光学(讲义)
《光学》 哈尔滨工业大学出版社 郑植仁,姚凤凤。 讲义。
8. 焦面
物方焦面：
像方焦面：
主光轴与负光轴：
焦面性质：
1)从物方焦面发出的同心光束经过薄透
镜后出射光束为平行光束
2)入射的平行光束经薄透镜后出射光束
会聚在像方焦面上一点
2007-5-1311
2007-5-13
13
（2）一般光线作图法：利用一条特殊光线和焦面性质，找到任意入射光线的出射共轭线。
作图求轴上物点的像
2007-5-13
14
10.薄透镜逐次成像的计算法和作图法
1）计算法与单球折射面逐次成像的计算方法相同2）作图法的步骤如下：
（2）第一次利用特殊光线作图法做图
（3）以后各次均利用任意光线作图法做图（4）按比例测量成像后的各个待求量的值（5）每次均应检验，再进行下一次做图
（1）按比例绘出初始光路图，在图中标出F 、'F Q 、
等已知点和已知光线
2007-5-1321。
光学讲义-几何光学基本公式
20. 一侦察卫星的轨道高度 h = 220km ，在可见光波段（取 λ = 550nm ）能分辨地 面上 l = 6.25cm 的间隔。 求：卫星成像系统的孔径（直径） D 。
衍射光栅 光栅：周期分布的全同衍射单元构成的衍射屏。 多缝光栅：
光栅常数 d ：两个相邻衍射单元（如：狭缝）对应位置（如：狭缝中心） 的间距。 光栅公式 d sinθK = Kλ θK ：第 K 级衍射波的衍射角
光学•习题
1. 如图，已知三棱镜的顶角 A 和三棱镜材料的折射率 n 。 求：经过三棱镜的光线的偏向角的最小值。
i
3. 光线入射到玻璃半圆柱的平面上，光线方向与半圆柱 的 轴 垂 直 。 玻 璃 的 折 射 率 n = 1.414 ， 光 线 入 射 角 i = 45D 。 求：光线离开柱面的位置。
4. 一个调节良好的分光计的平行光管和望远镜物镜的焦距分别为 f1 = 250mm 和 f2 = 200mm 。平行光管的狭缝宽度为 b = 1.4mm ，三棱镜顶角为 A = 60D 。 对某两条相邻的谱线，三棱镜材料的折射率分别为 n1 = 1.498 和 n2 = 1.502 。 问：通过望远镜看到的这两条谱线是否重叠？
13. 在成像系统和像面之间插入两个薄透镜，使得在保持像的位置不变的条件下 将像放大，并且放大倍数连续可调。已知两透镜的焦距分别为 f1 和 f2 ，求两 透镜位置间的关系。
14. 在水深 S = 1.0m 的水池有一长度 l = 10cm 的物体。物体经一透镜成像于水面 上 方 H = 80cm 处 的 屏 幕 上 。 已 知 透 镜 焦 距 F = 10cm ， 透 镜 材 料 折 射 率 n = 1.50 ，水的折射率 nw = 1.33 。 求：透镜到水面的距离 h ，以及像的长度 l′ 。
北京大学《普通物理》光学讲义
学中的最小作用量原理，又比如费曼发明的量子场论中的路径积分
方法，这大概都是受益于费马原理的表述形式。
光学内容简介—几何光学
• 将光看成是粒子，几何光学
• 从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的 学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种 媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些 条件下的近似或极限。 几何量化描述 光速 ������ ������ 角度 ������ ������ ������ 折射率 ������ 焦物像距 ������ ������ ������ 光程������ = ������������ 物理规律 直线传播 反射定律 折射定律 成像公式 费马原理
3，光在两种介质表面 发生折射时，由费马原 理可以证明按照折射定 律规定的光程是极小值。
sin ������1 ������2 ������1 = = sin ������2 ������1 ������2 ������1 sin ������1 = ������2 sin ������2
费马原理—光程取稳定值
惠更斯原理
光扰动同时到达的空间曲面被称为波前，波前上的每一点都可以看成一个 新的扰动中心，称为次波源，次波源向四周发出球面次波；下一时刻的波 前是这些大量次波面的公切面，或称为包络面；次波中心与其次波面上的 那个切点的连线方向给出了该处光传播方向。
sin ������1 ������1 = sin ������2 ������2
光学内容简介
总的来说，关于光的研究主要分为两个方面： • 光的本性: 我们今天知道光的本性是个遵从量子力学、相对论规律的粒 子。其基本特性是传递电磁相互作用，称为规范玻色子，其 静止质量为0，电荷为0，自旋为1 ，能量为 h ，速度为c。 光在传播过程中服从量子力学规定的概率分布。 • 光与物质的相互作用： 光传递电磁相互作用的规律由量子电动力学确定。光的产生 和接受都属于光与物质的相互作用。
光学二级实验讲义 (1)
实验一迈克尔逊干涉仪的调节和使用【实验目的】1.了解迈克尔逊干涉仪的工作原理，掌握其调节和使用的方法。
2.应用迈克尔逊干涉仪，测量He-Ne激光的波长【实验仪器】迈克尔逊干涉仪（WSM-200 03040303 20100538)He-Ne激光器扩束镜迈克尔逊干涉仪的主体结构如图1（a）所示，由下面6个部分组成。
1微调手轮2粗调手轮3读数窗口4可调螺母5毫米刻度尺6精密丝杆7导轨（滑槽）8螺钉9调平螺丝10锁紧圈11移动镜底座12紧固螺丝13滚花螺丝14全反镜15水平微调螺丝16垂直微调螺丝17观察屏固定杆18观察屏图1迈克尔逊干涉仪结构（1）底座底座由生铁铸成，较重，确保仪器的稳定性。
由3个调平螺丝9支撑，调平后可以拧紧锁紧圈10以保持座架稳定。
（2）导轨导轨7由两根平行的长约280mm的框架和精密丝杆6组成，被固定在底座上，精密丝杆穿过框架正中，丝杆螺距为1mm，如图1（b）所示。
（3）拖板部分拖板是一块平板，反面做成与导轨吻合的凹槽，装在导轨上，下方是精密螺母，丝杆穿过螺母，当丝杆旋转时，拖板能前后移动，带动固定在其上的移动镜11（即M1）在导轨面上滑动，实现粗动。
M1是一块很精密的平面镜，表面镀有金属膜，具有较高的反射率，垂直地固定在拖板上，它的法线严格地与丝杆平行。
倾角可分别用镜背后面的3颗滚花螺丝13来调节，各螺丝的调节范围是有限度的，如果螺丝向后顶得过松，在移动时可能因震动而使镜面有倾角变化，如果螺丝向前顶得太紧，致使条纹不规则，严重时，有可能使螺丝口打滑或平面镜破损。
（4）定镜部分定镜M2是与M1相同的一块平面镜，固定在导轨框架右侧的支架上。
通过调节其上的水平拉簧螺钉15使M2在水平方向转过一微小的角度，能够使干涉条纹在水平方向微动；通过调节其上的垂直拉簧螺钉16使M2在垂直方向转过一微小的角度，能够使干涉条纹上下微动；与3颗滚花螺丝13相比，15、16改变M2的镜面方位小得多。
物理光学实验讲义
物理光学实验讲义实验⼀薄透镜成像及其焦距的测量⼀、实验⽬的1、通过实验进⼀步理解透镜的成像规律。
2、掌握测量透镜焦距的⼏种⽅法。
3、掌握和理解光学系统共轴调节的⽅法。
⼆、实验原理1、薄透镜成像原理及其成像公式将玻璃等⼀些透明的物质磨成薄⽚，其表⾯都是球⾯或有⼀⾯为平⾯的就成了透镜，有中央厚、边缘薄的凸透镜和边缘厚、中央薄的凹透镜两⼤类。
称连接透镜两球⾯曲率中⼼的直线叫做透镜的主光轴，透镜两表⾯在其主轴上的间距叫透镜厚度。
厚度与球⾯的曲率半径相⽐可以忽略不计的透镜称为薄透镜。
薄透镜两球⾯的曲率中⼼⼏乎重合为⼀点，这个点叫做透镜的光⼼。
实验中透镜两边媒质皆为空⽓。
凸透镜亦称为会聚透镜，凹透镜亦称为发散透镜。
如图1所⽰，平⾏于凸透镜主光轴的⼀束光⼊射凸透镜，折射后会聚于主光轴上，会聚的光线与主光轴的交点即为凸透镜的焦点，焦点到光⼼的距离为焦距。
如图2所⽰，平⾏于凹透镜主光轴的⼀束光⼊射凹透镜折射后成为发散光，发散光线的反向延长线与主光轴的交点即为凹透镜的焦点，与凹透镜光⼼的距离为焦距。
在近轴光线条件下，薄透镜的成像公式为：式中为物距，为像距为焦距，对于凸透镜、凹透镜⽽⾔，恒为正值，像为实像时为正，像为虚像时为负，对于凸透镜恒为正，凹透镜恒为负。
2、测量凸透镜焦距的原理（1）⾃准法位于凸透镜焦平⾯上的物体上（实验中⽤⼀个圆内三个圆⼼⾓为的扇形）各点发出的光线，经透镜折射后成为平⾏光束（包括不同⽅向的平⾏光），由平⾯镜反射回去仍为平⾏光束，经透镜会聚必成⼀个倒⽴等⼤的实像于原焦平⾯上，这时像的中⼼与透镜光⼼的距离就是焦距（如图3）。
（2）共轭法（位移法）由图4可见，物屏和像屏距离为（），凸透镜在、两个位置分别在像屏上成放⼤和缩⼩的像，由凸透镜成像公式可得：成放⼤的像时，有成缩⼩的像时，有⼜由于可得3、测量凹透镜焦距的原理（1）⾃准法通常凹透镜所成的是虚像，像屏接收不到，只有与凸透镜组合起来才可能成实像。
凹透镜的发散作⽤同凸透镜的会聚特性结合得好时，屏上才会出现清晰的像，如图5所⽰。
1.光学现象(讲义)(原卷版)
浙教版中考科学二轮复习光学现象光和颜色、光的直线传播、光的反射与折射【知识点分析】一.光和颜色1.光源：能发光并且正在发光的物体。
2.光的传播：光在同种均匀介质中沿直线传播。
【相关应用】(1)影子的形成（计算影子长短和物体高度、移动距离的关系）(2)小孔成像（成像形状与孔的形状无关，孔径过大类似于影子，不是小孔成像）(3)打靶、激光准直、一叶障目、日食与月食。
3.光和颜色：（1）看到物体的颜色是物体反射该颜色的光导致，白色物体只反射，黑色不反射、带色的玻璃只能透过该色的光。
（2）白光由多种颜色的光复合而成，不同颜色的光偏折程度不同。
（3）不同颜色的光作用：紫外线可以杀菌、可以验钞；红外线遥控器，物体都在向外不停释放红外光，可测温，或夜视仪。
（4）光的三原色：红、绿、蓝。
4.光速与光年：光速是3x108m/s，光年是长度单位。
5.光线：利用带箭头的线表示光的方向，是一种理想化模型。
二.光的反射与面镜成像1.光的反射：光照到界面返回原界面的过程。
2.光的反射规律：三线共面、分居两侧、反射角等于入射角3.平面镜成像：等大、等距、正立、虚像。
4.凸面镜与凹面镜作用与应用。
三.光的折射1.折射：光从一种介质照向另一种介质，发生偏折的现象。
2.折射的规律：（初中近似理解为密度大角度小）3.折射的现象：海市蜃楼，日出提前4.光的折射基础偏折5.凸透镜与凹透镜：（1）凸透镜：中间厚边缘薄:对光学有会聚作用（2）凹透镜：中间薄边缘厚:对光线有发散作用【例题分析】1．2022年11月8日出现月全食与超级月亮同时上演的少见天文现象。
图所示的光现象中，与月全食成因相同的是（）A．水中倒影B．海市蜃楼C．雨后彩虹D．小孔成像2．1666年，英国物理学家牛顿用玻璃三棱镜分解了太阳光，在光屏上得到了七色光，解开了光的颜色之谜，如图所示，下列是小红同学在探究有关光现象时的一些说法，其中不正确的（）A．太阳光中包含红橙黄绿蓝靛紫七色光B．七色光按序排列是因为三棱镜对不同色光折射程度不同C．把温度计放在红光的上方，读数会降低D．用放大镜观察正在放映的彩色电视机屏幕，发现画面的颜色是由红、绿、蓝三种色条合成的3．2022年10月5日，中国航天员首次在太空中度过国庆佳节，如图所示是航天员陈冬在神舟十四号飞船拍摄到的月球悄悄躲进地球的背后的一张照片，当月亮完全躲到地球背后时，陈冬就看不到月亮了，形成的这一现象的原因是（）A．光的直线传播B．光的反射C．光的折射D．光的色散4．鸟儿白天会将玻璃幕墙看成蓝天白云，黄昏会透过玻璃看到明亮室内的绿色植物，导致其贸然飞往撞击受伤，鸟儿在如图所示位置所见情景，是因为在玻璃与空气分界面处分别发生（）A．光的反射，光的折射B．光的折射，光的反射C．光的反射，光的反射D．光的折射，光的折射5．如图所示是探究光的反射定律的部分实验过程，下列叙述中正确的是（）A．图甲中∠BON是入射角B．图甲、丙中的现象说明光路是可逆的C．图乙中反射光线、入射光线不在同一平面内D．图中硬纸板应选用表面光滑的6．首钢滑雪大跳台在北京冬奥会期间承担了单板和自由式滑雪大跳台等比赛项目，它的设计理念源自中国敦煌壁画中传统的飞天造型，从侧面看去犹如一只灵动的“水晶鞋”。
物理光学讲课课件
目录
• 引言 • 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 光的吸收、色散和散射 • 现代光学技术及应用
01
引言
光学的发展历程
早期光学
从反射和折射定律的发现到光的波动理 论的提出。
几何光学
建立光的直线传播、反射和折射定律， 以及透镜成像等理论。
物理光学
从光的干涉、衍射和偏振等现象的研究 ，到光的电磁理论的确立。
非线性光学简介
非线性光学现象
阐述非线性光学中的基本 现象，如二次谐波产生、 和频与差频产生、光整流 、光克尔效应等。
非线性光学材料
介绍常见的非线性光学材 料，如晶体、半导体、有 机材料和光纤等，并分析 其特性。
非线性光学器件
概述非线性光学器件的原 理和应用，如光开关、光 限幅器、光逻辑门等。
量子光学简介
衍射条纹。
04
光的偏振
偏振现象和分类
偏振现象
光波在传播过程中，光矢量（即 电场强度矢量E）的振动方向对于 光的传播方向失去对称性的现象 。
分类
根据光矢量末端在垂直于传播方 向的平面上描绘出的轨迹形状， 可分为线偏振光、圆偏振光和椭 圆偏振光。
马吕斯定律和布儒斯特角
马吕斯定律
描述线偏振光通过偏振片后的透射光强与入射光强及偏振片透振方向之间的关 系，即$I = I_0 cos^2 theta$，其中$I_0$为入射光强，$theta$为透振方向与 入射光振动方向之间的夹角。
光电转换
将光能转换成电能或其他形式的能 量，应用于太阳能电池、光电探测 器等器件中。
02
光的干涉
干涉现象和条件
01
干涉现象
两列或多列波在空间某些区域 振动加强，在另一些区域振动 减弱，形成稳定的强弱分布的
初二物理光学,物态讲义
一、光的直线传播1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。
分类：自然光源，如太阳、萤火虫；人造光源，如篝火、蜡烛、油灯、电灯。
月亮本身不会发光，它不是光源。
2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。
3、光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方法之一。
练习：☆为什么在有雾的天气里，可以看到从汽车头灯射出的光束是直的？答：光在空气中是沿直线传播的。
光在传播过程中，部分光遇到雾发生漫反射，射入人眼，人能看到光的直线传播。
☆早晨，看到刚从地平线升起的太阳的位置比实际位置高，该现象说明：光在非均匀介质中不是沿直线传播的。
4、应用及现象：①激光准直。
②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。
③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。
如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。
④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。
5、光速：光在真空中速度C=3×108m/s=3×105km/s ；光在空气中速度约为3×108m/s 。
光在水中速度为真空中光速的3/4，在玻璃中速度为真空中速度的2/3 。
二、光的反射1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。
2、反射定律：三线同面,法线居中,两角相等,光路可逆.即:反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居于法线的两侧，反射角等于入射角。
光的反射过程中光路是可逆的。
3、分类：⑴镜面反射：定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行条件：反射面平滑。
应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。
黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵漫反射：定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。
条件：反射面凹凸不平。
应用：能从各个方向看到本身不发光的物体，是由于光射到物体上发生漫反射的缘故。
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重点高校自主招生网络课程讲义
(i1 i2 ) (i1 i2 )
i1 i1
其中 sin i1 nsin i2
sin i2 nsin i1
当 i1 i1
时（此时 i2 i2
），偏折角最小： 2
min
2i1
2 arcsin(n sin
) 2
或者
n
sin
min 2
，利用此式可以测棱镜的折射率
sin
2
横截面为等腰直角三角形的棱镜称全反射棱镜。
霓虹原理：虹和霓是太阳被大气中的小水滴折射和反射形成的色散现象。 阳光在水滴上经两次折射和一次反射，形成内紫外红的虹； 阳光经小滴两次折射和两次反射，形成内红外紫的霓。
由于霓经过两次反射，因此光线较弱，不容易看到。
阳光
紫
红
红
紫 阳光
4
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线经反射后平行于主轴。
球面镜成像公式
11 1
A
u f
注意：符号遵循“实取正，虚取负”的原则。即：凹镜 焦距 f 取正，凸镜焦距 f 取负；实物 u 取正，虚物 u 取负； 实像 v 为正，虚像 v 为负。
像长和物长之比为成像放大率，用 m 表示，
F S C S
5
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物-像共轭 像是客观的，与人是否观察到无关
二、光的反射
例1.如图所示，AB 表示一平直的平面镜， P1P2 是水平放置的 米尺（有刻度的一面朝着平面镜），MN 是屏，三者相互平
P1 S
行，屏 MN 上的 ab 表示一条竖直的缝（即 ab 之间是透光 M a
的）。某人眼睛紧贴米尺上的小孔 S（其位置如图所示）， A
n2 n1
n21
（ n1 ：绝对折射率；n21 ：2 相对 1 折射率）；
②全反射：光由光密介质向光疏介质，且入射角大于临界角 C（1 为光密介质）
sin C n2 n1
1. 多层介质折射
如图：多层介质折射率分别为 n1, n2 , n3 则由折射定律得： n1 sin i1 n2 sin i2 nk sin ik
同侧 f～2f
放大
倒
实
f
放大
f～0
异侧 ～0
放大
正
虚
虚物
异侧 0～f
缩小
正
实
表Ⅱ 凸镜成像情况
物的性质
物的位置
像的位置
像的大小
像的正倒
像的性质
实物
f～
同侧 0～f
缩小
正
虚
～2f
同侧 f～2f
缩小
倒
虚
2f
同侧 2f
等大
倒
虚
虚物
f～2f
同侧 ～2f
放大
倒
虚
f
f～0
异侧 ～0
放大
正
实
球面镜多次成像 球面镜多次成像原则：只要多次运用球面镜成像公式即可，但有
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m h hu
由成像公式和放大率关系式可以讨论球面镜成像情况，对于凹镜，如表Ⅰ所列；对 于凸镜，如表Ⅱ所列。
表Ⅰ 凹镜成像情况
物的性质
物的位置
像的位置
像的大小
像的正倒
像的虚实
实物
同侧 f
缩小
倒
实
～2f
同侧 f～2f
缩小
倒
实
2f
同侧 2f
等大
倒
实
2f～f
可通过平面镜看到米尺的一部分刻度。试在本题图上用三
角板作图求出可看到的部位，并在 P1P2 上把这部分涂以
标志。
P2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
b
N
B
答案：
S P1
E F P2
Ma
bN
A CD
B
S
1
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平面镜成像特点： “正立、等大、虚像”,但左右倒置。 1、组合平面镜成像——会出现复像（多个像） ①两面互相垂直的平面镜 规律：虚像都位于以 O 为圆心、OS 为半径的圆上，而且物像之间都以平面镜（或
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第十二讲 光学
知识概要——几何光学
一、几何光学基础 1、光的直线传播 2、光的独立传播原理 3、光路可逆原理 4、像：物点发出的发散光束,经过光学元件后,有三种可能:①会聚于一点——实像点;
②成为发散光束,其反向延长线的会聚点——虚像点；③成为平行光束，不成像。
时前一个球面镜反射的光线尚未成像便又遇上了后一个球面镜，此时就要引进虚物
的概念。
例3.如图所示，半径为 R 的凸镜和凹镜主轴相互重合放置，两镜顶点 O1 、 O2 相距 2.6R，
现于主轴上距凹镜顶点 O1 为 0.6R 处放一点光源 S。
设点光源的像只能直接射到凹镜上，问 S 经凹镜和
2. 平面折射的视深
垂直液面方向观察： 视深 h h n
h
i1
n1
i2 n2
i3
n3
x O
h′ Q′
i′nR
M i
Q
3. 棱镜的折射与色散 A
偏折角：出射光线与入射光线（延长线)的夹角δ
α
δ i′1
i1 E i2 i′2 F
G
D
折射率
B
C
3
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注意：所有面镜、透镜的成像，由于像差等因素的影响，只讨论近轴光线的成像
四、光在球面上的反射与折射
1. 球面镜成像——凹镜、凸镜
焦点：凹面镜是实焦点，凸面镜是虚焦点。 焦距：在近轴光线的条件下有
f R 2
O
F
C
三条特殊光线,即:①经过球面中心 C 的光 线经反射后沿原路返回;②平行于主轴的光线经反射后过焦点 F;③经过焦点的光
它们的延长线）保持着对称关系。
A
S1
S
O
B
S2
S3
S1 S
S4
O S5
S2
S3
②两面平面镜成 60º 应用规律，作图法确定——5 个像
例2.要在一张照片上同时拍摄物体正面和几个不同侧面的像，可以在物体的后面放两个直立 的大平面镜 AO 和 BO，使物体和它对两个平面镜所成的像都摄入照像机，如图所示。图 中带箭头的圆圈 P 代表一个人的头部（其尺寸远小于 OC 的长度），白色半圆代表人的脸 部，此人正面对着照相机的镜头；有斜线的半圆代表脑后的头发；箭头表示头顶上的帽 子，俯视图如下，若两平面镜的夹角∠AOB=72º，设人头的中心恰好位于角平分线 OC 上，且照相机到人的距离远大于到平面镜的距离。 1、试在图中标出 P 的所有像的方位示意图。 2、在方框中画出照片上得到的所有的像（分别用空白和斜线表示脸和头发，用箭头表
示头顶上的帽子）。 本题只要求画出示意图，但须力求准确。
A O
B C P
A
C
O
P
2
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答案：
A
P
O
B
图 1-2-12
图 1-2-13
三、光的折射 折射规律：
①
n1 sin i1
n2
sin
i2
或
sin sin
i1 i2