第16章几何光学
最新高考物理复习：第十六章 第1讲 光的折射、全反射 Word版含答案
第1讲 光的折射、全反射板块一 主干梳理·夯实基础【知识点1】 光的折射定律 Ⅱ 折射率 Ⅰ 1．折射现象光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方向改变的现象。
2．折射定律(1)内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。
(2)表达式：sin θ1sin θ2＝n 12，式中n 12是比例常数。
(3)在光的折射现象中，光路是可逆的。
3．折射率(1)定义：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦的比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n 表示。
(2)物理意义：折射率仅反映介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射入到该介质时偏折大，反之偏折小。
(3)定义式：n ＝sin θ1sin θ2，不能说n 与sin θ1成正比、与sin θ2成反比，对于确定的某种介质而言，入射角的正弦与折射角的正弦成正比。
折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定。
(4)光在不同介质中的速度不同；某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c 与光在这种介质中的传播速度v 之比，即n ＝cv ，因v <c ，故任何介质的折射率总大于(填“大于”或“小于”)1。
(5)相对折射率：光从介质1射入介质2时，入射角θ1与折射角θ2的正弦之比叫做介质2对介质1的相对折射率。
4．光密介质与光疏介质(1)光密介质：折射率较大的介质。
(2)光疏介质：折射率较小的介质。
(3)光密介质和光疏介质是相对的。
某种介质相对其他不同介质可能是光密介质，也可能是光疏介质。
【知识点2】 全反射、光导纤维 Ⅰ 1．全反射(1)条件：①光从光密介质射入光疏介质。
②入射角大于或等于临界角。
(2)现象：折射光完全消失，只剩下反射光。
(3)临界角：折射角等于90°时的入射角，用C表示，sin C＝1 n。
(4)应用：①光导纤维；②全反射棱镜。
第16 波动光学
2 k
相长 相消
(2k 1)
k 0,1,2
普通光源很难实现相干条件
第16章 波动光学
物理学
机械波源与光波波源特征不同 容易满足相干条件 难以满足相干条件
普通光源的发光机制
激 发 态 跃迁
基态
En
普通光源发光特 点： 原子发光是断续
的，每次发光形成一
长度有限的波列, 各
第16章 波动光学
41
物理学
2. 分振幅法：当一束光投射到两种透明媒质 的分界面上时，光能一部分反射，一部分透 射。薄膜干涉 3. 分振动面法：利用晶体的双折射效应，使 不同振动方向的光相干。
第16章 波动光学
23
物理学
波阵面分割法
s1
光源 *
s2
第16章 波动光学
24
物理学
杨(T.Young)在1801 年首先观察光的干涉 现象，并首次测量了 光波的波长。
1905年，爱因斯坦（A. Einstein）发表 了著名的狭义相对论，彻底否定了“以太” 的存在；同时还假设，光在真空中始终是
以恒定的速度传播，与光源或观察者的运
动状态无关。
第16章 波动光学
11
物理学
电磁波动说的困境
对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用何
种假设，只要是以电磁理论为前提，所得结论都
思考
若在杨氏干涉装置的一缝后放入一介 质片,干涉条纹将会有何变化
P
实 验 装 置
s1
o
s
s2
o
o'
第16章 波动光学
39
物理学
16-2 光程 薄膜干涉
媒质折射率与光的几何路程之积 = 物理意义：光程就是光在媒 质中通过的几何路程按相位差相 等折合到真空中的路程. 光程差： n2 r2 n1r1 Δ
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
大学物理第6章-几何光学
6.1.3 全反射
当光从光密介质入射到光疏介质的界面上，入射角 达到或大于
ic
arcsin
n2 n1
时，就会出现没有折射光
而只有反射光的现象，这
种现象称为全反射。 ic 称 为全反射临界角。
r
n2
i
ic ic
n1
6.2 光在平面上的反射和折射
2.1 平面反射成像 由反射定律可知，从点光源发出的所有光线，经平 面镜反射后，其反向延长线都交于一点 。
B
n
P
O
p
n'
C
P
p'
由折射定律和几何关系可以求出球面折射成像的 横 向放大率
m y' n p' y n' p
m 0 表示像是倒立的，m 0 表示像是正立的； m 1 表示成放大像， m 1 表示成缩小像。
例[6-2] 点光源位于一玻璃球心点左侧25cm处。已 知玻璃球半径是10cm，折射率为1.5，空气折射率 近似为1，求像点的位置。
虹膜
角膜 水状液
晶状体
视网膜 视神经
近视：远处物体成像在视网膜前面一点。 矫正近视的方法是配戴凹透镜，把无限远处 的物体成像在近视眼的远点处。
远视：远处物体成像在视网膜后面一点。 矫正远视的方法是配戴凸透镜，把明视距离 处的物体成像在远视眼的近点处。
物体对瞳孔中心的张角称为视角。物体在视网膜上 所成像的大小与视角有关，如果物体的视角非常小， 整个物体看上去就缩成了一个点。一般要求视角大 于1′，才能对物体不同部分进行分辨。
R1
R2
把物点放在主光轴上的一点，物点经透镜折射成的 像在无限远，这点称为物方焦点。 f 是物方焦距。
《光学教程》第五版 姚启钧 第一章 几何光学
B'
利用 物方焦平面 作图 光心
利用 物方焦点 作图 象方焦平面
利用 象方焦平面 作图 光心
四、 物像之间的等光程性
物点和像点之间各光线的光程相等。
F
F'
例1-3. p36 已知薄透镜 f ' 12cm, 问：
（1） 球面完全对称，折射率n=1.5，求曲率半径R；
（2） n1=4/3, n2=1 r2=R， f ' 12cm求, 曲率半径r1。
A ╭r φ-li''u'╭ n' P′
P -p
O
-y'
p'
笛 卡 儿 符 号 法
则
(3) 角度（以锐角量度）
｛ 以主轴转向考虑的光线 顺时针为正 逆时针为负
(4) 全正图形 图中标记的是线段或角度的绝对值（如上)
二、傍轴条件下单球面折射的物象公式
在下图中，当u,u’ 很小时， 称为傍轴条件
n -i
n
P
F’
P’
x'
-p’
-f ’ -p
-x
n′
F
f
六、 傍轴物点成像的放大率 亥姆霍兹-拉格朗日定理
1. 横向放大率
y pi y' p'i'
ni n'i'
n
y -x • P F•
-f i
-p
y' y
n p' n' p
利用-p=-(f+x),p'=(f '+x')
及牛顿公式，得
f x'
第一章几何光学基础11几何光学基本规律12光程费马原理13棱镜和最小偏向角全内反射和光学纤维14同心光束和象散光束物和象15单球面上的傍轴成象内容16薄透镜的成象规律17理想光学系统的基点和基面18共轴球面系统组合的理论19空气中的厚透镜薄透镜组110一般理想光具组的作图求像法和物像公式11几何光学的基本原理11光源
第四讲《光学》--几何光学的基本原理
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例1、一个点状物体放在离凹球面镜前0.05m 处，凹球面镜的曲率半径为0.20m，试确定像 的位置和性质（虚像，实像）。
解：若光线自左向右进行，这时 • • 由近轴物像公式式： • •
• 所成的是在凹面镜后0.10m处的一个虚像。
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例1、一个点状物体放在离凹球面镜前0.05m 处，凹球面镜的曲率半径为0.20m，试确定像 的位置和性质。
n' f ' r n ' n
n ' n n ' f' r
O
F
C
n
n’
r
f’
22
F’
-f
n ' n n ' n s' s r 五、近轴光线条件下球面折射的物像公式
物方焦点F : 与光轴上无穷远处像点对应的物点 物方焦距f ：与物方焦点对应的物距。 物方焦平面：过F点垂直于光轴的平面。 物方焦距：
1 2 1 2
n '[(r )2 (s r )2 2(r )(s r ) cos ]
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四、球面折射对光束单心性的破坏
Fermat原理
n n 1 ns ns ( ) l l r l l
s 随 而变，光束的单心性被破坏。
五、近轴光线条件下球面折射的物像公式 在近轴条件下，值很小
对于r一定的球面，只有一个s’与s对应，即存 在一个确定的像点，这个像点是一个理想的像 点---高斯像点
C
o
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三、近轴光线条件下球面反射的物像公式
当
s ,
r 得 s ' f ; 2
凹面镜 r 0, 凸面镜 r 0,
f 0; f 0.
衍射_1
sin
因为中央明条纹半角宽：
sin / a
A
p
屏幕上中央明条纹的 f ）a 线宽度为：（焦距
x
B
单缝
o
f
E
x 2 f / a
条纹在接收 屏上的位置 x k f / a
k 1,2
暗纹中心
明纹中心
x (2k 1) f / 2a
条纹在屏幕上的位置与波长成正比，如果用白光 做光源，中央为白色明条纹，其两侧各级都为彩 色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。
# # 振幅矢量图法：
A
M
i 1
o
N R A Ai
N
A1 A2 A3 B
A p
Ai
N
C
L
将AB波面等分成N份，相邻两波面 的光程差： a sin / N 相位差： (2 / )
NA1 R N
N N N ) NA1 sin( ) /( ) 2 2 2 N a sin 引入： u 2 A 2 R sin(
P I 0 R12 1
2 P2 I 0 R2
2 P / P2 R12 / R2 102 1
爱里斑上集中了衍射光能的83.8% ，所以爱里斑上 2 平均光强之比为： I P 83.8% / r01 01 1 10 4 2 I 02 P2 83.8% / r02
即：
u a sin / ,2 ,3 a sin k, k 1,2, 与半波带法结果相同。
uu
光强极大的地方应满足： 即：tan
dI d sin u ( 2 )0 du du u
2
u 0,1.43 ,2.46 ,3.47
光学工程基础参考文献与习题
光学工程基础参考文献与习题<<光学工程基础>>参考文献和习题1 光波、光线和成像参考文献：1. Walker Bruce H. Optical Engineering Fundamentals. Bellingham, Washington: SPIE,19982. 袁旭沧. 应用光学. 北京：国防工业出版社，19883. Ditteon Richard 着，詹涵菁译. 现代几何光学. 长沙：湖南大学出版社，20044. Smith W J. Modern Optical Engineering. Boston: The McGreaw-Hill Companies, Inc, 20015. 陈熙谋. 光学近代物理. 北京：北京大学出版社，20026. 钟钖华. 现代光学基础. 北京：北京大学出版社，20037. Ghatak A K, Thyagarajan K. Contemporary Optics. New York: Plenum Publishing Corporation, 19788. 彭旭麟，罗汝梅. 变分法及其应用. 武汉：华中工学院出版社，19839. Kidger Michael J. Fundamental Optical Design. Bellingham, Washington: SPIE,200210. Jenkins F, White H. Fundamentals of Optics. New York: The McGreaw-Hill Companies, Inc, 197611. Hecht E. Optics. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley, 1987习题:1. 简述几何光学的几个基本定律。
2. 简述成像的基本概念。
3. 光在真空中的速度是多少在水中呢在钻石中呢4. 画出折射角i '随入射角i 变化的函数曲线，条件是1=n ，n '是下列值：(a) ；(b) ；(c) 。