新概念光学第一章

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新概念光学各章复习答案

复习提纲第一章光和光的传播说明：灰色表示错误。

§1、光和光学判断选择练习题：1. 用单色仪获得的每条光谱线只含有唯一一个波长；2. 每条光谱线都具有一定的谱线宽度；3. 人眼视觉的白光感觉不仅与光谱成分有关，也与视觉生理因素有关；4. 汞灯的光谱成分与太阳光相同，因而呈现白光的视觉效果；§2、光的几何传播定律判断选择练习题：1. 光入射到两种不同折射率的透明介质界面时一定产生反射和折射现象；2. 几何光学三定律只有在空间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光的波长时才成立；3. 几何光学三定律在任何情况下总成立；§3、惠更斯原理1. 光是一种波动，因而无法沿直线方向传播，通过障碍物一定要绕到障碍物的几何阴影区；2. 惠更斯原理也可以解释波动过程中的直线传播现象；3. 波动的反射和折射无法用惠更斯原理来解释；§4、费马原理1）费马定理的含义，在三个几何光学定理证明中的应用。

判断选择练习题：§5、光度学基本概念1）辐射通量与光通量的含义，从辐射通量计算光通量，视见函数的计算2）计算一定亮度面光源产生的光通量3）发光强度单位坎德拉的定义。

判断选择练习题：1. 人眼存在适亮性和适暗性两种视见函数；2. 明亮环境和黑暗环境的视见函数是一样的；3. 昏暗环境中，视见函数的极大值朝短波（蓝色）方向移动；4. 明亮环境中，视见函数的极大值朝长波（绿色）方向移动；7. 在可见光谱范围内，相同的辐射通量，眼睛对每个波长的亮度感觉都一样；8. 在可见光谱范围内，相同的辐射通量，眼睛对波长为550nm 光辐射的亮度感觉最强；9. 理想漫射体的亮度与观察方向无关；10. 不同波长、相同辐射通量的光辐射在人眼引起的亮度感觉可能一样；填空计算练习题：计算结果要给出单位和正负1、波长为400nm、500nm、600nm 、700nm 的复合光照射到人眼中，已知这些波长的视见函数值分别为0.004、0.323、0.631、0.004，若这些波长的辐射通量分别为1W 、2W 、3W 、4W ，则这些光在人眼中产生的光通量等于。

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2. 物像关系基础公式
• 高斯公式：
p 为物距，q 为像距，f 为焦距
在一般摄影时像距其实与焦距非常接近，但是在微距摄影时，像距则可能大于焦距，此时放大率会超过 1。利用高斯公式其实也可以导出放大率公式：
放大率 M﹦p/q
2. 色差
• 透镜最主要像差一般为色差，大家都知道三棱镜会将白光分散为光谱，透镜的侧面看来其实也像棱镜，所以会有色差，红光波长较长，结果红光焦点就比蓝光焦点长，因此焦点不在同一平面上，所以目镜看红光影像清晰，蓝光影像就不清晰，反之亦然，用没有消色差的透镜当物镜就会看到物体镶了红边或蓝边，不够清晰。
称轴线今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、
二、成像基本概念 1、透镜类型正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜
会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜
发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
2、透镜作用－－－成像
1. 焦距
在单透镜而言，如果窗外景物够远，那么透镜到倒立影像之距离可视为焦距。如要更确实的量测，可以对着太阳在地面呈像，再量测透镜到影像的距离。
• 要知道真正的焦距，还有一个方法，就是用物距与像距来计算，因为物距与像距的比与物高与像高的比值是一样的，物高可以找一个已知高度的物体，像高可以量测，物距可以量测，像距就可以计算出来，而物距超过焦距五十倍以上时，算出来的像距已经极接近焦距的数值。
第五节光学系统类别和成像的概念
各种各样的光学仪器显微镜:观察细小的物体望远镜:观察远距离的物体
各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜
光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求

新概念物理光学习题答案

新概念物理光学习题答案新概念物理光学习题答案光学作为物理学的一个重要分支，研究光的传播、反射、折射和干涉等现象。

在学习光学的过程中，我们常常会遇到一些习题，通过解答这些习题可以更好地理解光学的原理和应用。

本文将为大家提供一些新概念物理光学习题的答案，希望能够帮助大家更好地掌握光学知识。

1. 一束光从空气射入玻璃介质，发生折射现象。

如果入射角为30°，折射角为20°，求玻璃的折射率。

解答：根据折射定律，光线从空气射入玻璃介质时，入射角i和折射角r之间的关系为：n1*sin(i) = n2*sin(r)。

其中，n1为空气的折射率，近似为1；n2为玻璃的折射率，待求。

代入已知条件，得到：1*sin(30°) = n2*sin(20°)。

解方程可得，n2 ≈ 1.5。

所以，玻璃的折射率约为1.5。

2. 一束光从空气射入水中，发生折射现象。

已知水的折射率为1.33，求光线从水中射入空气时的折射角。

解答：同样利用折射定律，光线从水中射入空气时，入射角i和折射角r之间的关系为：n1*sin(i) = n2*sin(r)。

其中，n1为水的折射率，n2为空气的折射率。

代入已知条件，得到：1.33*sin(i) = 1*sin(r)。

由于光线从水中射入空气，空气的折射率近似为1。

解方程可得，sin(r) ≈ 1.33*sin(i)。

再利用反正弦函数，可求得折射角r的近似值。

所以，光线从水中射入空气时的折射角约为反正弦(1.33*sin(i))。

3. 一束光从空气射入玻璃球，球的折射率为1.5。

已知入射角为60°，求光线在球内的传播路径。

解答：当光线从空气射入玻璃球时，由于两种介质的折射率不同，光线会发生折射现象。

根据折射定律，入射角i和折射角r之间的关系为：n1*sin(i) =n2*sin(r)。

其中，n1为空气的折射率，n2为玻璃球的折射率。

代入已知条件，得到：1*sin(60°) = 1.5*sin(r)。

新概念光学各章复习答案

新概念光学各章复习答案温习提纲第1章光和光的传播说明：灰色表示毛病。

§1、光和光学判断选择练习题： 1. 用单色仪取得的每条光谱线只含有唯逐一个波长； 2. 每条光谱线都具有1定的谱线宽度； 3. 人眼视觉的白光感觉不但与光谱成份有关，也与视觉生理因素有关； 4. 汞灯的光谱成份与太阳光相同，因此显现白光的视觉效果；§2、光的几何传播定律判断选择练习题： 1. 光入射到两种不同折射率的透明介质界面时1定产生反射和折射现象； 2. 几何光学3定律只有在空间障碍物和反射和折射界面的尺寸远大于光的波长时才成立； 3. 几何光学3定律在任何情况下总成立；§3、惠更斯原理 1. 光是1种波动，因此没法沿直线方向传播，通过障碍物1定要绕到障碍物的几何阴影区； 2. 惠更斯原理也能够解释波动进程中的直线传播现象； 3. 波动的反射和折射没法用惠更斯原理来解释；§4、费马原理 1）费马定理的含义，在3个几何光学定理证明中的利用。

判断选择练习题： 1. 费马原理认为光线总是沿1条光程最短的路径传播； 2. 费马原理认为光线总是沿1条时间最短的路径传播； 3. 费马原理认为光线总是沿1条时间为极值的路径传播； 4. 依照费马原理，光线总是沿1条光程最长的路径传播； 5. 费马原理要求光线总是沿1条光程为恒定值的路径传播； 6. 光的折射定律是光在两种不同介质中的传播现象，因此不满足费马原理。

§5、光度学基本概念 1）辐射通量与光通量的含义，从辐射通量计算光通量，视见函数的计算。

2）计算1定亮度面光源产生的光通量。

3）发光强度单位坎德拉的定义。

判断选择练习题： 1. 人眼存在适亮性和适暗性两种视见函数； 2. 明亮环境和黑暗环境的视见函数是1样的； 3. 昏暗环境中，视见函数的极大值朝短波（蓝色）方向移动； 4. 明亮环境中，视见函数的极大值朝长波（绿色）方向移动； 5. 1W的辐射通量在人眼产生1W的光通量； 6. 存在辐射通量的物体一定可以引发人眼的视觉； 7. 在可见光谱范围内，相同的辐射通量，眼睛对每一个波长的亮度感觉都1样； 8. 在可见光谱范围内，相同的辐射通量，眼睛对波长为550nm光辐射的亮度感觉最强； 9. 理想漫射体的亮度与视察方向无关； 10. 不同波长、相同辐射通量的光辐射在人眼引发的亮度感觉可能1样；填空计算练习题：计算结果要给出单位和正负 1、波长为400nm、500nm、600nm、700nm的复合光照耀到人眼中，已知这些波长的视见函数值分别为0.004、0.323、0.631、0.004，若这些波长的辐射通量分别为1W、2W、3W、4W，则这些光在人眼中产生的光通量等于-------------。

《光学教程》第一章几何光学概述

光焦度的单位称为屈光度，以字母D表示。若球面的曲率半径以米为单位，其倒数的单位便是D
如果发光点的位置在P′点，它的像便在 P点。换句话说，如果P和P′之一为物，则另一点为其相应的像。物点和像点的这种关系称为共轭，相应的点称为共轭点，相应的光线称为共轭光线。应该指出，物像共轭是光路可逆原理的必然结
练习P161 3.10 3.12 3.13
六、球面反射对光束单心性的破坏
从物点发散的单心光束经球面反射后，将不再保持单心性(即使平行光束入射时也不例外)。
七、近轴光线条件下球面反射的物像公式
在球面反射的情况中，物空间与像空间重合，且反射光线与入射光线的进行方向恰恰相反。这一情况，在数学处理上可以认为像方介质的折射率n′等于物方介质折射率 n 的负值，即 n′=-n( 这仅在数学上有意义)。
问题：平面镜反射能否成虚像？
二、光在平面界面上的折射光束单心性的破坏
当x不变时，像点S′的位置x′随y而变，即从 S 点发出的不同光线经 OM 面折射后并不能相交于同一点。
进一步研究可知折射光线在空间也无同一交会点，这说明折射光束的单心性已被破坏。
比较光在平面上的反射
单独的球面不仅是一个简单的光学系统，而且是组成光学仪器的基本元素；
研究光经过球面的反射和折射，是研究一般光学系统成像的基础。
一、基本概念
球面的中心点O称为顶点；球面的球心C称为曲率中心；球面的半径称为曲率半径；连接顶点和曲率中心的直线CO称为主轴；
通过主轴的平面称为主截面；
主轴对于所有的主截面具有对称性，因而只须讨论一个主截面内光线的反射和折射。
省略一套公式.

光学基本知识讲座PPT课件

的距离
物方焦距：物方主点到物方焦点
的距离
.
17
3.物像位置、放大率
物像位置：可相对于焦
点或主点来定义
如图所示，
以焦点来定义的物
像公式是：
xx’=ff’
以主点来定义的物
像公式是：
1/l’-1/l=1/f’
.
18
物像位置、放大率
根据上面的成像关系式，可以导出物像之间放大倍率的计算公式
.
8
三.物像的基本概念
1.光学仪器和激光头的光学系统都由一系列折射面和反射面组成
2.光轴：各个表面的曲率中心均在同一直线上的光学系统称为共轴光学系统，这条直线称为光轴
.
TOP 66A光学系统示意图 9
物像的基本概念
3.成像：以A为顶点的入射光束经光学系统一系列表面折射和反射后，变为以A’点为顶点的出射光束，称A为物点，A’ 为像点，A’为物点A的像；物所在的空间称为物空间像所在的空间称为像空间
反射光线与入射光线和法线在同一平面内，入射光线与反射光线分别位于法线的两侧，与法线夹角相同
I”=-I
.
7
光的全反射
当光线由光密介质向光疏介质传播时，根据折射定律可知，因 n’<n 则 I’>I,当 SinIm=n’/n时，这些光线不再折射到另一介质，而按反射定律在界面上被全部反射
的共轭点必位于该直线的共轭线上。
此假设1841年由高斯建立，故称为高斯光学。
.
14
2.理想光学系统的基点、焦距
平行于光轴的入射光线AE,经系统后，沿G’F’方向射出，交于像方F’点，沿光轴入射的光线经系统后仍沿光轴出射。由于像方的出射光线G’F’和 OkF’分别与物方的入射光线 AE1和FO1共轭，故像方F’点在物方的共轭点必是光线AE1、和FO1的交点，它位于左方无穷的光轴上，故F’即为无穷远轴上点的像，称为光学系统的像方焦点。

基础光学第1章几何光学1课件

2）透射次波
当入射光n从An入射至Bn 反射次波面：A1C1 = v1tn , B2C2 = v1 (tn - t2), ……, Bn , 波面为C1Bn。透射次波面：A1D1 = v2tn , B2D2 = v2 (tn - t2), ……, Bn ,波面为D1Bn。
利用惠更斯原理解释反射和折射定律：
1.1几何光学的基本概念和基本定律
1.1-1 光源、光波与光线的概念
光源：能够发光或能够辐射光能量的物体
光线：发光点发出的携带能量并具有方向的几何线，它的位置和方向代表了光能向外传播的领域和方向。
光束：光线的集合体，分为平行光束、同心光束
1.1-2 光线传播的基本定律
光的直线传播定律:
光在均匀媒质中沿直线传播。
惠更斯（1629～1695）
波动的几个基本概念
波动是扰动在空间里的传播波面
光扰动同时到达的空间曲面称为波面。波面上的各点具有相同的相位（等相位面）
波线
球面波
平面波
波线
波面
波场中的一组线，线上每点切线方向代表该点处光扰动传播的方向。
波线代表能量流动的方向，于波面正交。
球面波的波线构成同心波束，平面波的波线构成平行波束；
折射定律
折射率与光速比
由： sin i1 n2 sin i2 n1
sin i1 v1 sin i2 v2
得到： n2 v1
n1
v2
设入射方为真空，n1 = 1，v1 = c 。则媒质的绝对折射率为：
n c v
或：
v
c
n
光在媒质中的速度小于光在真空中的速度
1.3 费马原理
1.3-1 光程的概念
光的独立传播定律:

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二、惠更斯原理的表述
次波OR 子波
三、惠更斯原理对反射定律和折射定律的解释（略去 P16-17）
惠更斯原理
惠更斯理论解释反射、折射
四、直线传播问题
大孔径障碍物光的传播方向
本质：次波源激发的波之间的干涉。近似性： CD之外仍有波动，即衍射。
用惠更斯原理解释光直进性
五、光的衍射问题
4、量子光学时间（1900～1960）
①光的粒子性黑体辐射、光电效应、康普顿效应等 ②光的波动性大量的干涉、衍射、偏振现象 ③德布罗意物质波每一物质粒子都与一定波相联系戴维孙——革未电子衍射实验 1927年 ④光的波粒二象性 E=hν ； P=h/λ ⑤玻恩 1925年，波粒二象性的几率解释——概率波
费马原理
三、由费马原理推导几何光学三定律
1、反射定律
（1）定性证明反射定律 ★假设在入射面内有两条光线：QMP 和QM′P ★由于镜像对称，有光程 QM′P ≡QM′P′ 显然，QMP'≤QM'P'，故光程 QMP≤QM′P
★ 即QMP最短！
由费马原理推导反射定律
2、折射定律
（1）证明折射定律 ★设： QQ′⊥分界面Σ； PP′ ⊥分界面Σ
热电偶吸收光子转化为热能。
不同光电器件的响应灵敏度
3、视见函数
（主观量） v（）
⑴ 含义：客观辐射通量引起人眼主观视觉强度的物理量任一波长的光和波长为555nm的光产生同样亮暗感觉所需要的通量为和 555 ⑵ 视见函数的表式
555 v ）（
/Å
视见函数曲线
第一章光和光的传播 §1 光和光的传播
一、光的本性(绪论)
1、萌芽时期 (公元前5世纪～公元15世纪末)
人眼发出的触须样；物体发出的——争论…
2、几何光学时期 (AC16～AC18世纪)
微粒说；波动说；微粒说占上风——因为牛顿太伟大了……
3、波动光学时期 (AC19～20世纪初)
1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为C→光也是电磁波 1888，赫兹实验：弹性媒质以太中的横波 ★成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思想，对光的本性认识前进了一大步。 ★遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？

附近内：为辐射通量谱密度

⑶
2 1 2内：1， 2 1 ( )d ；
2、光谱的响应曲线（光电仪器）
客观辐射通量引起光电仪器（不同器件）响应灵敏度的物理量
光电（吸收率、量子效率）电子吸收光子跃迁或发射，比如光电二极管，光电阴极
★磷光——受电磁波或电子束作用后的持续发光„„夜光表指针
★化学发光——化学反应，如腐物在空气中氧化……“鬼火” ★生物发光——特殊类型的化学反应„„萤火虫
★可见光:波长范围
400nm 760nm

c

可见光：400 ~ 760 nm；频率范围： ★光速——常数
7.5 1014 Hz 4.11014 Hz
i
Q
ndl
( L)
QP ni li
光程
二、费马原理的表述
1、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。或：光沿着光程为极值的方向传播。 2、数学表述：或

Q
P
Q
ds 0 实际路径上，时间变分为零 v
nds 0 实际路径上，光程变分为零
PHale Waihona Puke 极值极大极小恒定
小孔径障碍物光的传播方向
衍射问题
衍射问题用惠更斯原理可以定性解释光的衍射
水波的衍射——开孔越小，衍射现象越明显
第1次作业
• P32-P34：1-13；1-19；
一、光程
§4 费马原理
定义：光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积
c L nL L c ct Lc v v
QP P
⑶ 光纤通信就是利用全反射原理
全反射
⑵ 利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。
2、光导纤维—— 光学纤维
⑴ 原理：全反射
⑵ 结构：纤芯的折射率大于包层的照射率
n1 n2
光导纤维的原理
3、利用全反射改变光路
利用全反射棱镜改变光路
4、光在渐变折射率介质中传播——海市蜃楼
n0 sin i0 n1 sin i1 n2 sin i2 常量 n0 cos0 n1 cos1 n2 cos2 常量
★两条物像光线 QM′P ；QMP
★注意 M′M ⊥ Q′P′ ★显然，光程 QM< QM′ PM< PM′
★ 光程最短在竖直平面内
由费马原理推导折射定律
在竖直平面∏内 ★物像光程： QMP为
(QMP) n1 QM n2 MP n1 h12 x 2 n2 h12 ( p x) 2
3、折射定律
(1) 文字表述（略）；
(3) 讨论
n1 sin i1 n2 sin i2 (2) 数学表式 sin i v1 n2 c 1 , n v2 n1 v sin i2
n1 ① 色散现象 sin i2 sin i1 f (n) f ( ) n2
4、棱镜作用
(1) 改变光路—— 科研、军事、生产、航天等
(2) 色散—— 重要的分光元件两类光谱仪之一，棱镜、光栅
三棱镜的色散
光谱仪原理
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 光纤连接口狭缝滤波片准直镜分光原件（光栅、或棱镜）准直镜聚光透镜探测器 CCD、光电探测器等
在光波频段： r 1
r 0 E r 0 H
c 1
0 0
n r
0 r 0 n 2 2 S EH E E r E E 0 r 0 c0
1 I S S T

T
0
2 nE0 Sdt Tc0

T
0
n 2 cos (t )dt E0 2c0
⑵ 1909年，“国际烛光”，英法美协议，白炽灯 ⑶ 1937年，国际计量委员会（CIPM），规定“新烛光”：1940.1.1执行 ⑷ 1948年，第九届国际计量大会。规定“坎德拉”为发光强度单位
i 90
光在渐变折射率介质中传播
三、棱镜与色散
1、色散：折射角随波长而不同—— 色散光谱
2、三棱镜：横截面是三角形棱镜 3、三棱镜的最小偏向角过程略（见课本P12-13）当有三棱镜的折射
, i1 i1
n sin
亦i2 i2
min
sin

2 2
★此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行
c 299792458m/s 3 108 m/s
★单色光——谱线宽度：

连续光谱
线光谱
★复色光——谱密度
dI i ( ) d

I
元素钠（Na）汞（Hg）
0
dI i( )d
0

典型谱线
谱线波长/nm 589.0，589.6 404.7，407.8 435.8 546.1（最强） 577.0，579.1 634.8 605.7 颜色黄（D双线）紫蓝绿黄红橙
② 光疏媒质与光密媒质之相对性 (4) 应用：改变光路方向：航天器、精密光学仪器等
光的折射
二、全反射
1、全反射
光学纤维（光导纤维）
⑴ 当光从光密介质进入光疏介质，入射角达到某一值（临界角）时，不再有折射光而全部被反射— —全反射，其临界角的大小为
n2 ic arcsin n1 n1 sin ic n2 sin 90
新概念物理教程
光学
课程介绍
• 期末成绩构成
平时（20）+期中考试（20）+期末考试（60）
• 平时成绩
课堂考勤及表现10+作业10分作业需在后一周之内上交，过期不予批改。
第一章光和光的传播
§1 光和光学 §2 光的几何光学传播规律 §3 光的波动光学传播基础——惠更斯原理 §4 费马原理
§5 光度学基本概念
§2 光的几何光学传播规律
一、几何光学三定律
1、直线传播定律：各向同性均匀介质
物体的影子
针孔成像
2、反射定律 (1) 文字表述（略） (2) 数学表式 (3) 讨论： ① 与 n 无关；无色散。
i i
② i i 则 i i ，对称：光路可逆 ③ 漫反射现象之解释光的反射与折射
d (QMP) dx
n1 x
2 h1 x2

n2 ( p x)
2 h2 ( p x) 2
0
★得
n1 sin i1 n2 sin i2
由费马原理推导折射定律
§5 光度学基本概念
一、辐射通量和光通量（主、客观量）
☆光度学研究发光强弱的学科„；
☆辐射度量学研究各种电磁辐射强弱的学科„； 1、辐射通量（客观量） ⑴ 定义：文字表述…；单位：瓦（W ）；符号ψ=ψ (λ) ⑵ 光源表面
d ★数学表式 I d
I 应当是可以测量发光强度物理意义
d I d
dS dS 'cos ' d 2 2 r r
Id
光源光辐射空间分布
电灯发光强度的角分布
3、光度学基准的界定及其演变 ——烛光——发光强度
⑴ 1881年,“烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光）
即：Km 683lm W
/nm
辐射能量对波长的分布函数

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