大学物理下册课件第十四章 光学-几何光学(lou).ppt

第二部分光的干涉 第十四章光学 第三部分光的衍射 第四部分光的偏振 第一部分几何光学 本章在简单介绍几何光学的基本原理后 主要讨论光的波动性 光的粒子性在近代物理中介绍 第一部分几何光学 14 5薄透镜 14 4光在球面上的反射和折射 14 3光在平面上的反射和折射 14 2几何光学基本定律 14 1关于光的本性的认识发展简史 傅科测出光在水中的速度小于空气中速度 决定性判据 17 19世纪 牛顿的微粒说 惠更斯的波动说 光是从光源发出的微粒流 光是介质 以太 中的机械波杨氏双缝实验显示干涉现象 开始占统治地位 19世纪初 波动说 惠更斯 菲涅耳原理能解释光直线传播和衍射现象 1850年 波动说 获得更多的支持 14 1关于光的本性的认识发展简史 解释与实物作用过程 光的吸收与发射 中发生的现象 解释传播过程 反射 折射 干涉 衍射和偏振 中发生的现象 赫兹实验证实了光是电磁波的预言 19世纪60年代 麦克斯韦电磁波理论 光电效应 康普顿效应等不能用波动说解释 20世纪初 波动理论遭遇困难 光具有波粒二象性 表现为粒子 表现为波动 在远近有端 小孔 于光 故景库 倒像 内也 一 光的直线传播定律 墨经 两千年前 对针孔成像的记载 这种几何线称为光线 在均匀介质中光沿直线传播 光线为直线 14 2几何光学基本定律 壁 高 下 首 高 下 足 下光 上光 屏 午 端 景库 光之入照若射 针孔成像是光沿直线传播的典型实例 用带有方向的几何线表示光的传播方向 光线因折射向上弯曲 非均匀介质中光线将因折射而沿曲线传播 炎热夏日的阳光下 远处路面似乎是潮湿的 冷空气 热空气 产生错觉的影像 二 光的反射和折射定律 反射定律 反射光线在入射面内 且i i 法线 入射面 i i r n1 n2 折射定律 折射光线在入射面内 且 第一介质和第二介质的绝对折射率定义为 两种介质的相对折射率定义为 v1 v2分别为光在两介质中的速度 三 全反射 n1 n2 采用尼康6mm鱼眼镜头拍摄的照片 全反射 水折射率n1 1 33 空气折射率n2 1 0 2 49 98 的空间范围 全反射刚好出现时的入射角ic称为全反射的临界角 鱼从水中往天上看时 得到 当光线从光密介质抽射到光疏介质上时 全反射的应用 全反射棱镜 45 45 45 改变光的行进方向 角锥棱镜 光导纤维 传递光能或光信息 作为反射器 45 45 自行车反光片 v1为光在折射率为n1的介质中的传播速度 折射率的定义为 设 1分别为光在真空中 介质中的波长 四 光程 设 为单色光的频率 c为光在真空中的传播速度 则 S P 折射率与几何路程的乘积nr称为光程 n r n r 光在介质中所走过的路程折算成 S到P的光程为 光程 光波经过两种介质 则在相同的时间内 光在真空中走过的路程为 在折射率为n的介质中光传播的速度为v 光在介质中走过路程为r 所需要的时间为r v 相同时间内光在真空中的路程 一个发射光线的光源与几何点一样 只有几何位置而没有大小 单心光束 发散光束 点光源物点 像点实像 14 3光在平面上的反射和折射 像点虚像 这样的光源称为点光源或物点 平面是最简单的光学系统 n1 S 一 平面反射成像 n2 S 点光源物点 像点实像 像点虚像 n1 S n2 S 虚物点 对称平面 当人眼的观察位置移动 二 平面折射成像 发散光束 人眼看到的物点的近似像点 焦散曲线 近似像点 所观察到的虚像点位置也随之移动 平面折射的情况下不能理想成像 近轴条件 球面 主光轴 球面中心 14 4光在球面上的反射和折射 顶点 一 近轴条件下单球面的反射 物距 像距 根据反射定律得 i i AC为角平分线 反射点或折射点与顶点之间圆弧的圆心角很小 物点到主光轴的距离远小于球面的曲率半径 近轴条件下 角 u与 u 都很小 得 代入上式得 即得球面反射镜在近轴条件下的反射公式 物点在无穷远处 焦距 焦点 焦点的共轭点是无穷远点 物点S放置在主光轴上的无穷远处时有 焦距 焦点 对于凸面镜 f 0 s 0 则s 恒为正值 无论物体放在镜面前何处 得到的都是虚像 虚像点 发散光束 在近轴条件下折射定律可写为 二 近轴条件下单球面的折射 实像点 n i n i 将三角关系 代入上式得 近轴条件下 角 u与 u 都很小 得 物距 像距 即得单球面在近轴条件下的折射公式 像方焦点F 像方焦距 当像点位于像方无穷远处时 物方焦点F 物方焦距 可得高斯公式 当入射光为与主光轴平行的平行光时 由两个共轴折射曲面构成的光学系统称为透镜 14 5薄透镜 若透镜的厚度比焦距小很多 则称为薄透镜 六种基本透镜类型的主截面 采用逐次成像法进行推导 一 薄透镜成像的基本公式 物距 对O2是虚物点 第一球面O1折射后成像于S 像距 对于球面O2 对O2是物距 两式相加得 空气中n1 n2 1 二 焦点焦距焦平面副光轴 F 平行光会聚于焦点 焦点发出的光成平行光 像方焦距 主光轴 像方焦点 焦平面 主光轴 同相面 A B 物方焦点 由得 f F f 物方焦距 由得 像方焦距f 表征薄透镜的会聚与发散光束的能力 薄透镜成像的高斯公式 像高与物高之比b称为成像的横向放大率 空气中的薄透镜 f 0的透镜为发散透镜 f 0的透镜为会聚透镜 结论 理想的薄透镜不会