光的几何性与物理性
工程光学知识点整理
工程光学课件总结班级:姓名:学号:目录第一章几何光学基本原理 (1)第一节光学发展历史 (1)第二节光线和光波 (1)第三节几何光学基本定律 (3)第四节光学系统的物象概念 (6)第二章共轴球面光学系统 (7)第一节符号规则 (7)第二节物体经过单个折射球面的成像 (8)第三节近轴区域的物像放大率 (10)第四节共轴球面系统成像 (12)第二章理想光学系统 (14)第一节理想光学系统的共线理论 (14)第二节无限远轴上物点与其对应像点F’---像方焦点 (14)第三节理想光学系统的物像关系 1, 作图法求像 (17)第四节理想光学系统的多光组成像 (22)第五节实际光学系统的基点和基面 (25)第六节习题 (27)第四章平面系统 (27)第一节平面镜 (27)第二节反射棱镜 (28)第三节平行平面板 (29)第四节习题 (30)第五章光学系统的光束限制 (31)第一节概述 (31)第二节孔径光栅 (33)第三节视场光栅 (34)第四节景深 (35)第五节习题 (35)第八章典型光学系统 (36)第一节眼睛的光学成像特性 (36)第二节放大镜 (39)第三节显微镜系统 (41)第四节望远镜系统 (45)第五节目镜 (46)第六节摄影系统 (48)第七节投影系统 (49)第八节光学系统外形尺寸计算 (50)第九节光学测微原理 (53)第一章几何光学基本原理光和人类的生产活动和生活有着十分密切的关系, 光学是人类最古老的科学之一。
对光的每一种描述都只是光的真实情况的一种近似。
研究光的科学被称为“光学”（optics）, 可以分为三个分支:几何光学物理光学量子光学第一节光学发展历史1，公元前300年, 欧几里得论述了光的直线传播和反射定律。
2，公元前130年, 托勒密列出了几种介质的入射角和反射角。
3，1100年, 阿拉伯人发明了玻璃透镜。
4，13世纪, 眼镜开始流行。
5，1595年, 荷兰著名磨镜师姜森发明了第一个简陋的显微镜。
高中物理光学知识点总结
第十一单元 光的性质一、知识结构1、知道有关光的本性的认识发展过程：知道牛顿代表的微粒、惠更斯的波动说一直到光的波粒二象性这一人类认识光的本性的历程，懂得人类对客观世界的认识是不断发展不断深化的。
2、知道光的干涉：知道光的干涉现象及其产生的条件；知道双缝干涉的装置、干涉原理及干涉条纹的宽度特征，会用肥皂膜观察薄膜干涉现象。
知道光的衍射：知道光的衍射现象及观察明显衍射现象的条件，知道单缝衍射的条纹与双缝干涉条纹之间的特征区别。
3、知道电磁场，电磁波：知道变化的电场会产生磁场，变化的磁场会产生电场，变化的磁场与变化的磁场交替产生形成电磁场；知道电磁波是变化的电场和磁场——即电磁场在空间的传播；知道电磁波对人类文明进步的作用，知道电磁波有时会对人类生存环境造成不利影响；从电磁波的广泛应用认识科学理论转化为技术应用是一个创新过程，增强理论联系实际的自觉性。
知道光的电磁说：知道光的电磁说及其建立过程，知道光是一种电磁波。
4、知道电磁波波谱及其应用：知道电磁波波谱，知道无线电波、红外线、紫外线、X 射线及射线的特征及其主要应用。
5、知道光电效应和光子说：知道光电效应现象及其基本规律，知道光子说，知道光子的能量与光学知识点其频率成正比；知道光电效应在技术中的一些应用6、知道光的波粒二象性：知道一切微观粒子都具有波粒二象性，知道大量光子容易表现出粒子性，而少量光子容易表现为粒子性。
、光的本性光的微粒说 （牛顿）光子说 —（爱因斯坦）光的干涉光的衍射 双缝干涉薄膜干涉光的电磁说光在空间传播不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。
光子的能量E=hv 。
h=×焦·秒，称普朗克常量。
光既有波动性，又有粒子性，故认为光具有波粒二象性(一切微观粒子都有波粒二象性)。
?电磁波谱 无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、r 射线，由低频到高频，构成了范围非常广阔的电光的电磁说 （麦克斯韦）光的波动性 （惠更斯）波粒二象性能解释：光的直线传播、光的反射等。
高中物理新教材同步选择性必修第一册 主题3 微型专题 几何光学的原理及应用
微型专题 几何光学的原理及应用[学科素养与目标要求]物理观念：1.知道光的直线传播规律.2.知道光的反射定律、折射定律和全反射的规律.3.知道光的可逆原理.科学思维：1.会根据几何光学的基本原理画出光路图.2.会利用几何关系找出相应的角、边关系.一、几何光学的基本原理及应用几何光学就是以光线为工具，研究光的传播规律.解几何光学的题目，首先根据几何光学的基本原理画出光路图，然后利用几何关系找出相应的角、边关系. 几何光学研究的是光线传播的规律，主要包括五条基本规律. 1.光的直线传播规律：光在同一种均匀介质中沿直线传播 2.光的反射定律(1)反射光线与入射光线、法线在同一平面内，反射光线、入射光线分居在法线两侧. (2)反射角等于入射角. 3.光的折射定律折射光线与入射光线、法线在同一平面内，折射光线、入射光线分居在法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比.公式：n 12＝sin θ1sin θ2.其中θ1为入射光线与法线的夹角，θ2为折射光线与法线的夹角. 4.光的全反射规律 发生全反射的条件是： (1)由光密介质射向光疏介质； (2)入射角θ≥临界角C ，其中sin C ＝1n .5.光的可逆原理在反射、折射和直线传播中，光路都是可逆的.例1 如图1所示，一棱镜的截面为直角三角形ABC ，∠A ＝30°，斜边AB ＝a .棱镜材料的折射率为 2.在此截面所在的平面内，一条光线以45°的入射角从AC 边的中点M 射入棱镜.画出光路图，并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况).图1答案 见解析解析 设入射角为θ1，折射角为θ2，由折射定律得sin θ1sin θ2＝n ①由已知条件及①式得θ2＝30°②如果入射光线在法线的右侧，光路图如图甲所示.设出射点为F ，由θ2＝30°得光线垂直于AB 射出，且由几何关系可得AF ＝38a ③甲即出射点在AB 边上离A 点38a 的位置.如果入射光线在法线的左侧，光路图如图乙所示.乙设折射光线与AB 边的交点为D .由几何关系可知，在D 点的入射角θ＝60°④ 设全反射的临界角为C ，则sin C ＝1n ⑤由⑤式和已知条件得C ＝45°⑥ 因此，光在D 点发生全反射.设此光线的出射点为E ，由几何关系得 ∠DEB ＝90°，BD ＝a －2AF ⑦ BE ＝BD sin 30°⑧ 联立③⑦⑧式得BE ＝18a即出射点在BC 边上离B 点18a 的位置.求解几何光学的题目首先要画出光路图，然后利用相应的公式结合几何知识分析边、角关系.而光从光密介质射到光疏介质时，首先要判断是否发生了全反射. 二、全反射和临界角的综合问题 分析光的全反射、临界角问题的一般思路(1)确定光是由光疏介质进入光密介质，还是由光密介质进入光疏介质. (2)若光是由光密介质进入光疏介质，根据公式sin C ＝1n确定临界角.(3)画出恰好发生全反射的光路图，利用几何知识分析边、角关系，找出临界角.(4)以恰好发生全反射的光线为比较对象来判断其他光线是否发生全反射，从而画出其他光线的光路图.例2 (2018·全国卷Ⅱ)如图2，△ABC 是一直角三棱镜的横截面，∠A ＝90°，∠B ＝60°.一细光束从BC 边的D 点折射后，射到AC 边的E 点，发生全反射后经AB 边的F 点射出.EG 垂直于AC 交BC 于G ，D 恰好是CG 的中点.不计多次反射.图2(1)求出射光相对于D 点的入射光的偏角；(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？ 答案 (1)60° (2)233≤n <2解析 (1)光线在BC 面上发生折射，由折射定律有sin i 1＝n sin r 1①式中，n 为棱镜的折射率，i 1和r 1分别是该光线在BC 面上的入射角和折射角.光线在AC 面上发生全反射，由反射定律有i 2＝r 2②式中i 2和r 2分别是该光线在AC 面上的入射角和反射角.光线在AB 面上发生折射，由折射定律有n sin i 3＝sin r 3③式中i 3和r 3分别是该光线在AB 面上的入射角和折射角. 由几何关系得i 2＝r 2＝60°，r 1＝i 3＝30°④F 点的出射光相对于D 点的入射光的偏角为δ＝(r 1－i 1)＋(180°－i 2－r 2)＋(r 3－i 3)⑤由①②③④⑤式得δ＝60°⑥(2)光线在AC 面上发生全反射，光线在AB 面上不发生全发射，有n sin i 2≥n sin C >n sin i 3⑦ 式中C 是全反射临界角，满足n sin C ＝1⑧由④⑦⑧式知，棱镜的折射率n 的取值范围应为233≤n <2.⑨[学科素养] 光在穿过有形介质时，往往要发生多次折射和反射，所以常把全反射现象和一般的折射问题综合起来考查.在解题时，要边计算、边作图、边考虑几何关系，三个环节同步进行，才能得到合理的情况.例2体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养.针对训练 如图3所示，ABC 为一透明材料制成的柱形光学元件的横截面，该种材料的折射率n ＝3，AC 是一半径为R 的14圆弧，O 为圆弧的圆心，ABCO 构成正方形，在O 处有一点光源.从点光源射到圆弧AC 的光线进入透明材料后首次射向AB 或BC 界面时，有一部分不能从AB 或BC 界面直接射出.下面的问题只研究进入透明材料后首次射向AB 或BC 界面的光线，已知AB 面上的P 点到A 点的距离为33R .求：图3(1)从P 点射出的光线的折射角；(2)AB 和BC 横截面上没有光线射出部分的总长度. 答案 (1)60° (2)(2－2)R解析 (1)设射向P 点的光线入射角为θ1，折射角为θ2，如图所示， tan θ1＝33R R ＝33，θ1＝30°，故sin θ1＝12根据折射定律有n ＝sin θ2sin θ1＝ 3解得θ2＝60°(2)设临界角为C ，射向M 点的光线恰好发生全反射，则有sin C ＝1n ＝33，由数学知识可得tan C ＝22AB 横截面没有光线射出部分的长度 BM ＝(1－tan C )R ＝(1－22)R 同理可知BC 横截面没有光线射出部分的长度为(1－22)R 两横截面上没有光线射出部分的总长度 l ＝2(1－22)R ＝(2－2)R .1.(几何光学的基本原理及应用)(2018·四川资阳二诊)如图4所示，一个三棱镜的截面为等腰直角△ABC ，腰长为a ，∠A ＝90°.一束细光线沿此截面所在平面且平行于BC 边的方向从真空射到AB 边上的中点M ，光在M 点发生折射后射到AC 边上，并刚好在AC 边上发生全反射.已知真空中的光速为c ，试求：图4(1)该棱镜材料的折射率n ； (2)光从AB 边到AC 边的传播时间t . 答案 见解析解析 (1)设光从AB 边射入时入射角为i ，折射角为α，射到AC 边上N 点时入射角为β，作出光路图如图所示.根据折射定律：n ＝sin i sin α光在AC 边上恰好发生全反射： sin β＝1n又由几何关系：α＋β＝90°，i ＝45° 联立解得：n ＝62(2)由图中几何关系可得M 、N 间距x ＝a 2sin α光在棱镜内传播的速度v ＝c n ，t ＝xv联立解得：t ＝32a4c2.(全反射和临界角的综合问题)用某种透明材料制成的一块柱体形棱镜的水平截面图如图5所示，左侧ABOD 为长方形，右侧DOF 为以O 为圆心的14圆.光线从真空以入射角θ1＝60°射到棱镜AB 面，经折射后，光线到达BF 面上的O 点并恰好不从BF 面射出.图5(1)画出光路图；(2)求该棱镜的折射率n 和光线在棱镜中传播的速度大小v (光在真空中的传播速度c ＝3×108 m/s). 答案 (1)见解析图 (2)72 677×108 m/s 解析 (1)光路图如图所示(2)设光线在AB 面的折射角为θ2，折射光线与OD 的夹角为C ，则n ＝sin θ1sin θ2由题意可知，光线在BF 面恰好发生全反射sin C ＝1n由图可知，θ2＋C ＝90° 联立以上各式解得n ＝72，又n ＝cv ，可解得v＝677×108 m/s.3.(全反射和临界角的综合问题)一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心，如图6所示，玻璃的折射率为n＝ 2.图6(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB上的最大宽度为多少？(2)一细束光线在O点左侧与O相距32R处垂直于AB从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置.答案见解析解析(1)在O点左侧，设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于发生全反射的临界角θ，则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图甲.甲由全反射条件有sin θ＝1n①由几何关系有OE＝R sin θ②由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为l＝2OE③联立①②③式，代入已知数据得l＝2R④(2)设光线在距O点32R的C点射入后，在上表面的入射角为α，由几何关系及①式和已知条件得α＝60°>θ⑤光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G点射出，如图乙，乙由反射定律和几何关系得OG ＝OC ＝32R ⑥ 射到G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C 点射出.1.(2018·西安中学高二第二学期期中)如图1所示，△ABC 为一直角三棱镜的横截面，∠BAC ＝30°，现有两条间距为d 的平行单色光线垂直于AB 面射入三棱镜，已知棱镜对该单色光的折射率为 3.图1(1)若两条单色光线均能从AC 面射出，求两条单色光线从AC 面射出后的距离；(2)若第三条单色光线垂直于AB 面射入三棱镜，到达AC 面恰好能发生全反射，若真空中光速为c ，求这条光线在三棱镜中的传播速度. 答案 见解析解析 (1)如图所示，两条单色光线在AC 面的折射点分别为D 、E ，由图中几何关系可知，入射角i ＝30°则根据光的折射定律有sin r sin i ＝n得r ＝60°在直角三角形DEF 中∠EDF ＝30° 所以EF ＝12DE ＝12·d cos 30°＝33d .(2)由题意结合光路图知入射的临界角为30°，n 2＝1sin 30°＝2，则光在三棱镜中的传播速度v ＝c2.2.(2018·唐山一中高二第二学期期中)如图2所示为安全防盗门上的观察孔(俗称“猫眼”)，直径为d，为了扩大向外观察的范围，在孔中完全嵌入折射率为n＝3的玻璃，玻璃由圆柱体和顶角为60°的球冠组成，猫眼的平面部分正好和安全门内表面平齐，球冠的边缘恰好和防盗门外表面平齐.若要让房间里的人能看到门外全部的景象，门的厚度不能超过多少？图2答案3 3d解析若要让房间的人能看到门外全部的景象，则沿平行门方向射向C处的光线能够折射经过A点即可.光路如图所示：根据光的折射定律有sin 60°sin γ＝n可得γ＝30°由几何关系知∠CAB＝30°则门的厚度最大为BC＝AB tan 30°＝33d.3.(2018·青岛一中高二第二学期第一次模拟考试)如图3所示是一个半球形透明物体的侧视图，现在有一细束单色光沿半径OA方向入射，保持入射方向不变，不考虑光线在透明物体内部的反射.图3(1)将细光束平移到距O点33R处的C点，此时透明物体左侧恰好不再有光线射出，求透明物体对该单色光的折射率；(2)若细光束平移到距O点0.5R处，求出射光线与OA轴线的交点与O点的距离. 答案(1)3(2)3R解析 (1)如图甲所示，甲光束由C 处水平射入，在B 处恰好发生全反射，∠OBC 为临界角，由几何关系有sin ∠OBC ＝33R R ＝33，则折射率n ＝1sin ∠OBC ＝ 3.(2)如图乙所示，乙光束由D 点水平射入，在E 点发生折射，入射角为∠OED ＝α，折射角为∠NEF ＝β，折射率n ＝sin βsin α＝3，sin α＝12R R ＝12 联立解得：sin β＝32，β＝60° 由几何关系可知：∠FOE ＝α＝30°，∠OFE ＝β－α＝30°＝α，则出射光线与OA 轴线的交点F 与O 点的距离为：OF ＝2R cos 30°＝3R .4.(2018·四川宜宾一诊)如图4所示，横截面为直角三角形的玻璃砖ABC ，AC 边长为L ，∠B ＝30°.两条同种色光的光线P 、Q ，从AC 边中点射入玻璃砖，其中光线P 垂直AC 边，光线Q 与AC 边夹角为45°.发现光线Q 第一次到达BC 边后垂直BC 边射出，已知真空中的光速为c .求：图4(1)玻璃砖的折射率.(2)光线P 由进入玻璃砖到第一次从BC 边射出经过的时间.答案 (1)2 (2)56L 6c解析 (1)作出光路图如图所示：光线Q 在AC 边的入射角i ＝45°由几何关系可知在AC 边的折射角r ＝30°由折射定律得n ＝sin i sin r＝ 2 (2)光线P 在玻璃砖中传播时s 1＝L 2tan 30°＝32L s 2＝L 2cos 30°＝33L P 在玻璃砖内传播的速度v ＝c n，则所要求的时间为t ＝s 1＋s 2v 由以上各式可得t ＝56L 6c. 5.如图5所示，圆形的光学仪器(斜线阴影)内有一个半径为2R 的圆形空腔，空腔左面侧壁上有一台激光器，可以沿空腔的直径方向发出在真空中速度为c 的激光束.空腔中放置了一个比空腔略小(半径可视为2R )的折射率为2的透明圆柱状光学材料，光学材料的圆心在空腔的圆心O 点，并且材料中被挖掉了一块半径为R 的截面为半圆形的柱体(圆心和O 点重合)，挖掉的部分为真空.(反射与折射在同一界面时只考虑折射)图5(1)求激光从发出到照射到空腔壁的时间.(2)激光器始终开启，若光学材料围绕空腔圆心O 点顺时针转动90°，空腔壁上能被激光照射到的圆弧长度为多少？(只考虑反射光线照射的圆弧长度)答案 (1)7R c (2)2πR 3解析 (1)光在半圆真空中的传播时间为t 1＝R c光学材料中光速为v ＝c n ，传播距离为3R 传播时间为：t 2＝3R v ＝6R c总时间t ＝t 1＋t 2＝7R c(2)在O 处，光从光密介质射入光疏介质，设发生全反射的临界角为C ，则sin C ＝1n，解得C ＝30°，所以照射的弧长范围为l ＝2πR 3. 6.如图6所示，由两种不同透明介质制成的直角三棱镜甲和乙，并排放在一起刚好构成一截面为正三角形的棱镜，甲的折射率为n 1＝1.5，一细光束由AB 边的中点O 斜射入棱镜甲，已知入射光线在AB 边的入射角的正弦值为sin i ＝0.75，经折射后该光束刚好在棱镜乙的AC 边发生全反射，最后从BC 边射出，已知真空中的光速为c ＝3×108 m/s ，AB 边的长度为l ＝6 cm ，求该细光束在棱镜中的传播时间.图6答案 3.75×10－10 s解析 由题意可知该细光束在棱镜甲中的传播速度为：v 1＝c n 1＝2×108 m/s 设该细光束在AB 边的折射角为θ，由折射定律可得：n 1＝sin i sin θ，得到：θ＝30°由几何关系可知，细光束在棱镜甲中的折射光线与AB 边的夹角为90°－30°＝60°，故折射光线与底边BC 平行，光线进入棱镜乙时传播方向不变.因光束刚好在AC 边发生全反射，由几何知识得到，光线在AC 边的入射角为90°－60°＝30°，即发生全反射的临界角为：C ＝30°设棱镜乙的折射率为n 2，则有sin C ＝1n 2，得到：n 2＝2，则该细光束在棱镜乙中的传播速度为v 2＝c n 2＝1.5×108 m/s 由几何关系可知：OE ＝l 4＝1.5 cm ，EF ＝l 4＝1.5 cm ，FD ＝l 2＝3 cm 则该光束在棱镜中的传播时间为：t ＝OE v 1＋EF ＋FD v 2＝3.75×10－10 s. 7.(2018·沈阳东北育才学校高二下学期期中)如图7所示，有一透明玻璃砖的截面，其上面的部分是半径为R 的半圆，下面是边长为2R 的正方形，在玻璃砖的两侧面距离R 处，分别放置和侧面平行的足够大的光屏，已知玻璃砖的折射率n ＝53，一束光线按图示方向从左侧光屏的P 点射出，过M 点射入玻璃砖，恰好经过半圆部分的圆心O ，且∠MOA ＝45°，光在真空中的传播速度为c .求：图7(1)光在玻璃砖中发生全反射的临界角；(2)光从P 点发出到第一次传播到右侧光屏上所用的时间.答案 (1)37° (2)(322＋4)R 3c解析 (1)设光在玻璃砖中发生全反射的临界角为C ，则：n ＝1sin C ，解得：sin C ＝35，C ＝37° (2)由于光射到玻璃砖的平面上时的入射角均为i ＝45°>C ＝37°，则射到玻璃砖面上的光线发生全反射，其光路图如图所示.由几何知识可得，光在玻璃砖和光屏之间传播的距离x 1＝2(22－1)R传播的时间t 1＝x 1c ＝(42－2)R c光在玻璃砖内传播的距离：x 2＝(42＋2)R光在玻璃砖内传播的速度为v ＝c n ＝35c 光在玻璃砖内传播的时间t 2＝x 2v ＝(202＋10)R 3c光从P 点发出到第一次传播到右侧光屏上所用时间：t ＝t 1＋t 2＝(322＋4)R 3c .。
几何光学基础知识
几何光学基础知识几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。
在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。
在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。
但实际上，上述光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。
所以，几何光学只是波动光学的近似，是当光波的波长很小时的极限情况。
作此近似后，几何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以其简便的方法解决光学仪器中的光学技术问题。
光线的传播遵循三条基本定律：光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。
基于上述光线传播的基本定律，可以计出光线在光学系统中的传播路径。
这种计算过程称为光线追迹，是设计光学系统时必须进行的工作。
几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。
它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。
如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点，则称此点是物点的完善像。
如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。
可以证明，非常*近光轴的细小物体，其每个物点都以很细的、很*近光轴的单色光束被光学系统成像时，像是完善的。
这表明，任何实际的光学系统(包括单个球面、单个透镜)的近轴区都具有理想成像的性质。
为便于一般地了解光学系统的成像性质和规律，在研究近轴区成像规律的基础上建立起被称为理想光学系统的光学模型。
物理光学_精品文档
04 波动光学进阶
电磁波谱与光谱分析
电磁波谱
包括无线电波、微波、红外线、 可见光、紫外线、X射线和伽马射 线等，它们在真空中的传播速度 相同，但波长和频率各异。
光谱分析
通过测量物质发射、吸收或散射 的光的波长和强度，来研究物质 的性质、组成和结构的方法。光 谱可分为发射光谱、吸收光谱和 散射光谱。
物理光学
contents
目录
• 物理光学概述 • 光的波动性质 • 几何光学基础 • 波动光学进阶 • 物理光学实验技术 • 物理光学在科技领域应用
01 物理光学概述
物理光学定义与特点
定义
物理光学是研究光的本质、传播 、散射、干涉、衍射、偏振等物 理现象以及光与物质相互作用的 科学。
特点
物理光学以光的波动性质为主要 研究对象，强调光场的空间和时 间相干性以及光的统计规律，与 几何光学形成鲜明对比。
的衍射图谱。
光的偏振现象
线性偏振
当光通过某些物质（如偏振片）时，只有特定方向的光波 能够通过，其他方向的光波被吸收或反射，这种现象称为 线性偏振。
圆偏振与椭圆偏振
在某些情况下，光波可以分解为两个相互垂直且振幅相等 的线性偏振光波，它们的相位差恒定，合成后的光波呈圆 形或椭圆形偏振。
双折射现象
当光通过某些晶体时，由于晶体的各向异性，光波会被分 解为两个传播速度不同的偏振光波，这种现象称为双折射 。
利用薄膜的反射和透射光 干涉，研究光的干涉原理 和薄膜的光学性质。
迈克尔逊干涉仪
该仪器利用分振幅法产生 双光束干涉，可用于测量 光波波长、折射率等光学 参数。
衍射实验技术
单缝衍射实验
通过单缝衍射实验可以观 察到光波的衍射现象，研 究光的传播特性。
光电子重点
光电子重点1.光学发展的几个阶段光的本性,波粒二像性,光子的特性答:几何光学,波动光学,光子学,光子具有极高的信息容量和效率,光子具有极快的响应能力,光子系统具有极强的互连能力与并行能力,光子具有极大的存储能力。
2.了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点答：EE0co(tkz0)描述了一个在无穷大均匀介质中沿z方向传播的单色的平面行波。
性质：Ｅ与Ｈ相互正交，且垂直波矢k。
传输无发散，同一个波阵面上电场的幅度、相位、振动方向相同，波阵面为无限延展的平面，具有无限的能量（理想模型）。
球面波特点：由点源发出，振幅随传输距离的增加而减小，波阵面为球面，等相面随传输距离的增加而增大，任意一点的波矢垂直于的波阵面，且是发散的。
发散波特点：有限大的波源，有限的能量，波阵面有一定的弯曲，但波矢始终与波阵面垂直。
3.理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示，答：群速度：波包的传输速度，能量或信息的传输速度。
物理意义：vgk光波波前的传播方向矢量表示：能量的传播方向的矢量表示：4.理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角2coi答：反射：透射：Entt0，co[()in]n22Ei0，21/2nrEnconcoco[()in]iinEnconcon1co[()in]nn22conni[()in]()coEnt 0，//1Enconconnt//rnnE2221/222i0，//（Enconco[(n)in](n)co）coi[()ini]n1n1nnnr//2t//1r1tn1nnn垂直入射：r//r12，布儒斯特角：ptan12n1n2n1i2221/2iro,io,1i2t11i2ti2221/2i12221/2i22iro,//to,//1t 2i//111t2i2221/2i22i11n1n22)nn反射率（垂直入射）：反射光强与入射光强之比：124n2n1透射率（垂直入射）：透射光强与入射光强之比：TT//T(nn)212RR//R(5.理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。
新教材高中物理精品课件 几何光学与物理光学的综合
于b光的干涉条纹间距
D.在半圆形玻璃中，b光的传播时间小于a光的传播时间
解析 因为玻璃对 b 光的偏折程度大于 a 光，所以玻璃对 b 光的折射率大于对 a 光的折 射率，所以 b 光频率高，光子能量大，故 A 错误；根据 sin C＝n1可知，b 光临界角小， 现将入射光绕 O 点逆时针转动，则 b 光先消失，故 B 错误；b 光频率高，波长短，根 据 Δx＝dl λ 可知，分别用 a、b 光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a 光的干涉条纹
光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则( D )
A.λ1<λ2，M是波长为λ1的光出射位置
B.λ1<λ2，N是波长为λ1的光出射位置
C.λ1＞λ2，M是波长为λ1的光出射位置
D.λ1＞λ2，N是波长为λ1的光出射位置
图1
解析 由双缝干涉条纹间距的公式 Δx＝dl λ 可知，当两种色光通过同一双缝干涉装置时， 波长越长条纹间距越宽，由屏上亮条纹的位置可知 λ1>λ2；反射光经过三棱镜后分成两 束色光，由图可知 M 光的折射角大，又由折射定律可知，入射角相同时，折射率越大 的色光折射角越大，由于 λ1>λ2，则 n1＜n2，所以 N 是波长为 λ1 的光出射位置，D 正确， A、B、C 错误。
光线分为a、b两束，如图3所示。下列说法正确的是( ACD)
A.a、b一定是平行光线
B.用同一装置进行双缝干涉实验，a光的条纹间距大于
b光的条纹间距
C.a光的频率大于b光的频率
D.从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光的临界角小
图3
解析 因为 a、b 两束光在上表面的折射角与反射后在上表面的入射角分别相等，根据 折射定律可知出射后折射角等于开始时的入射角，所以出射光线一定平行，A 正确；根 据光路图，a 光的偏折程度较大，则 a 光的折射率较大，频率较大，波长短，根据双缝
物理光学与几何光学的区别
物理光学与几何光学的区别物理光学和几何光学是光学学科中的两个重要分支。
它们都研究光的传播和相互作用，但从不同的角度和层面进行研究。
本文将探讨物理光学和几何光学的区别，帮助读者更好地理解这两个概念。
一、光的本质理论物理光学研究光的波动性质，认为光是一种电磁波，具有波粒二象性。
它使用波动方程和麦克斯韦方程组等物理理论来描述光的传播和干涉、衍射等现象。
物理光学强调光的波动性和电磁性质，涉及电磁波的传播、衍射、干涉、偏振等现象。
几何光学则基于几何光学原理，将光看作是“几何光线”，它并不考虑光的波动性质，仅研究光的传播路径和光线与光学系统（如透镜和反射镜等）之间的相互作用。
几何光学的主要研究内容包括光的折射、反射、成像等。
二、适用范围物理光学适用于描述和解释复杂光学现象，比如衍射、干涉和自发辐射等。
它研究光与物质之间相互作用的规律，可以用于解析复杂光学系统中的波动性质。
物理光学的研究内容比较复杂和抽象，需要借助数学工具和物理原理进行描述和推导。
几何光学则适用于处理简单的光学问题，比如光的传播路径、成像和放大等。
它基于光的几何传播，采用射线追迹方法，可以很好地解释光在折射和反射体系中的行为，因此在光学设计和光学工程中得到广泛应用。
几何光学的研究内容相对简单，不需要过多的数学和物理知识即可理解和应用。
三、数学模型的不同物理光学使用波动方程和麦克斯韦方程组等数学模型来描述光的传播和相互作用。
这些方程涉及到波动性质的变量，比如频率、波长、相位等，需要通过求解微分方程或应用数值方法来得到光的分布情况。
物理光学的数学模型相对复杂，需要借助高等数学和物理学知识来理解和应用。
几何光学则使用几何模型来描述光的传播和作用过程。
它使用光线追踪的方法，通过光的射线、入射角、折射率等几何参数来分析光的传播和成像规律。
几何光学的数学模型相对简单，主要涉及到几何图形和射线追踪等基本几何知识，不涉及复杂的数学运算。
四、适用条件物理光学在光学器件设计和实验研究中的应用较为广泛，尤其在衍射、干涉等领域。
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光的几何性与物理性光的几何性与物理性光学包括两大部分内容：几何光学和物理光学。
几何光学（又称光线光学）是以光的直线传播性质为基础，研究光在煤质中的传播规律及其应用的学科；物理光学是研究光的本性、光和物质的相互作用规律的学科。
一、重要概念和规律（一）、几何光学基本概念和规律1、基本规律光源：发光的物体．分两大类：点光源和扩展光源．点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合．光线——表示光传播方向的几何线．光束通过一定面积的一束光线．它是通过一定截面光线的集合．光速——光传播的速度。
光在真空中速度最大。
恒为C=3×108 m/s。
丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大距离测出了光速。
法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出了光这。
实像——光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的．虚像——光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。
本影——光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区．半影——光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域．2．基本规律（1）光的直线传播规律：先在同一种均匀介质中沿直被分解成单色光的现象。
（4）透镜：在光疏介质的环境中放置有光密介质的透镜时，凸透镜：对光线有会聚作用，凹透镜：对光线有发散作用．透镜成像作图：利用三条特殊光线。
成像规律1/u+1/v=1/f。
线放大率m=像长/物长=|v|/u。
说明①成像公式的符号法则——凸透镜焦距f取正，凹透镜焦距f取负；实像像距v取正，虚像像距v取负。
②线放大率与焦距和物距有关．（5）平行透明板：光线经平行透明板时发生平行移动（侧移）．侧移的大小与入射角、透明板厚度、折射率有关。
4．简单光学仪器的成像原理和眼睛（1）放大镜：是凸透镜成像在。
uf时的应用。
通过放大饼在物方同地看到正立虚像。
（2）照相机：是凸透镜成像在u＞2f时的应用．得到的是倒立缩小施实像。
（3）幻灯机：是凸透镜成像在 f＜u＜2f时的应用。
得到的是倒立放大的实像．（4）显微镜：由短焦距的凸透镜作物镜，长焦距的透镜作目镜所组成。
物体位于物镜焦点外很*近焦点处，经物镜成实像于目镜焦点内很*近焦点处。
再经物镜在同侧形成一放大虚像（通常位于明视距离处）。
（ 5）望远镜：由长焦距的凸透镜作物镜，短焦距的透镜作目镜所组成。
极远处至物镜的光可看成平行光，经物镜成中间像（倒立、缩小、实像）于物镜焦点外很*近焦点处，恰位于目镜焦点内，再经目镜成虚像于极远处（或明视距离处）。
（6）眼睛：等效于一变焦距照相机，正常人明视距约25厘米。
明视距离小子25厘米的近视眼患者需配戴凹透镜做镜片的眼镜；明视距离大于25厘米的远视25者需配戴凸透镜做镜片的眼镜。
（二）物理光学——人类对光本性的认识发展过程（1）微粒说（牛顿）基本观点：认为光像一群弹性小球的微粒。
实验基础光的直线传播、光的反射现象。
困难问题无法解释两种媒质界面同时发生的反射、折射现象以及光的独立传播规律等。
（2）波动说（惠更斯）基本观点：认为光是某种振动激起的波（机械波）。
实验基础：光的干涉和衍射现象。
①光的干涉现象——杨氏双缝干涉实验条件：两束光频率相同、相差恒定。
装置（略）。
现象：出现中央明条，两边等距分布的明暗相间条纹。
解释：屏上某处到双孔（双缝）的路程差是波长的整数倍（半个波长的偶数倍）时，两波同相叠加，振动加强，产生明条；两波反相叠加，振动相消，产生暗条。
应用：检查平面、测量厚度、增强光学镜头透射光强度（增透膜）．②光的衍射现象——单缝衍射（或圆孔衍射）条件：缝宽（或孔径）可与波长相比拟。
装置：（略）。
现象：出现中央最亮最宽的明条，两边不等距发表的明暗条纹（或明暗乡间的圆环）。
困难问题：难以解释光的直进、寻找不到传播介质。
（3）电磁说（麦克斯韦）：基本观点：认为光是一种电磁波。
实验基础：赫兹实验（证明电磁波具有跟光同样的性质和波速）。
各种电磁波的产生机理：无线电波自由电子的运动；红外线、可见光、紫外线原子外层电子受激发； x射线原子内层电子受激发；γ射线原子核受激发。
可见光的光谱：发射光谱——连续光谱、明线光谱；吸收光谱（特征光谱）。
困难问题：无法解释光电效应现象。
（4）光子说（爱因斯坦）：基本观点：认为光由一份一份不连续的光子组成每份光子的能量E=hν。
实验基础：光电效应现象。
装置：（略）。
现象：①入射光照到光电子发射几乎是瞬时的；②入射光频率必须大于光阴极金属的极限频率ν。
；③当ν＞v0时，光电流强度与入射光强度成正比；④光电子的最大初动能与入射光强无关，只随着人射光灯中的增大而增大。
解释①光子能量可以被电子全部吸收．不需能量积累过程；②表面电子克服金属原子核引力逸出至少需做功（逸出功）hν。
；③入射光强。
单位时间内入射光子多，产生光电子多；④入射光子能量只与其频率有关，入射至金属表，除用于逸出功外。
其余转化为光电子初动能。
困难问题：无法解释光的波动性。
（5）光的波粒二象性：基本观点：认为光是一种具有电磁本性的物质，既有波动性。
又有粒子性。
大量光子的运动规律显示波动性，个别光子的行为显示粒子性。
实验基础：微弱光线的干涉，X射线衍射．二、重要研究方法1．作图：几何光学离不开光路图。
利用作图法可以直观地反映光线的传播，方便地确定像的位置、大小、倒正、虚实以及成像区域或观察范围等．把它与公式法结合起来，可以互相补充、互相验证。
2．光路追踪法：用作图法研究光的传播和成像问题时，抓住物点上发出的某条光线为研究对象。
不断追踪下去的方法．尤其适合于研究组合光具成多重保的情况。
3．光路可逆法：在几何光学中，一所有的光路都是可逆的，利用光路可逆原理在作图和计算上往在都会带来方便原子物理包括两大部分内容；原子结构和原子核结构。
前者研究原子核外电子的分布及跃迁规律，后者研究核的组成及其变化规律。
一、重要概念和规律1 ．原子核式结构学说（1909年。
卢瑟福）实验基础：α粒子散射实验——用放射源发出的α粒子穿过金箔，发现绝大多数α粒子按原方向前进，少数α粒子发生较大的偏转。
极少数产生大角度偏转，个别被弹回．基本内容：在原子中心有一个带正电的核（半径约10-15 ～10-14 m），集中了几乎全部原子质量、带负电的电子在核外绕核旋转（原子半径约10-10 m）。
困难问题：按经典理论，电子绕核旋转将辐射电磁波，能量会逐渐减小，电子运行的轨道半径不断变小，大量原子发出的光谱应该是连续光谱。
2．玻尔理论（1913年。
玻尔）实验基础氢光谱规律的研究。
基本内容（三点假设）（1）原子只能处于一系列不连续的、稳定的能量状态（定态），其总能量En（包括动能和电势能）与基态总能量量的关系为En=E1 /n1 （n＝1、2、3……）（2）原子在两个定态之间跃迁时，将辐射（或吸收）一定频率时光子；光子的能量为hν = E初 -E终。
（3）电子绕核运行的可能轨道是不连续的。
各可能轨道的半径rn =n2 r1 基态轨道半径r1。
（n=1、2、3……）。
困难问题无法解释复杂原子的光谱．3. 放射现象（1896年．贝克勒尔）三种射线（1）α射线氦原子核流。
v≈c/10。
贯穿本领很小。
电离作用很强。
（2）β射线高速电子流。
v≈c。
贯穿本领强，电离作用弱。
（3）γ射线波长很短的电磁波。
v=c。
贯穿本领很强，电离作用很弱。
衰变规律遵循电量、质量（和能量）守恒。
α衰变、β衰变、γ衰变（γ衰变是伴随着α衰变或β衰变同时发生的）。
半衰期：放射性元素的原子读有半数发生衰变所需要的时间。
由核内部本身因素决定．跟原子所处的物理状态或化学状态无关．4．原子核的组成实验基础（1）质子发现（1919年，卢瑟福）（2）中子发现（1932年，查德威克）基本内容原子核由质子和中子（统称核子）组成．原子核的质量数等于质子数与中子数之和．原子核的电荷数等于质子数。
各核子间依*强大的核力来集在核内。
5．放射性同位素质子数相同、中子数不同，具有放射性的原子。
实验基础：用α粒子盖击铝核首先实现用人工方法得到放出性同位素磷（1934年，约里奥·居里夫妇）。
基本应用（1）利用射线的贯穿本领、电离作用或对生物组织的物理、化学效应。
（2）做为示踪原子。
6. 核能质量亏损：组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差．质能方程：E=mc2核反应能：△E=△mc2二、重要研究方法1．实践-理论-实践从实践（实验）出发，提出理论，再经过实践的检验或进行新的实践一进一步发展理论。
例如，通过对气体放电现象、阴极射线的研究．汤姆生发现电子（1897年），提出原子结构的汤姆生模型。
由于卢瑟福的粒子的散射实验，进一步发展成卢瑟福模型。
通过对氢原子明线光谱的研究，又提出了玻尔理论等。
在原子物理中，非常鲜明地贯穿着辩证唯物主义认识论的这一基本思想方法。
复习中也应以此为线索，把握全章的知识结构。
2. 守恒规律的应用质量守恒、电荷守恒、能量守恒、动量守恒等自然界中的基本规律在原子物理中都得到全面的体现．复习中应紧紧把握这些守恒规律光的传播1.光在什么情况下是沿直线传播的，小孔成像是怎么回事，什么是本影和半影，如何确定本影、半影的区域？如何确定影子的运动状态？在何时、何地可以观察到日全食、日偏食、日环食、月全食、月偏食？你知道几种典型的测量光速的方法吗？你能体会出为什么这一章又被称为几何光学吗？2.什么是光的反射定律，镜面反射和漫反射的主要区别是什么？平面镜的成像特点是什么？如何确定平面镜成像的观察范围？我要想看到完整的脸，至少需要多大的矩形平面镜？那我要想看到完整的三中办公楼呢？如何确定物像的运动速度（速度垂直镜面和不垂直镜面两种情况）？3.什么是折射定律？与折射率相关的几个表达式分别是什么？如何计算光射入介质后的波长、波速和频率？什么是视深？4.什么是光疏介质、光密介质，全反射的条件是什么？在求解全反射问题时，一般采用什么解题方法？什么是光导纤维？在已知入射角的情况下如何计算光导纤维的折射率，如果入射角未知呢？5.什么是光的色散，产生的原因是什么？各种色光的频率、折射率、速度有什么规律？你能定性画出不同色光在界面上发生反射、折射时的情景吗？反之根据这些情景你有能判断出各色光的折射率、频率、能量、临界角的大小吗？6.你了解几种典型的玻璃砖对光路的控制特点吗？在三角形玻璃砖中，你知道几个典型角的关系吗？单色光、复色光、单色光点、复色光点通过三棱镜会呈现什么景象呢？如果光疏棱镜放在光密介质中，上述现象还成立吗？在圆形玻璃砖中，你知道如何确定法线，如何确定是否发生全反射，如何计算各次的偏折角吗？在矩形玻璃砖中，你会求侧移距离吗？你能利用一个杯子测量液体的折射率吗？光的本性1.十七世纪人们关于光的本性的认识有哪些观点？分别能解释什么，无法解释什么？2.什么是双缝干涉、薄膜干涉，它们的相干光源是如何得到的，使用单色光和复色光时其干涉图样怎样？如何判断某个点是加强点还是减弱点。