新概念光学第一章
《光学》课程教学大纲
《光学》课程教学大纲一、课程说明本课程总授课时数为学,周学时，学分分，开课学期第三学期。
.课程性质：专业必修课光学是物理学专业本科生必修的基础课程。
光学是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。
学好光学，既能为物理学专业学生进一步学习原子物理学、量子力学、相对论、电动力学、现代光学、光电子技术、激光原理及应用、光电子学、光子学等课程准备必要的前提条件，又有助于进一步探讨微观和宏观世界的联系与规律。
通过本课程的教学，使学生系统地掌握基本原理和基本知识，培养分析问题、解决问题的能力，通过讲授（包括物理学的历史和前沿的讲授）帮助学生建立辩证唯物主义的观点，提高学生的科学素质。
从兰州大学物理学院课程的整体设置出发，考虑到物理基地班与普通班的各自办学特点和人才培养的要求，对光学课程的教学内容进行适当的调整，适当压缩几何光学部分，删除原课程中与其他学科相重复的部分以及相对陈旧的内容，吸收利用最新科学研究成果，着重加强现代光学部分的讲授内容，并注意介绍光学研究前沿新动态，按照物理学近代发展的要求和便于学习的原则组织课程体系。
通过本课程的教学，使学生系统地掌握基本原理和基本知识，培养分析问题、解决问题的能力，通过讲授（包括物理学的历史和前沿的讲授）帮助学生建立辩证唯物主义的观点，提高学生的科学素质。
.课程教学目的与要求()了解光学发展的基本阶段，培养科学研究的素质，加深辩证唯物主义的理解。
()了解光学所研究的内容和光学前沿研究领域的概况，培养有现代意识、有远见的新一代大学生。
()掌握光学的基本原理、基本概念和基本规律。
培养掌握科学知识的方法。
()掌握处理光学现象及问题的手段和方法。
培养科学研究的方法。
()光学是当前科学领域中较活跃的前沿学科之一，它与科学和技术结合日益加强，在教学中要展现现代光学技术的成就。
()在教学中要注意培养学生严谨的治学态度，引导学生逐步掌握物理学的研究方法和培养浓厚的学习兴趣。
最新应用光学第一章PPT课件
Applied Optics
❖ 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性， 那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光 抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统 成像。
问题变得简单 而且实用！
20
Applied Optics
几何光学：以光线为基础，用几何的方法来研究光在
介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
《墨经》 欧几里德《反射光学》 阿勒·哈增《 光学全书》 开普勒、斯涅尔、笛卡儿、费马
折射定律的确立，使几何光学理论得到很快的 发展。
13
Applied Optics
应用光学研究内容
❖研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的 原理和应用。 ❖“应用”包含两层意思：
1、作为粒子看待 2、涉及具体的光学系统
24
Applied Optics
三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向 四周传播，形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位相 同的点构成的面 称为波面
波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方 向，波面上的法线束称为光束
25
Applied Optics
❖ 同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波
54
Applied Optics
物像的虚实
在凸透镜2f 外放一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏， 当纸屏放到某一位置时，会在屏上得到蜡烛清晰的 像。
※ 由实际光线成的像，称为实像。
如电影，幻灯机，照相机成像
55
Applied Optics
有的光学系统成的像，能被眼睛看到，却无法 在屏上得到
F’ F’
40
Applied Optics
n' B
(整理)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：1.费马原理认为光线总是沿一条光程最短的路径传播；2.费马原理认为光线总是沿一条时间最短的路径传播；3.费马原理认为光线总是沿一条时间为极值的路径传播；4.按照费马原理，光线总是沿一条光程最长的路径传播；5.费马原理要求光线总是沿一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，因而不满足费马原理。
§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；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必定可以引起人眼的视觉；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-------------。
最新物理光学与应用光学第一章 PPT课件ppt课件
一、课程性质、目的和任务
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1. 性质： 专业基础课
后续课： 激光原理、光纤通信原理与系统、光 电传感技术等
2. 目的： 基本原理
知识的应用
分析问题方法
3. 教学内容： 电磁场基本知识 光的干涉、衍射
晶体光学 光与物质的作用 课时分配 48课时
2013/2014(1)
2013/2014(1)
光电工程学院
3
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Ⅰ、萌芽时期
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对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光 学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。
代表人物和成 A、就墨：翟：
在他和其弟子所著的 《墨经》中，对 光现象有八条定性记载
墨翟（公元前468～376年）
B、欧几里德： 在其著作 《光学》一书中提出触须学说：
德布罗意（法， 1892～1989 ）提出物质波假说，戴维孙 与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性
实物粒子与光一样 具有波（Wave）、粒（Particle）二象性
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Ⅴ 、现代光学时期
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自1960年梅曼（美，1927~2007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的
发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红
光电工程学院
2
一、课程性质、目的和任务 4. 成绩评定
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平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30％
期末考试： 70％
5. 学习方法
掌握重点
培养兴趣
独立思考 主动质疑
6. 参考书
《物理光学》， 刘晨 . 合肥工业大学出版社. 2007年 《光学原理与应用》，廖延彪. 电子工业出版社. 2006年 《光学习题课教程》，郑植仁. 哈尔滨工业大学出版社. 2006年
光学教程第一章2
在屏幕上y处发生重极时，满足：
y (j 1 )r 0 /d j( ) r 0 /d (j j )r 0 /d
当 j 即 1
j发 生重级 。
干涉级次越高重叠越容易发生。
六、干涉条纹的移动
（1） r0 和d 一定时，改变
r 0 r 0 y
五、干涉条纹的特点和本质：
①单色光的干涉图样中相邻亮条纹或相邻暗条纹 的间距与干涉级次无关；
②干涉是一种对光波的空间周期性（波长）变换 成干涉条纹的空间周期性，也是一种放大作用；
③可以用来测量波长；
④ 白光做光源时，j=0为白色，其余为彩色，且 内紫外红（相对j=0）。 •干涉条纹级数较低时，各种波长的干涉条纹发生 重叠； •当级数较高时，重叠情况变得严重，无法观察到 干涉条纹； •因而进行干涉实验，采用单色光源比较好。
总结
1.光振动的相干叠加条件： a. 光波频率相同 b. 光矢量振动方向相同 c. 有固定的相位差
两补充条件： ★两光波在相遇处振幅不能相差太大。 ★两光波在相遇处相位不能相差太大。
§1.2 由单色波叠加所形成的干涉花样
• 光程和光程差 • 干涉图样的形成
一、波的方程与光程
1．波的方程
r
P
S
I A12A222A1A2cos2(1)
((A A11 A A22))22
当21 j2 当21 j2
表明 j =0，±1，±2，··· 时有强度极大或极小的分布
j 取其它值，则强度介乎极大与极小之间。
注意：2 1 一个确定，值 是与P点位置联系在
2
(nr1 nr2)(02
01)
若在观察时间内 (0201) 保持不变，则认两个振
光学第一章新-精品
22
第一章 几何光学的基本定律
1.2 成像的基本概念与完善成像条件
1．光学系统与成像概念
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
物体上的每一点经过光学系统后所成像点的集合 就是该物体的完善像
介质的折射率:
n c
因为
v
不同颜色（波长）的光在介质中的传播速度v不同
不同波长光的折射率不同 一束白光入射时，不同波长的折射角不同
色散
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等腰三角形截面棱镜 的偏向角:
界面上的 折射定律：
siin1nsiin2
sii1n 'nsii2 n'
几何关系：
⊿EGF -- ( i 1 i 2 ) ( i 1 ' i 2 ' ) ( i 1 i 1 ' ) ( i 2 i 2 ' )
3、波面：发光点发出的光波向四周传播，某一时刻其振动位 相相同的点组成的面。
3
第一章 几何光学的基本定律
1.1 几何光学基本定律
1.1.1 几何光学的点、线、面（2）
光线概念的优点与缺陷：
1、采用光线概念的意义： 用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、日食 、月食
绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的 2、光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题，所以称之为几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时， 再采用物理光学的原理。
s
B
ndl0
A
对于均匀介质，由于两点之间的直线距离为最短，因此 光总是沿着直线传播
新概念物理教程-光学
§2 光的几何光学传播规律
一．几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统后成像的 理论。 二．几何光学中光的物理模型 光线：任意一点可以向任一方向发出直线，称为光线。光的 直线传播、反射和折射都可以用直线段及其方向的改变表示。 几何光学是关于光的唯象理论 无数光线构成光束 在几何光学领域，也无法定义诸如波长、频率、能量等物理 量。
19世纪末20世纪初是物理学发生伟大变革的时代，从牛顿力 学热力学和统计力学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学已形成 一套严整的理论体系。人们认为物理学中的各种基本问题在原则 上都已得到完善解决，经典物理理论体系囊括了一切物理现象和 基本规律，剩下的似乎只是解微分方程和具体应用的问题了（大 厦已建成，后人只做修补就行了）。然而，“正当人们欢庆这座 宏伟的经典物理学大厦落成的时候”，一个个惊人的发现使经典 物理学理论重新陷入困境。 1887年，迈克尔逊（A.A.Michelson）利用光的干涉效应， 试图探测地球“以太风”的存在，但得到了否定的结果。以“以 太（静止、充满整个宇宙）”为背景的绝对时空观遇到了根本性 的困难。 随后瑞利（L.Rayleigh）和金斯(J.H.Jeans)根据统计力学 和电磁波理论，导出了黑体辐射公式，该公式要求辐射能量随频 率的增大而趋于无穷（紫外灾难)。
中波
•可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 波长(nm) 红 橙 黄 绿 青 760~622 622~597 597~577 577~492 492~470 频率(Hz) 中心波长 (nm) 660 610 570 540 480
最新第一章：几何光学基本定律与成像概念 工程光学课件课件ppt
（2）光的独立传播定律 （3）光的折射定律 （4）光的反射定律
1.光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中，光线按直线 传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。
2.光线的独立传播定律 不同的光线以不同的方向通过某点时，
彼此互不影响，在空间的这点上，其效果是 通过这点的几条光线的作用的叠加。
质且入射角 I 增大到某一程度时，折射角I '
达到 90o，折射光线沿界面掠射出去，这时的
入射角称为临界角，记为I m 。
由折射定律公式
sI m i n 'n sI '/ i n n 's 9 o i / n n 0 n '/ n
若入射角继续增大，入射角大于临界角 的那些光线不能折射进入第二种介质，而全 部反射回的一种介质，即发生了全反射现象。
发生全反射的条件可归结为: （1）光线从光密介质射向光疏介质； （2）入射角大于临界角。
光纤光纤通常用d = 5-60μm的透明丝作芯料，为光密介 质；外有涂层，为光疏介质。只要满足光线在其中全反 射，则可实现无损传输。
光纤按折射率随r分布特点可分为均匀光纤和非均匀光纤 两种。其中非均匀光纤具有光程短，光能损失小，光透 过率高等优点。
例如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个 发光点。
在几何光学中，发光体与发光点概念与物理学中完全不同。
无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称 为发光体。在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的 几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点 为发光点，或称为点光源。
3、光线
把大量光纤集成束，并成规则排列即形成传像束，它可把 图像从一端传递到另一端。目前生产的传像束可在每平方 厘米中集5万像素。
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二、光源与光谱
1、热辐射
★温度辐射——在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射， 如太阳、白炽灯、烧红的铁等。
2、光的非热发射
⑴ 一些基本概念
02
2
02
T 2
同一种介质，通常只写： I E02
三、光学的研究对象、分支与应用
1、几何光学 线 直线传播、反射、折射、成像 ……应用光学
2、波动光学 波 干涉、衍射、偏振、光速—介质波 3、量子光学 粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应
——光子…… 德布罗意波—概率波……波粒二象性 4、现代光学 光子学 激光、光纤通信、非线性光学
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？
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
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
颜色
黄（D双线）
紫 蓝 绿 黄
镉（Cd）
634.8
红
氪（Kr）
605.7
橙
⑵ 光强度
r r r ★坡印亭矢量：电磁波的平均能流密度、平面电磁波是横波 S EH
Hale Waihona Puke ★坡印亭矢量的大小rr S EH
r0 E2
r 0
★关系式
r0 E r0 H
平面电磁波是横波
c 1
0 0
n r
★光强度——波动观点 ——电磁波的平均能流密度S
集成光学、信息光学、超快速光学…… ●光子计算机 并行、宽带、高速、准确
§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 i i
(3) 讨论： ① 与 n 无关；无色散。
② i i 则 i i ，
在光波频段： r 1
r0 E r0 H
c 1
0 0
n r
S EH E
0r E 0r
0 0
r E2
n
c0
E2
I S
S
1 T
T
Sdt
nE02
0
Tc0
T 0
cos2 (t
)dt
n
2c0
E02
T 1 [1 cos 2( t)]dt 1 T sin (2 t 2) T 1 T
⑵ 利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。
⑶ 光纤通信就是利用全反射原理
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 L 常量
★电致发光——电场补给能量……日光灯 ★荧光——电磁波或电子束作用下……电子显象管
★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： 7.51014 Hz 4.11014 Hz
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
n0 cos0 n1 cos1 n2 cos2 L 常量
i 90o
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
三棱镜的折射
3、三棱镜的最小偏向角
过程略（见课本P12-13）
当 i1 i1, 亦i2 i2
有
sin min
★光速——常数 c 299792458m/s 3108m/s
★单色光——谱线宽度：
连续光谱
线光谱
★复色光——谱密度 i() dI d
I
0
dI
i()d
0
典型谱线
元素 钠（Na）
汞（Hg）
谱线波长/nm
589.0，589.6
404.7，407.8 435.8 546.1（最强） 577.0，579.1
(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 光学纤维（光导纤维）
1、全反射
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
ic
arcs in
n2 n1
n1 sin ic n2 sin 90
全反射
对称：光路可逆
③ 漫反射现象之解释
光的反射与折射
3、折射定律
(1) 文字表述（略）；
(2) 数学表式 (3) 讨论
sin sin
n1 i1
i2
sin i1 v1
v2
n2 n2
n1
sin i2 ,n
c v
①
色散现象
sin i2
n1 n2
sin
i1
f (n)
f ()
② 光疏媒质与光密媒质之相对性
n
2
sin
2
★此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行
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. 光纤连接口 2. 狭缝 3. 滤波片 4. 准直镜 5. 分光原件（光
栅、或棱镜） 6. 准直镜 7. 聚光透镜 8. 探测器 9. CCD、光电探