35034＇
5 题图表示恒偏向棱镜，挑相当于两个300-600-900棱镜与一个450-450-900棱镜按图示方式组合在一起。白光沿i 方向入射，我们旋转这个棱镜来改变θ1，从而使任意波长的光可以依次循着图中的路径传播，出射光线为r ，求证：如果sin θ1=n/2，则θ2=θ1，且光束i 与r 相互垂直。
解：当光线以θ1角在A 点入射时，设折射角为α，
根据折射定律有：sin θ 1 = nsin α 因：sin θ 1 = n/2 计算得到：α= 300 在C 点的入射角为β，从图中可看出：β= 300
有：sin θ 2 = nsin β 得到：sin θ 2 = n/2
因：sin θ 1 = sin θ 2 = n/2 所以：θ 1 = θ2
在三角形ADE 中，∠ADE=1800 -θ 1 -（900 -θ2）= 900 说明光束i 与r 相互垂直。
6 高为5cm 物体放在距凹面镜顶点12cm ，凹面镜的焦距是10cm ，求象的位置及高度，并作光路图。
解：已知：s=-12cm f ＇=-10cm 根据：f s
s '
=+'
111
解出：s ＇= -60cm 因：s
s y y '
-='=
β 解得：y ＇= -25cm
7 一个5cm 高的物体放在球面镜前10cm 处成1cm 高的虚象，求：（1）此镜的曲率半径；（2）此镜是凸面镜还是凹面镜？
解：已知：y=5cm 、s=-10cm 、 y ＇=1cm
因形成的是虚象，物和象在镜面的两侧，物距和象距异号。
根据：5
1='-='=s
s y
y β
cm cm s s 2)10(5
15
1=--=-='
代入：r
s
s 211=+'
解出：r=5cm
因r=5cm > 0 ，所以是凸面镜。
8 某观察者通过一块薄玻璃板去看在凸面镜他自己的象，他移动着玻璃板，使得在玻璃板中与在凸面镜中所看到的他眼睛的象重合在一起。若凸面镜的焦距为10cm ，眼睛距凸面镜顶点的距离为40cm ，问玻璃板距观察者眼睛的距离是多少？
解：已知：凸面镜成象时的物距： s=-40cm 、焦距：f ＇=10cm
由：f s
s '
=+'
111
解出凸面镜成象的象距：s ＇=8cm 此象到眼睛的距离：b=40+8=48cm
又因薄玻璃板所成的象是虚象，与物对称，若使玻璃板中的象与凸面镜中所成的象重合在一起，则玻璃板应放在P 与P ＇的中间，
即玻璃板到眼睛的距离：d=b/2=24cm
9 物体位于凹面镜轴线上焦点之外，在焦点与凹面镜之间放一个与轴线垂直的两表面互相平行的玻璃板，其厚度为d ，折射率为n ，试证明：放入该玻璃板后使象移动的距离与把凹面镜向物体移动d （n-1）/n 的一段距离的效果相同。
解:设物体到凹面镜的距离s ，当把玻璃板放入后，物体首先经过玻璃板折射成象P1，再经过凹面镜反射成象P2，P1即为凹面镜的物，P1相对P
点移动的距离经前面的证明知道为d （n-1）/n ，也即放入该玻璃板后使象
移动的距离与把凹面镜向物体移动d （n-1）/n 的一段距离的效果相同。
10 欲使由无穷远发出的近轴光线通过透明球体并成象在右半球面的顶点处，问该透明球体的折射率应为多少？
解：此问题是单球面的折射成象，根据题意有： 物距：s=-∞、物空间：n=1
设象空间球体折射率为n ，球面半径为R
由：r
n n s
n s n -'
=-'
' 得到：)1(2-'='n n
从而解出透明球体的折射率：2='n
11 有一折射率为1.5、半径为4cm 的玻璃球，物体在距球表面6cm 处，求：（1）从物体所成的象到球心之间的距离；（2）求象的横向放大率。
解：物体经玻璃球的左、右球面两次成象。 左球面成象：n 1=1、 n 1＇=1.5、 r 1=-4cm 、s 1=-6cm
由：1
111
11
1r n n s n s n -'
=-''
解得左球面成象的象距：s 1＇=-36cm ，象在P 点。 横向放大率：41
111
1=''=
n n s s β 右半球面成象：n 2=1.5、 n 2＇=1、 r 2= 4cm 、s 2=-44cm
再由：2
22
2
22
2r n n s n s n -'=-'' 解出第二次成的象P ＇到O 2点的距离：s 2＇=11cm 横向放大率：8
322222-=''=
n n s s β 最后所成的象到球心之间的距离：d= s 2＇+ r =（11+4）cm = 15cm 象的横向放大率：5.121-==βββ
12 一个折射率为1.53、直径为20cm 的玻璃球内有两个小气泡，看上去一个恰好在球心，另一个从最近的方向看去，好象在表面与球心连线的中点。求两个气泡的实际位置。
解：（1）看去恰好在球心的气泡
n 1=1.53、 n 1＇=1、 r 1=-10cm 、s 1＇=-10cm
由：1
11
1
11
1r n n s n s n -'=-'' 解得象对应的物距：s 1 =-10cm ，说明气泡在球心处。 图A
（2）好象在表面与球心连线中点的气泡
n 2=1.53、 n 2＇=1、 r 2=-10cm 、s 2=-5cm
再由：2
22
2
22
2r n n s n s n -'=-'' 解得象距：s 2 =- 6.047cm
气泡到球心的距离:d =10 cm - 6.047cm = 3.953 cm 图B
13 直径为1m 的球形玻璃鱼缸的中心处有一条小鱼，若玻璃缸壁的影响可忽略不计，求缸外观察者所看到的小鱼的表观位置和横向放大率。
解: n =1.33、 n ＇=1,设球面曲率半径为r,象距:s ＇=r
由：
r
n n s
n s n -'
=-'
'
解得象对应的物距：s = r ，说明鱼在缸的中心处。
横向放大率：33.1='
'=
n n
s s β 是一个正立放大的虚象.
14 玻璃棒一端成半球形，曲率半径为2cm ，将它水平地浸入折射率为1.33的水中，沿着棒的轴线离球面顶点8cm 处的水中有一物体，应用计算法和作图法求象的位置及横向放大率。
解：已知：n =1.33、 n ＇=1.5、r=2cm 、s=-8cm
根据：r
n n s
n s n -'
=-'
'
解出：s ＇=18.5cm
或由： r n
n n f -''
=
'
r n
n n f -''
=
' 计算得到物方、象方焦距：cm f 6.17=' cm f 6.15-= 由：
1=+''s
f
s f 解得象距：s ＇=18.5cm 横向放大率：2≈'
'=
n n
s s β 15 有两块玻璃薄透镜的两表面均各为凸球面及凹球面，其曲率半径为10cm 。一物点在主轴上距镜20cm 处，若物和镜均浸入水中，分别用作图法和计算法求象点的位置。设玻璃的折射率为1.5，水的折射率为1.33。
解：因透镜放在同一种介质中，所以物方和象方焦距的绝对值相等。 已知：n 2=1.33 n 1 =1. 5
（1）凸透镜：两表面曲率半径：r 1=10cm 、r 2=-10cm 、物距：s=-20cm
得到：cm r r n n n f f 39)
1
1)((2
1121
=--=
-='
由：
f s s '
=-'1
11 解得象距为：s ＇=-41cm （2）凹透镜：两表面曲率半径：r 1=-10cm 、r 2=10cm 、物距：s=-20cm 得到：cm r r n n n f f 39)
1
1)((2
1121
-=--=
-='
由：
f s s '
=-'1
11 解得象距为：s ＇
=-13.2cm
16 一凸透镜在空气中的焦距为40cm ，在水中的焦距为136.8cm ，问此透镜的折射率是多少?设水的折射率为1.33。若将此透镜放置在CS 2中(CS 2
的折射率为1.62)，其焦距又为多少？
解：根据薄透镜焦距的计算公式，设透镜的折射率为n ，在折射率n ＇=1的空气中时： cm r r n f 40)
1
1)(1(1
2
11=--=
'
在n ＇=1.33的水中：cm r r n f 8.136)
1
1)(33.1(33
.12
12=--=
'
两式相比:8.13640
)1(33.133.12
1=
--=''n n f f 解出透镜的折射率为:n=1.54
若把透镜放在n ＇=1.62的CS 2中：
)
1
1)(62.1(62.12
13r r n f --=
'
与空气的焦距相比：'=--=''3
3140)62.154.1()154.1(62.1f f f 解出在CS 2中，其焦距为：cm f 4.4373-='
17 两片极薄的表玻璃，曲率半径分别为20cm 和25cm ，将两玻璃片的边缘粘起来，形成一内含空气的双凸透镜，把它置于水中，求其焦距为多少？
解：根据题意，透镜的折射率：n=1，两表面的曲率半径：r 1=20cm 、r 2=-25cm ，
水的折射率为：n ＇=1.33，代入：
)
1
1)((21
r r n n n f -'-'=
' 解出透镜的焦距为：cm f 78.44-='，为一发散透镜。
18 会聚透镜和发散透镜的焦距都是10cm ，求：（1）与主轴成300角的一束平行光入射到每个透镜上，象点在何处？（2）在每个透镜左方的焦平面上离主轴1cm 处各置一发光点，成象在何处？
解：（1）根据题意做图如下。
图（1） 图（2）
图（1）是凸透镜成象图，P ＇是象点，在象方焦平面上，到焦点的距离为：cm tg f F P 8.5300='='' P ＇点的坐标：（10，5.8） 图(2)是凹透镜成象图，象点P ＇仍在象方焦平面上，但在透镜左方，到焦 点的距离为：cm tg f F P 8.5300='='' P ＇点的坐标：
（-10，-5.8） （2）在凸透镜物方焦平面上放一物，象成于无穷远处。 把物放在凹透镜的象方焦平面上，已知：s=-10cm ，由：
f s s '
=-'111 解得象距为：s ＇=-5cm ，由：s
s y y '
='=
β，解出：y ＇=0.5cm 象P ＇点的坐标：（-5，0.5）
图（3） 图（4）
19 如图（1）、（2）所示，MM ＇分别为一薄透镜的主光轴，S 为发光点，S 为象，用作图法求透镜中心和透镜焦点的位置。
20 比累对切透镜是把一块凸透镜沿直径方向刨开成两半组成，两半块透镜垂直光轴拉开一点距离，用光阑挡住其间的空隙，这时在光屏上可观察到干涉条纹。已知点光源与透镜相距300cm ，透镜的焦距f=50cm ，两透镜拉开的距离t=1mm ，光屏与透镜相距450cm ，用波长为632.8nm 的激光做光源，求干涉条纹的间距。
解：点光源经两块透镜形成两个实象P1、P2，由物象公式：
f s s '
=-'1
11 求得P1、P2到透镜的距离： cm f s f s s 6050
30050
)300(=+-?-='+'=
' 点光源到上半透镜主轴的距离y ：cm o y 5.=，P1点到主轴的距离y '， 则：s
s y y '
='=
β 解得：cm y 06.0=' 也即P1、P2两点之间的距离：cm y d 12.02='=，
与光屏的距离：cm cm cm s l L 39060450=-='-=
干涉条纹的间距： mm d
L
y 06.2==?λ
21 把焦距为10cm 的会聚透镜的中央部分C 切去，C 的宽度为1cm ，把余下的两部分粘起来，（见图）。如在其对称轴上距透镜5cm 处置一点光源，试求象的位置。
解：把透镜按题意分切、对接后，在对物体成象时，可看做是两个透镜，上、下两半部分透镜的成象情况是对称的，上半部分透镜的成象光路如图所示，虚线为透镜主轴，点光源到主轴的距离为cm y 5.0=
根据：
f s s '
=-'1
11 已知：cm s 5-=、cm f 10='
解出象距：cm s 10-=' 横向放大率：2='
='=s
s y y β 解得：cm y 1='
22 一折射率为1.5的薄透镜，其凸面的曲率半径为5cm ，凹面的曲率半径为15cm ，且镀上银，如图，试证明：当光从凸表面入射时，该透镜的作用相当于一个平面镜。
解：该系统的成象过程是球面O 1的折射、O 2球面的反射和O 1球面的折射三次成象。设物体与O 1面的距离为s 。
O 1面的折射成象：物距为s -、1=n 、5.1='n 、cm r 5=
根据：r
n n s
n s n -'
=-'
' n n s s '
'=1β
解得：
23 题图所示的是一个等边直角棱镜和两个透镜所组成的光学系统，棱镜折射率为1.5，凸透镜的焦距为20cm ，凹透镜的焦距为10cm ，两透镜间的距离为5cm ，凸透镜距棱镜边的距离为10cm ，求图中长度为1cm 的物体所成象的位置和大小。
24 显微镜由焦距为1cm 的物镜和焦距为3cm 的目镜组成，物镜与目镜之间的距离为20cm ，问物体放在何处时才能使最后的象成在距离眼睛25cm 处？作出光路图。
25 题图中L 为薄透镜，水平横线MM ˊ为主轴，ABC 为已知的一条穿过这
个透镜的光线的路径，用作图法求出另一条光线DE 穿过透镜后的路径。
解：1 过O 点做AB 的平行线（副轴），
交BC 线于L 点；
2 过L 点做主轴的垂线，即为透镜的象方焦平面；
3 过O 点做DE 的平行线，交象方焦平面于H 点；
4 连接E 、H ，即得DE 的共轭折射光线EH 。
26 题图是一厚透镜的主轴，H 、H cm y 5.0=ˊ是透镜的主平面，S 1是点光源，S ˊ是点光源的象，试用作图法作出任意物点S 2的象的位置。 27 双凸透镜的折射率为1.5，110r cm =，215r cm =，r 2的另一面镀银，物点P 在透镜前主轴上20cm 处，求最后象的位置并作出光路图。 28 实物与光屏之间的距离为L ，，在中间某一个位置放一个凸透镜，可使实物的象清晰地投于光屏上，将透镜移过距离d 后，屏上又出现一个清晰的象。（1）试计算两个象的大小之比；（2）证明透镜的焦距为（l 2 - d 2）/4L ；（3）证明L 不能小于透镜焦距的四倍。
解：（1）设透镜在位置1时，物体到透镜的距离为x ，象到透镜的距离就为L -x ，
由薄透镜成象的物象公式，
得到：
f x x L '
=
---1
11 （1） 透镜移动到位置2时，物体到透镜的距离为：x+d ，象到透镜的距离为：L -（x+d ），
有：
f d x d x L '
=
+--+-1
)(1)(1 （2） 两式联立得到：02=--d x L 解出：2
d
L x -=
则透镜在位置1成象时的物距：2
1d L s -= 象距：2
1d
L s +=
' 横向放大率： d
L d L s s y
y -+=
'='=1
111β
在位置2成象时的物距：2
2d L s += 象距：2
2d
L s -=
' 横向放大率： d
L d L s s y y +-='='=2222β 两个象的大小之比：2
212121)(d
L d L y y y y y y -+==''=''ββ （2）将2
d
L x -=
代入（1）式，即可得到： L
d L f 42
2-=' （3）
（3）将（3）式化简：L
d L f 2
4-='，因：0 < d < L
则：d 2
/L > 0 即有：L > 4f ＇
几何光学
4、有一双平面镜系统，光线以与其中的一个镜面平行入射，经两次反射后，出射光线与另一镜面平行，问二平面镜的夹角为多少？ 7、一个折反射系统，以任何方向入射并充满透镜的平行光束，经系统后，其出射的光束仍为充满透镜的平行光束，并且当物面与透镜重合时，其像面也与之重合。试问此折反射系统最简单的结构是怎样的。 8、一块厚度为15mm的平凸透镜放在报纸上，当平面朝上时，报纸上文字的虚像在平面下10mm处。当凸面朝上时，像的放大率为β＝3。求透镜的折射率和凸面的曲率半径。 9、有一望远镜，其物镜由正、负分离的二个薄透镜组成，已知f1’=500mm, f2’=－400mm, d=300mm，求其焦距。若用此望远镜观察前方200m处的物体时，仅用第二个负透镜来调焦以使像仍位于物镜的原始焦平面位置上，问该镜组应向什么方向移动多少距离，此时物镜的焦距为多少？ 10、已知二薄光组组合，f’=1000，总长（第一光组到系统像方焦点的距离）L=700，总焦点位置lF’=400, 求组成该系统的二光组焦距及其间隔 12、有一焦距140mm的薄透镜组，通光直径为40mm，在镜组前50mm处有一直径为30mm的圆形光孔，问实物处于什么范围时，光孔为入瞳？处于什么范围时，镜组本身为入瞳？对于无穷远物体，镜组无渐晕成像的视场角为多少？渐晕一半时的视场角又为多少? 13、有一焦距为50mm的放大镜，直径D＝40mm，人眼瞳孔离放大镜20mm 来观看位于物方焦平面上的物体。瞳孔直径为4mm。问此系统中，何者为孔阑、何者为渐晕光阑，并求入瞳、出瞳和渐晕光阑的像的位置和大小；并求能看到半渐晕时的视场范围。 14、一个20倍的望远镜，视场角2W＝3.2度，物镜的焦距500mm，直径62.5mm，为系统的入瞳；在物镜与目镜的公共焦面上设有视场光阑，目镜为单个正薄透镜组，求(1)整个系统的出瞳位置和大小；(2)视阑的直径；(3)望远镜的像方视场角2W’。 15。有一4倍的伽利略望远镜(目镜为负)，物镜焦距160mm，直径40mm，眼瞳在目镜后10mm，直径5mm，为出瞳。目镜直径10mm。(1)何为渐晕光阑？其在物空间和像空间的像位置和大小？(2)无渐晕时视场角？(3)半渐晕时视场角？ 16、与一平面镜相距2.5m处有一与之平行的屏幕，其间距平面镜0.5m处有一发光强度为20cd的均匀发光点光源，设平面镜的反射率为0.9，求屏幕上与法线交点处的照度。 17、拍照时，为获得底片的适度曝光，根据电子测光系统指示，在取曝光时间为1/255s 时，光圈数应为8。现在为拍摄快速运动目标，需将曝光时间缩短为1/500s，
第11章 光学
11-11 由汞弧灯发出的光，通过一绿色滤光片后，照射到相距为0.60mm 的双缝上，在距双缝2.5m 远处的屏幕上出现干涉条纹。现测得相邻两明条纹中心的距离为2.27mm ，求入射光的波长。 解：由公式 λd D x =?得 )(105.55 .2106.01027.273 3m D d x ---?=???= ??=λ 11-12 在双缝装置中，用一很薄的云母片(n = 1.58)覆盖其中的一条狭缝，这时屏幕上的第七级明条纹恰好移到屏幕中央原零级明条纹的位置。如果入射光的波长为550nm ，则这云母片的厚度应为多少？ 解：设云母片的厚度为e ，根据题意，插入云母片而引起的光程差为 λδ7)1(=-=-=e n e ne )(106.61 58.11055071769 m n e --?=-??=-=λ 11-16 波长范围为400-700nm 的白光垂直入射在肥皂膜上，膜的厚度为550nm ，折射率为1.35，试问在反射光中哪些波长的光干涉加强？哪些波长的干涉光相消？ 解：垂直入射时，考虑到半波损失，反射干涉光的光程差为 2 2λ δ+=ne 当λλ k ne =+2 2，k = 1，2，…时，干涉相长， 211055.035.122123 - ???=-=k k ne λ，取k = 3时，λ = 594nm ；取k = 4时，λ = 424nm 。 当2)12(22λ λ+=+k ne ，k = 0，1，2，…时，干涉相消， k ne 2=λ，取k = 3，λ = 495nm 。 11-18 有一楔形薄膜，折射率n = 1.4，楔角rad 410-=θ。在某一单色光的垂直照射下，可测得两相邻明条纹之间的距离为0.25cm 。试求： (1) 此单色光在真空中的波长；(2) 如果薄膜长为3.5cm ，总共可出现多少条明条纹？ 解：(1) 由楔形薄膜的干涉条件得两相邻明条纹间距：θ λ θλ n n x 2sin 2≈=? 所以 x n ??=θλ2 以n = 1.4，rad 410-=θ，△x = 0.25×10-2m 代入上式得 nm m 700107.06=?=-λ (2) 在长为3.5×10-2m 的楔形薄膜上，明条纹总数为14=?=x l m (条) 11-21 (1) 若用波长不同的光观察牛顿环，λ1 = 600nm ，λ2 = 450nm ，观察到用λ1时的第k 个暗环与用λ2时的第k +1个暗环重合，已知透镜的曲率半径是190cm 。求用λ1时第k 个暗环的半
第三章 几何光学的基本原理1
第三章 几何光学的基本原理 1 证明反射定律符合费马原理。 证明：设平面Ⅰ为两种介质的分界面，光线从A 点射向界面经反射B 点，在分界面上的入射点为任意的C 点；折射率分别为：n 1、n 2。 （1）过A 、B 两点做界面的垂直平面Ⅱ，两平面相交为直线X 轴，过C 点做X 轴的垂线，交X 轴于C ＇点，连接ACC ＇、BCC ＇得到两个直角三角形，其中：AC 、BC 为直角三角形的斜边，因三角形的斜边大于直角边，根据费马原理，光线由A 点经C 点传播到B 点时，光程应取最小值，所以在分界面上的入射点必为C ＇点，即证明了入射光线A C ＇和反射光线B C ＇共面，并与分界面垂直。 （2）设A 点的坐标为（x 1，y 1），B 点坐标为（x 2，y 2），C 点坐标为（x ，0），入射角为θ，反射角为θ＇，则光线由A 传播到B 的光程： ))()((2 2222 1211y x x y x x n +-+ +-=? 若使光程取极值，则上式的一阶导数为零，即： 0)()(22 2 2221 2 11=+--- +--=? y x x x x y x x x x dx d 从图中得到：21 2 11)(sin y x x x x +--= θ 22 2 22)(sin y x x x x +--= 'θ 也即：sin θ=sin θ＇，说明入射角等于反射角，命题得证。 2 根据费马原理可以导出在近轴条件下，从物点这出并会聚到象点所有光线的光程都相等。由此导出薄透镜的物象公式。 解： 3 眼睛E 和物体PQ 之间有一块折射率为1.5的玻璃平板，平板的厚度d
为30cm ，求PQ 的象P ＇Q ＇与物体之间的距离d 2。 解：方法一 P ＇Q ＇是经过两个平面折射所形成的象 （1）PQ 经玻璃板前表面折射成象： 设PQ 到前表面的距离为s 1，n=1、n ＇=1.5 由平面折射成象的公式：11s n n s '= ' 得到：112 3s s =' （2）PQ 经玻璃板前表面折射成象： 从图中得到：s 2=s 1+d 、n=1.5、n ＇=1 根据：22s n n s ' = ' 解出最后形成的象P ＇Q ＇到玻璃板后表面的距离：d s s 3 212+=' 物PQ 到后表面的距离：s=s 1+d 物PQ 与象P ＇Q ＇之间的距离d 2：d 2 = s 2＇-s =（3 2 1- ）d=10cm 方法二：参考书中例题的步骤，应用折射定律解之。 方法三：直接应用书中例题的结论：d 2 =d （1-1/n ）即得。 4 玻璃棱镜的折射角A 为600，对某一波长的光其折射率为1.6，计算(1)最小偏向角；(2)此时的入射角；(3)能使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角。 解：（1）根据公式：2 sin 2 sin 0A A n += θ 代入数据：A=600，n=1.6 解出最小偏向角：θ0= 46016＇ （2）因：A i -=102θ 则入射角：53352/)(001'=+=A i θ （3）若能使光线从A 角两侧透过棱镜，则出射角i 1＇=900 有：n sini 2＇= 1 sin900 = 1 解出：i 2＇=38.680 从图中得到：i 2 + i 2＇= A 得到：i 2 =21.320
医用物理学几何光学习题解答
医用物理学几何光学习题 解答 Revised by Jack on December 14,2020
第十一章 几何光学 一、内容概要 【基本内容】 1. 单球面折射公式 r n n p n p n 1221'-=+ （1）近轴条件 （2）符号规定：凡是实物、实像的距离，p 、'p 均取正值；凡是虚物、虚像的距离, p 、'p 均取负值；若是入射光线对着凸球面，则r 取正值，反之，若是入射光线对着凹球面，则r 取负值． 2. 单球面折射焦距 r n n n f 1211-= r n n n f 1222-= 3．折射面的焦度 r n n Φ12-=或2211f n f n Φ== 4. 单球面折射成像的高斯公式（近轴） 1' 21=+p f p f 5．共轴系统成像规则 采用逐次成像法，先求出物体通过第一折射面后所成的像I 1，以I 1作为第二折射面的物，求出通过第二折射面后所成的像I 2，再以I 2作为第三折射面的物，求出通过第三折射面所成的像I 3，依次类推，直到求出最后一个折射面所成的像为止． 6. 薄透镜成像 （1）成像公式 )11('112 100r r n n n p p --=+ （2）焦距公式 12100)]11([ ---=r r n n n f （3）空气中 121)]11)( 1[(---=r r n f （4）高斯公式 f p p 1'11=+ 7. 薄透镜组合 2 1111f f f += 或 21ΦΦΦ+=
8. 厚透镜成像 采用三对基点作图 9. 透镜的像差 远轴光线通过球面折射时不能与近轴光线成像于同一位置，而产生像差，这种像差称为球面像差． 物点发出的不同波长的光经透镜折射后不能成像于一点的现象，称为色像差． 10. 简约眼 生理学上常常把眼睛进一步简化为一个单球面折射系统，称为简约眼. 11. 能分辨的最小视角 视力1= 最小视角以分为单位．例如医学视力表，最小视角分别为10分，2分，1分时，其视力分别是，，．标准对数视力表，规定 θlg 5-=L ，式中视角θ以分为单位．例如视角θ分别为10分，2分，1分时，视力L 分别为，，． 12．近视眼和远视眼 当眼睛不调节时，平行入射的光线，经折射后会聚于视网膜的前面，而在视网膜上成模糊的像，这种眼称为近视眼，而成像在视网膜后，这样的眼称为远视眼． 11. 放大镜的角放大率 f y f y a 2525//== 12. 显微镜的放大率 （1）理论放大率 2 '2'2525f y y y f y M ?=?= 其中y y /'为物镜的线放大率（m ），2/25f 为目镜的角放大率（a ） （）实际放大率2 1212525f f s f f s M =?= 式中s 为显微镜与目镜之间的距离；f 1为物镜的焦距；f 2为目镜的焦距。 13.显微镜的分辨本领－瑞利判据 显微镜的分辨本领β λsin 61.0n Z = 提高分辨本领方法 （1）增加孔径数 （2） 短波照射法
第一章 几何光学基本定律与成像概念习题
一：选择题（可以有多选） 1、下面关于几何光学的几本定律陈述正确的是（BCD ） A、光是沿直线传播方向传播的，“小孔成像”即是运用这一定律的很好例子。 B、不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此不影响各光束独立传播。 C、在反射定律中，反射光线和入射光线位于法线两侧，且反射角与入射角绝对值相等。D：光的全反射中，光线是从光密介质向光疏介质入射。 2、下列关于单个折射面成像，说法错误的是（D ） A、垂轴放大率仅取决于共轴面的位置。 B、折射球面的轴向放大率恒为正。 C、角放大率表示折射球面将光束变宽或是变细的能力。 D、α、γ、β三者之间的关系为γβ=α。 3、一个物体经单个折射球面成像时，其垂轴放大率β>1，且已知n
第三章 几何光学
第三章、几何光学的基本原理 一、选择题 1．如图，直角三角形ABC 为一透明介质制成的三棱镜的截面，且30=∠A 0，在整个AC 面上有一束垂直于AC 的平行光线射入，已知这种介质的折射率n>2，则（ ） A ．可能有光线垂直AB 面射出 B ．一定有光线垂直B C 面射出 C ．一定有光线垂直AC 面射出 D ．从AB 面和BC 面出射的光线能会聚一点 B 2.如图所示，AB 为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿y 轴正方向均匀减小。现有一束单色光a 从原点O 以某一入射角θ由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个 ( ) A. B. C. D. 3．如图，横截面为等腰三角形的两个玻璃三棱镜，它们的顶角分别为α、β，且α < β。a 、b 两细束单色光分别以垂直于三棱镜的一个腰的方向射入，从另一个腰射出，射出的光线与入射光线的偏折角均为θ。则ab 两种单色光的频率υ1、υ2间的关系是（ ） A 、 υ1 = υ2 B 、 υ1 > υ2 C 、 υ1 < υ2 D 、 无法确定 D 、 4、发出白光的细线光源ab ，长度为L ，竖直放置，上端a 恰好在水面以下，如图所示，现考虑线光源ab 发出的靠近水面法线（图中虚线）的细光束经水面折射后所成的像，由于水对光有色散作用，若以1L 表示红光成的像长度，2L 表示蓝光成的像的长度，则（ ） A 、L L L <<21 B 、L L L >>21 C 、L L L >>12 D 、L L L <<12 5、如图所示，真空中有一个半径为R ，质量分布均匀的玻璃球，频率为0υ的细激光束在真 空中沿直线BC 传播，并于玻璃球表面C 点经折射进入玻璃球，且在玻璃球表面D 点又经折射进入真空中，0 120=∠COD ，已知玻璃对该激光的折射率为3，则下列说法中正确的是（ ） A 、 一个光子在穿过玻璃球的过程中能量逐渐变小 B 、 此激光束在玻璃球中穿越的时间c R t 3= （c 为真空中光速）
几何光学的基本原理
第三章几何光学 本章重点： 1、光线、光束、实像、虚像等概念； 2、Fermat原理 3、薄透镜的物像公式和任意光线的作图成像法； 4、几何光学的符号法则（新笛卡儿法则）； 本章难点： 5、理想光具组基点、基面的物理意义； §3.1 几何光学的原理 几何光学的三个实验定律： 1、光的直线传播定律——在均匀的介质中，光沿直线传播； 2、光的独立传播定律——光在传播过程中与其他光束相遇时，不改变传播方 向，各光束互不受影响，各自独立传播。 3、光的反射定律和折射定律 当光由一介质进入另一介质时，光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线。 反射定律：入射光线、反射光线和法线在同一平面内，这个平面叫做入射面，入射光线和反射光线分居法线两侧，入射角等于反射角 光的折射定律：入射光线、法线和折射光线同在入射面内，入射光线和折射光线分居法线两侧，介质折射率不仅与介质种类有关,而且与光波长有关。 §3.2 费马原理 一、费马原理的描述：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值（最大值、最小值或恒定值）。 二、表达式 ,(A,B是二固定点) Fermat原理是光线光学的基本原理，光纤光学中的三个重要定律——直线传播定律，反射定律和折射定律（）——都能从Fermat原理导出。 §3.3 光在平面界面上的反射和折射、光学纤维 一、基本概念：单心光束、实像、虚像、实物、虚物等 二、光在平面上的反射 根据反射定律，可推导出平面镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、能成完善像的光学系统． 三、单心光束的破坏（折射中，给出推导） 四、全反射 1、临界角
2、全反射的应用 全反射的应用很广，近年来发展很快的光学纤维，就是利用全反射规律而使光线沿着弯曲路程传播的光学元件。 2、应用的举例（棱镜） §3.4 光在球面上的反射和折射 一、基本概念 二、符号法则（新笛卡儿符号法则） 在计算任一条光线的线段长度和角度时，我们对符号作如下规定： 1、光线和主轴交点的位置都从顶点算起，凡在顶点右方者，其间距离的数值为正，凡在顶点左方者，其间距离的数值为负。物点或像点至主抽的距离，在主轴上方为正，在下方为负。 2、光线方向的倾斜角度部从主铀(或球面法线)算起，并取小于π／2的角度。由主轴(或球面法线)转向有关光线时，若沿顺时针方向转，则该角度的数值为正；若沿逆时针方向转动时，则该角度的数值为负。 3、在图中出现的长度和角度只用正值。 三、球面反射对光束单心性的破坏 四、近轴光线条件下球面反射的物像公式 五、近轴光线条件下球面折射的物像公式（高斯公式） 六、高斯物像公式 七、牛顿物像公式（注意各量的物理意义） 八、例题一个折射率为1.6的玻璃哑铃，长20cm，两端的曲率半径为2cm。若在哑铃左端5cm处的轴上有一物点，试求像的位置和性质。 §3.5 薄透镜 一、基本概念： 凸透镜、凹透镜、主轴、主截面、孔径、厚透镜、薄透镜、物方焦平面、像方焦平面等 二、近轴条件下薄透镜的成像公式 如果利用物方焦距和像方焦距
第三章 几何光学
第三章 几何光学 1．证明反射定律符合费马原理 证明：设界面两边分布着两种均匀介质，折射率为1n 和2n （如图所示）。光线通过第一介质中指定的A 点后到达同一介质中指定的B 点。 （1）反正法：如果反射点为'C ，位于ox 轴与A 和B 点所著称的平面之外，那么在ox 轴线上找到它的垂足点"C 点，.由于'''''',AC AC BC BC >>,故光线'AC B 所对应的光程总是大于光线''AC B 所对应的光程而非极小值，这就违背了费马原理。故入射面和反射面在同一平面内。 (2)在图中建立坐xoy 标系，则指定点A,B 的坐标分别为11(,)x y 和22(,)x y ，反射点 C 的坐标为(,0)x 所以ACB 光线所对应的光程为： 1n ?= 根据费马原理，它应取极小值，所以有 112(sin sin )0d n i i dx ?==-= 即： 12i i = 2．根据费马原理可以导出在近轴光线条件下，从物点发出并会聚到像点的所有光
线的光程都相等。 证：如图所示，有位于主光轴上的一个物点S 发出的光束经薄透镜折射后成一个明亮的实象点'S 。设光线SC 为电光源S 发出的任意一条光线，其中球面AC 是由点光源S 所发出光波的一个波面，而球面DB 是会聚于象点'S 的球面波的一个波面，所以有关系式SC SA =，''S D S B =.因为光程 ''' ' SCEFDS SABS SC CE nEF FD DS SA nAB BS ??=++++???=++?? 根据费马原理，它们都应该取极值或恒定值，这些连续分布的实际光线，在近轴条件下其光程都取极大值或极小值是不可能的，唯一的可能性是取恒定值，即它们的光程相等。 3．睛E 和物体PQ 之间有一块折射率为1.5的玻璃平板，平板的厚度d 为30cm 。求物体PQ 的像''P Q 与物体PQ 之间的距离2d 为多少？ 解：根据例题3.1的结果 '1(1)PP h n =- '1 30(1)101.5 PP cm =?- = 题2图 ' 1.5n =
第一章几何光学的基本原理试题库
一、 选择题 思考题作业3：选择：光由光疏介质进 ）波长变长 （D ）频率变大 思考题作业4：选择：光学系统的虚物定入光密介质时，有 （A ）光速变大 （B ）波长变短 （C 义为 （A ）发散的入射同心光束的顶点 （B ）会聚的入射同心光束的顶点 （C ）发散的出射同心光束的顶点 （D ）会聚的出射同心光束的顶点。 二、 作图题： 1．MN 为薄透镜的主轴, AB 和BC 是一对共扼光线.用作图的方法找出透镜的两个主焦点F 、F '的 位置，图示出透镜的性质。 三、 计算题： 1、某玻璃棱镜的折射棱角A 为45o，对某一波长的光，其折射率n=1.6，请计算：（1）此时的最小偏向角；（2）此时的入射角；（3）使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角。 解：（1）∵2 sin 2 sin α δαm n += , ∴m δ=2arcsin αα-)2sin (n =2arcsin 45)2 45sin 6.1(-?= 4576.372-?=30.5o （2）)(21min 1αδ+=i =)455.30(2 1 +=37.75o (3) 1 1sin sin i i n '==22 sin sin i i ' ∴2sin i =n i 2sin '=6 .190sin =6.11,6.11 arcsin 2=i =38.68o=38o41′ 而21 i i -='α=45o-38o41′=6o19′ )sin arcsin(11i n i '==)916sin 6.1arcsin('? ≈10.3o 2、光从水中射入到不与空气的界面，取水的折射率1n =4/3，空气的折射率2n =1，求此时的临界角。 解：c i =arcsin 1 2n n =arcsin 3/41=arcsin 43 ≈49o （光从玻璃棱镜与空气的界面上，玻璃棱镜的折射率为 1n =1.5，空气的折射率2 n =1，则 c i =arcsin 1 2n n =arcsin 13/2=arcsin 2 3≈42o） 3、水面下20cm 处有一点光源，试求出能折射出水面的光束的最大圆半径。 解：由题意可知，当水面下点光源S 射向水面的光线入射角i ≥c i 时，光线不能折射出水面，否则就可以折射出水面。 则折射出水面的光束最大圆半径为AB=AS ×tg c i n 空
第三章__几何光学的基本原理复习课程
第三章__几何光学的 基本原理
第三章几何光学的基本原理 3.眼睛E和物体PQ之间有一块折射率为1.5的玻璃平板（如图所示），平板的厚度d为30cm。求物体PQ的像Q P' '与物体PQ之间的距离2d为多少？ 已知：1 = n，5 1. = 'n，cm d30 = 求：? = 2 d 解： 由图可知 1 2i QN Q Q d sin = ' =， 设x QN=，即光线横向的偏移，则 1 2i x d sin =（1） 在入射点A处，有 2 1 i n i n sin sin' = 在出射点B处，有 1 2 i n i n' = 'sin sin，因此可得1 1 i i' = 即出射线与入射线平行，但横向偏移了x。 由图中几何关系可得：()()2 1 2 2 1 i i i d i i AB x- = - =sin cos sin 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 又因为 1i 和2i 很小，所以 12≈i cos ， ()2121i i i i -≈-sin 而 21i n ni '= ，所以 1121 i n i n n i '='= 则 ()??? ??'-=-=11211i n i d i i d x ，即 ??? ??'-'=n n di x 11 （2） （2）式代入（1）式得 cm d d n n i i d d 103 1 511511112==??? ??-=??? ??'-'≈ .. 6.高5cm 的物体距凹面镜顶点12cm ，凹面镜的焦距是10cm ，求像的位置及高度，并作光路图。 已知：cm y 5=， cm s 12-=，cm f 10-=' 求：?='s ?='y 作光路图 解：根据 f s s '='+1 11 得601 121101111-=+-=-'='s f s ， cm s 60-='∴ 又据 n n s s y y '?'=' ，而 n n -=' 所以得 cm y s s y 25512 60-=?---='-=' 光路图（cm r cm r f 20102 -=∴-== ',Θ ）C 为圆心。 7. 一个5cm 高的物体放在球面镜前10cm 处，成1cm 高的虚像。求：（1）此镜的曲率半径；（2）此镜是凸面镜还是凹面镜？
第一章 几何光学基本定律
第一章 几何光学基本定律 2. 一物体经针孔相机在 屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： ,所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 3. 一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n =1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻 璃板上盖一圆形的纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小直径应为多少？ 2211sin sin I n I n = 66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm x L 77.35812=+= 5. 一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=1.5的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。
解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。 （1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯公 式： 会聚点位于第二面后15mm处。 （2）将第一面镀膜，就相当于凸面镜 像位于第一面的右侧，只是延 长线的交点，因此是虚像。 还可以用β正负判断： （3）光线经过第一面折射：, 虚像第二面镀膜，则：
第01章 几何光学的基本概念和基本定律
2.解：由v c n =得： 光在水中的传播速度:)/(25.2333 .1)/(1038s m s m n c v =?==水水 光在玻璃中的传播速度:)/(818.165 .1)/(1038s m s m n c v =?==玻璃玻璃 3.一高度为1.7米的人立于离高度为5米的路灯(设为点光源)1.5米处，求其影子长度。 解：根据光的直线传播。设其影子长度为x ,则有 x x +=5.157.1可得x =0.773米 4.一针孔照相机对一物体于屏上形成一60毫米高的像。若将屏拉远50毫米，则像的高度为70毫米。试求针孔到屏间的原始距离。 解：根据光的直线传播,设针孔到屏间的原始距离为x ，则有 x x 605070=+可得x =300（毫米） 5. 有一光线以60°的入射角入射于的磨光玻璃球的任一点上， 其折射光线继续传播到球表面的另一点上，试求在该点反射和折射的光线间的夹角。 解：根据光的反射定律得反射角''I =60°，而有折射定律I n I n sin sin ' '=可得到折射角'I =30°，有几何关系可得该店反射和折射的光线间的夹角为90°。 6、若水面下200mm 处有一发光点，我们在水面上能看到被该发光点照亮的范围(圆直径)有多大？ 解：已知水的折射率为 1.333,。由全反射的知识知光从水中到空气中传播时临界角为： n n m I 'sin ==333 .11=0.75，可得m I =48.59°，m I tan =1.13389，由几何关系可得被该发光点照亮的范围(圆直径)是2*200*1.13389=453.6(mm)
7、入射到折射率为 的等直角棱镜的一束会聚光束(见图1-3)， 若要求在斜面上 发生全反射，试求光束的最大孔径角 解：当会聚光入射到直角棱镜上时，对孔径角有一定的限制，超过这个限制，就不会 发生全反射了。 由n I m 1sin =，得临界角 26.41=m I 得从直角边出射时，入射角 74.34590180=---=m I i 由折射定律 n U i 1sin sin =，得 5.68U =即 11.362U =
几何光学基础教材介绍
几何光学基础 可见光，指那引起视觉的电磁波，这部分电磁波的波长范围约770-390纳米之间。光具有波粒二象性，它有时表现为波动，有时也表现为粒子（光子）的线形运动。几何光学就是以光的直线传播性质及光的反射和折射规律为基础，用数学方法研究光传播问题的学科。 几何光学研究的对象为光学仪器，研究一般光学仪器（透镜，凌镜，显微镜，望远镜，照相机）成像与消灭像差的问题，研究特种光学仪器（光谱仪，测距仪）的设计原理。本章仅就几何光学中光线及其传播规律问题做一介绍。 1.光线及光线的种类 在均匀介质中呈直线传播的光，就是光线。就光的传播而言在均匀介质中是呈直线传播的；从其本身而言，均匀均匀介质中的光为一直线。 自发光点发出许多光线，我们任意取围绕一个线传播的一束光线，这一束光线就叫光束。 1.散开光线。又称作发散光线 任何发光点发出光线都是发散的，这些光线总是表现在一定的空间，总是在一定的限度内表现为空间的物理现象，从发光点射向某一方向的光总是以发光点为顶点的锥体向外传播，沿锥体向外传播的光束称为散发光束，常称为发散光线。
人们为了便于理解，又把这立体图形简化为平面图形，但在理解知识的时 后，我们应该时时意设到，光是在空间意义上的光。 2.平行光线 由任何一点发出的光束，经过光学仪器后，光束中的光线的相对方 位改变为无相平行，成为平行光束，即平行光线。平行光线产生见 图1。 图1 通常所说的平行光线是就另外的意义而言，任何光源所发出的光线，如果光距越大，就越趋于平行，当光距无限大时，即可视为平行，这种光线就称为平行光线。在眼屈光学中，对光线的性质又作了人为的规定，并约定：5米及5米以外射来的光线，虽有发散性质，但同平行光线对眼生理光学的影响，差异实在微乎其微，故约定二者均为平行光线。那么，5米以内光源发出的光线即为发散光线。三．集合光线，又称会聚光线
第十一章几何光学
第十一章 几何光学 班号 学号 姓名 日期 一、选择题 1．折射率为1.52的玻璃板放在一个充满水的水罐上，玻璃板的底面与水面接触。如果一束光以入射角?35进入玻璃板，则这束光进入水中时的折射角为 (A) ?29； (B) ?41； (C) ?32； (D) ?38。 ( ) 2．使用放大镜观察一个甲虫，我们的眼睛位于放大镜的焦点附近。欲使观察甲虫时的视角放大率为5，则选择放大镜的焦距为 (A) cm 0.5； (B) cm 5.6； (C) cm 5.9； (D) cm 5.3。 ( ) 3．设有一个半径为R 的球面，球面的左侧是空气，球面右侧是玻璃长圆柱（5.1=n ），过 球面顶点O 和曲率中心C 的连线是主光轴。设曲率半径是cm 12＝ R ，在主光轴上距O 点为cm 15的左侧有一支小小的烛焰（如图） (A) 烛焰在玻璃中呈一倒立的缩小的实像； (B) 烛焰在玻璃中呈一倒立的放大的实像； (C) 烛焰在空气中呈一正立的放大的虚像； (D) 烛焰在空气中呈一倒立的放大的虚像。 ( ) 4．一条金鱼在水中静止着，距水面为m 5.0，一个人自上往下垂直观察，金鱼的视深为： (A) m 20.0； (B) m 26.0； (C) m 30.0； (D) m 38.0。 ( ) 5．关于光焦度，有下面几种说法，把正确的选出来 (A) 凸透镜的光焦度为负，凹透镜的光焦度为正； (B) 光焦度是描述透镜的光学特征的物理量，当周围的介质是空气时，透镜的光焦度与焦距互为倒数； (C) 光焦度是表征光源发光强度的物理量； (D) 光焦度是描述物体表面接受光照强弱程度的物理量。 ( ) 6．以下有几种说法，请把正确的说法选出来 (A) 为了将物体看得更清楚，就需要增大视角，因此把物体移到越近越好； (B) 正常人的眼睛在明视距离（cm 25=d ）直接观察物体，总是能把物体看得很清楚； (C) 利用光的全反射现象，可以测定某种未知溶液的折射率； (D) 利用平面镜只可以成像，不可以控制光路。 ( ) 7．以下诸判断中哪一个是错误的？ (A) 球面凹镜总是成实像； (B) 球面凸镜总是成虚像； (C) 球面凹镜能够成放大的像，也能够成缩小的像，能够成正立的像，也能够成倒立的像；
工程光学习题参考答案第一章几何光学基本定律
第一章 几何光学基本定律 1. 已知真空中的光速c ＝38 10?m/s ，求光在水（n=）、冕牌玻璃（n=）、火石玻璃（n=）、加拿大树胶（n=）、金刚石（n=）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=时，v=m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=时，v=m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝时，v=m/s ， 当光在加拿大树胶中，n=时，v=m/s ， 当光在金刚石中，n=时，v=m/s 。 2. 一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： ,所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 3. 一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n =），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃 板上盖一圆形的纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小 1mm I 1=90? n 1 n 2 200mm L I 2 x
2211sin sin I n I n = 66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm x L 77.35812=+= 4.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2(1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有： (2) 由（1）式和（2）式联立得到n 0. 5. 一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。
11章几何光学习题题
光学习题 十四章几何光学习题 14-1.如图所示，一束平行光线以入射角?射入折射率为n，置 于空气中的透明圆柱棒的端面．试求光线在圆柱棒内发生全反射时，折射率n应满足的条件．14.2.若空气中一均匀球形透明体能将平行光束会聚于其背面的 图14-1 顶点上，此透明体的折射率应等于多少？ 14-3.远处物点发出的平行光束，投射到一个空气中的实心玻璃球上．设玻璃的折射率为n?1.50，球的半径为r?4cm．求像的位置． 14-4.如图所示的一凹球面镜，曲率半径为40cm，一小物体放在 离镜面顶点10cm处．试作图表示像的位置、虚实和正倒，并计算出像的位置和垂轴放大率．14-5.手头只有一个白炽灯，如何简便地估计一个凹面反射镜的 曲率半径和焦距？ 14-6.高为h0的物体，在焦距f'?0的薄透镜左侧，置于0?p?f的位置。试用作图法表示像的位置，实、虚，放大还是缩小，正立还是倒立．并用文字指明． 14-7.高为h0的物体，在焦距f'?0的薄透镜左侧，放置在p?f的位置，试用作图法表示像的位置，实、虚，放大还是缩小，正立还是倒立。并用文字指明． 14-8.一竖立玻璃板的折射率为1.5，厚度为10cm，观察者在玻璃板后10cm处，沿板的法线方向观察置于同一法线上10cm处的一个小物体时，它距离观察者有多远？ 14-9.某人对2.5m以外的物看不清楚，需要配多少度的眼镜？ 14-10．为下列情况选择选择光焦度合适的眼镜． （1）一位远视者的近点为80.0cm; (2 ) 一位近视者的远点为60.0cm.． 14-11.一双凸薄透镜的两表面半径均为50mm，透镜材料折射率n=1.5，求该透镜位于空气中的焦距为多少？ 14-12.一台显微镜，物镜焦距为4mm，中间像成在物镜像方焦点后面160mm处，如果目镜是20X的，则显微镜的总放大率为多少？ 14-13.将开普勒型天文望远镜倒过来可作激光扩束装置，设有一个这种类型望远镜，其物镜焦距为30cm，目镜焦距为1.5cm，则它能使激光的直径扩大多少倍？ 14-14．一玻璃棒(n=1.5)，长50cm，两端面为半球面，半径分别为5cm和10cm，一小物高0.1厘米，垂直位于左端球面顶点之前20厘米处的轴线上． 求：(1)小物经玻璃棒成像在何处? (2)整个玻璃棒的垂轴放大率为多少?
工程光学习题参考答案第一章几何光学基本定律
第一章 几何光学基本定律 1. 已知真空中的光速c ＝38 10?m/s ，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝1.65时，v=1.82 m/s ， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s ， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s 。 2. 一物体经针孔相机在 屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： ,所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 3. 一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n =1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻 璃板上盖一圆形的纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小直径应为多少？ 2211sin sin I n I n =
66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm x L 77.35812=+= 4.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有： (2) 由（1）式和（2）式联立得到n 0 . 5. 一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=1.5的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。
工程光学-郁道银-第一章几何光学基本概念与成像规律课后习题答案
第一章习题 1 知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。 2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。 4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。
几何光学的基本定律
第一节几何光学的基本定律 1、当半径为r 的不透明圆盘被照亮时，在其后l 处的屏上，得到半径为1 r 的全影和半径为的半影。光源也是圆盘形的而且由其中心到不透明圆盘中心的2r 连线垂且两圆盘和屏面，求光源的尺寸和光源矩被照亮圆盘的距离。 解：距离 ，光源半径r r r rl x 2221?+= r r r r r r y 2) (2112?+?= 2、太阳光球的直径等于1390000千米，太阳与地球之间的距离变化不大，平均为150000000千米，月球中心到地球表面的距离在357000至390000千米之间变动。若月球直径为3480千米，那么何时能有日全蚀？何时能有日环蚀? 解：当月球中心到地球表面的距离小于376000千米时．常发生日全蚀，当距离大于此值时，常发生日环蚀。 3、由光源发出的光通过孔之后，在孔后的屏上成象：试解释为什么当孔小时，成光源的象，而孔大时却成孔的象。 解：(略) 4、太阳光照射到不大的正方形平面镜上，反射后又照射到屏上，屏上照亮的部分是什么形状?它将如何随着平面镜和屏之间的距离的改变而改变？ 解：若屏离镜面近，则被照亮的部分为四边形，着屏离镜面远则太阳成椭圆形的象。 5、在竖直的正方形金属网前放一水平的长狭缝。用强的扩展光源照亮狭 缝，光通过缝和网射到远处屏上，试描述在屏上得到什么样的图象，当继绕网平面的垂线旋转90度和45度时，将发生什么现象?研究如图l-a 和图1-b 所示的图。
解：屏上得到水平的明、暗条纹系。将缝旋转90度时，条纹变成竖直的。将其转45度时，在图la 所示格子的情况下，条纹消失，如图1b 所示格子的情况下，呈现与水平成45度角的条纹。在后一种情况下，条纹间距是水平(或竖直)条纹的间距的分之一。在所有情况下，条纹皆与缝平行。 26、上题中，若交换缝和网的位置，屏上图形将发生什么变化？解：图像的特性不变，然而条纹已经变得不很多了。 7、两平面镜彼此倾斜，形成二面角а。光线在垂直于角棱的平面内射到镜上。证明：经两平面镜反射后的光线对原来方向的偏角δ与入射角无关。并求δ。 解：。若计算角和时，按着下面的规则：设光首先由第一个镜αδ2=αδ子反射，然后再由第二个镜子反射，则这个公式对所有情况都是适用的。此时，应将理解为使第一个镜子与第二个镜子重合所应转动的角度。类似地，是这αδ样确定的，即为使光线原来的方向与由第二个镜子所反射的光线重合所需转动的角度。转动的方向是任意的，但在两种情况下，转动方向应相同(例如顺时针或逆时针)，在求解其他题目时所进行的类似分析中，都应当注意这个原则。 8、试以矢量形式写出：在两种各向同性的透明介质的交界面上光的反射定