几何光学基本原理习题及答案

1、第三章几何光学基本原理1 证明反射定律符合费马原理。证明：费马原理是光沿着光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。Bnds = min . max 或恒值a，在介质n与n的界面上，入射光 A遵守反射定律ii；,经0点到达B点，如果能证明从 A点到B点的所有光程中 AOB是最小光程，则说明反射定律 符合费马原理。设C点为介质分界面上除 0点以外的其他任意一点，连接ACB并说明光程厶 ACB光程.：AOB由于：ACB与厶AOB在同一种介质里，所以比较两个光程的大小，实际上就是比较两个路程ACB与 AOB的大小。从B点到分界面的垂线，垂足为 o，并延长B0 至 B ，使O B丄O B，连接 O B

2、，根据几何关系知OB =OB 1再结合ii二叮，又可证明/ AO B丄180 ,说明AO B 三点在一直线上，AO B 与 AC 和 C B 组成 AC B , 其中 AO B AC C B 又AO B = AO O B = AO - OB = AOB.AOB AC CB = ACB即符合反射定律的光程 AOB是从A点到B点的所有光程中的极小值，说明反射定律符 合费马原理。2、根据费马原理可以导出在近轴光线条件下，从物点发出并会聚到像点的所有光线的光程 都相等由此导出薄透镜的物象公式。证明：由 QBAFBA得：OFAQ=BOBQ=fsF同理，得 OABA=f s ,BOBA=fs由费马定理：N

3、QA+NQ丄NCP结合以上各式得：(0A+0B)BA=1得证3 .眼睛E和物体PQ之间有一块折射率为 1.5的玻璃平板(见题3.3图),平板的厚度d为30cm. 求物PQ的像 与物体PQ之间的距离 为多少？解：由题意知光线经两次折射后发生的轴向位移为：” 12pp = d (1) = 30 (1) =10 cmn3，即像与物的距离为10 cm4 .玻璃棱镜的折射棱角A为60度,对某一波长的光其折射率为1.6.计算(1)最小偏向角；(2)此时的入射角;(3)能使光线从A角两侧透过棱镜的最小入射角.i0 AA解：由最小偏向角定义得n=sin2 /sin 2 ,得二0 =4616“ A由几何关系知，

4、此时的入射角为：i=2=5 38，1 1 1 6 当在C处正好发生全反射时：i2 = sin -=38 41 ,i 2=A- i 2 =21 19. -1i1= sin (1.6sin21 19 )= 35 34-i min =353 4 5.图示一种恒偏向棱角镜，它相当于一个30度-60-90度棱镜与一个45度-45度度棱镜按图示方式组合在一起白光沿i方向入射，我们旋转这个棱镜来改变二1，从而使任意一种波长sin 日1= 口 _ 口的光可以依次循着图示的路径传播，出射光线为r.求证：如果2则二2-二，且光束i与r垂直(这就是恒偏向棱镜名字的由来).n1若 sin 二1= 2 ,则 sinii

5、 = 2 , ii=30则 i2=30-i2 = nsin.才 =90。,而二二2 =90。, - i 得证。6 .高5 cm的物体距凹面镜的焦距顶点12cm ,凹面镜的焦距是10 cm,求像的位置及高度,并作光路图.7 .个5 cm高的物体放在球面镜前10cm处成1cm高的虚像.求（1）此像的曲率半1 1 1+ =解: f :-10 cm , s-12 cm又 s sf11 1+ = _ 12s10，即 s = 60 cm ,P =F yF sysy ys.s =-25cm即像在镜前60cm 处，像高为25cm径；（2）此镜是凸面镜还是凹面镜?解：由题知物体在球面镜前成虚象，则其为反射延长线

6、的交点,-r = 5 cm 0，所以此镜为凸面镜。8.某观察者通过一块薄玻璃板去看凸面镜中他自己的像. 他移动着玻璃板，使得在玻璃板 中与在凸面镜中所看到的他眼睛的像重合在一起， 若凸面镜的焦距为10 cm ,眼睛距凸面镜 顶点的距离灵40cm,问玻璃板观察者眼睛的距离为多少 ？解：根据题意，由凸面镜成像公式得:11 1 一 1 1 1+ = 、 = 、s = 8 cm s s s4010d=24 cm凸透镜物点与像点的距离 d =s s= 48cm ,则玻璃距观察者的距离为9物体位于凹面镜轴线上焦点之外，在焦点与凹面镜之间放一个与轴线垂直的两表面互相平行的玻璃板，其厚度为d1,折射率为n.试

7、证明：放入该玻璃板后使像移动的距离与把凹面镜向 物体移动d(n-1)/n的一段距离的效果相同。解：证明：将玻璃板置于凹面镜与焦点之间，玻璃折射成像，由三题结果得d0 = d(l-ln)，即题中所求。10.欲使由无穷远发出的近轴光线通过透明球体并成像在右半球面的顶点处 折射率为多少？，问这透明球体的n n n -n解：设球面半径为r，物距和相距分别为 s和s ,由物像公式：s s rS=二,s =2r,n=1,得 n=211.有一折射率为1.5,半径为4cm的玻璃球，物体在距球表面 6cm处，求(1)物所在的像到球心 之间的距离;(2)像的横向放大率.n n n - n,n = 1.5, n =

8、 1,r 二 4cm解： s s r的玻璃球。对第一个球面，s _ -6cm1 .511 .51s64s = -36 cm对第二个球面s2 = -36 -8 = -44 cm11.511.5s2-44- 4. s2 二11从物成的像到球心距离01 =S2 r =15Cm=1 .512.一个折射率为1.53,直径为20cm的玻璃球内有两个小气泡看上去一个恰好在球心，另一个 从最近的方向看去，好像在表面与球心连线的中点.求两气泡的实际位置解：由球面镜成像公式:，当s =日时，s= r,气泡在球心。r当s = 2时，s=6.05cm，气泡在距球心 3.95 cm处。13.直径为1m的球形鱼缸的中心处

9、有一条小鱼，若玻璃缸壁的影响可忽略不计 ，求缸外观察者所看到的小鱼的表观位置和横向放大率.n n n - ns =r=15cm，即鱼在原处。解：由：s s r ，又 s=r，y s n3 = y = s n =1.3314.玻璃棒一端成半球形，其曲率半径为2 cm.将它水平地浸入折射率为1.33的水中，沿着棒的轴线离球面顶点8cm处的水中有一物体，利用计算和作图法求像的位置及横向放大率，并作光路图.1 .51 .331.5 - 1 .33s = 18 cms - 821.33(T8)21 .5(一8)1 .523二二 17 .65 cm1 .5 1.330.17 nr1.3322 .66=15

10、 .65 cm n_n-1 .5 -1.330.1715.有两块玻璃薄透镜的两表面均各为凸球面及凹球面，其曲率半径为 10cm. 一物点在主轴上距离20cm处,若物和镜均浸在水中，分别用作图法和计算法求像点的位置.设玻璃的折射率为1.5,水的折射率为1.33.解：（！）对于凸透镜：由薄透镜焦距公式得:=-39.12 ,得fT37 .4cm .即透镜的折射率为1.54,在CS2中的焦距为-437.4cmf f1由透镜成像公式：s s ，s=20cm，得s =-40.92（2）对于凹透镜：由薄透镜焦距公式得：f= -f=39.12f f1由透镜成像公式:s s ，s=20cm，得s =-13.21

11、6.凸透镜在空气中的焦距为40cm,在水中时焦距为 136.8cm,问此透镜的折射率为多少（水n2 n )设n1解：由题意知凸透镜的焦距为:的折射率为1.33）?若将此透镜置于 CS2中（CS2的折射率为1.62）,其焦距又为多少？又在同一介质中1n11( 1)( )fnnr21 1因为对同一凸透镜而言 n 2是一常数,1n(1)t设fn，当在空气中时n1=1,f1=40，在水中时山=1 .33 , f 2= 136 .81n(1)t4011n(1 )t136 .81.33两式相比，可n=1.54，将其代入上式得17两片极薄的表玻璃，曲率半径分别为 20cm和25cm.将两片的边缘粘起来，形成

12、内含空气的 双凸透镜，把它置于水中，求其焦距为多少？解：由薄透镜焦距公式:fn2 n- )L其中 n=1,ni=n-=1.33, ri=20cm,r-=25cm,得=-44.8cm18.会聚透镜和发散透镜的焦距都是10cm,求(1)与主轴成30度的一束平行光入射到每个透镜上，像点在何处?(2)在每个透镜左方的焦平面上离主轴1cm处各置一发光点，成像在何处？作出光路图.f f1解：由 ss , s =:,对于会聚透镜：s x= f =10cm, s y= s xtg30 =5.8cm 或者s y= s ；tg(-30 )=-5.8cm ,像点的坐标为(10,|5.8|)同理，对于发散透镜：像点的

13、坐标为(-10，|5.8|)ff1:，即经透镜后为一平行光束。由ss,s =f ,对于会聚透镜：s x=:y ss”p _ _ s yy对于发散透镜：s x=-5cm, 又y,s =0.5cm,sy = y考虑到物点的另一种放置，s =-o.5cm，像点的坐标为（-5,|0.5|）20.比累对切透镜是把一块凸透镜沿直径方向剖开成两半组成，两半块透镜垂直光轴拉开一点距离，用挡光的光阑K挡住其间的空隙（见题3.20图）,这时可在屏上观察到干涉条纹已知点光源P与透镜相距300cm，透镜的焦距f =50cn两半透镜拉开的距离t=1mm,光屏与透镜相距l=450cm.用波长为632.8nm的氦氖激光作为

14、光源，求干涉条纹的间距题3.20图解：分成两半透镜，对称轴仍是PKO,P 1 ,P2构成两相干光源，相距为d, , s = fs（ f +s）=60cm, r0=L- S =390cm,上半透镜相当于 L的主轴与光心上移 0.5mm, 下半透镜相当于 L的主轴与光心下移 0.5mm,d=2y +t=0.12cm.= r0 /d=2.056mm.21.把焦距为10cm的会聚透镜的中央部分 C切去,C的宽度为1cm,把余下的两部分粘起来（题 3.21图）.如在其对称轴上距透镜5cm处置一点光源，试求像的位置.解：该透镜是由A、B两部分胶合而成，这两部分的主轴都不在光源的中心轴线上，A部分的主轴在系

15、统中心线下方0.5cm处，B部分的主轴系统中心线上方0.5cm处，nnn _n1由透镜成像公式：ss ,经A成像得s =-10cm ,经B成像的s =-10cm ,这两个像点在垂直于主轴的方向上的距离为3cm.题3.21图2 2. 折射率为1.5的薄透镜，其凸面的曲率半径为 5cm,凹面的曲率半径为15cm，且镀上银（见题3.22图）.试证明：当光从凸表面入射时，该透镜的作用相当于一个平面镜.（提示:物经过凸面折射，凸面反射和凹面再次折射后,s $b=1J解：经第一界面折射成像：n nn-ns s r 其中，n =1.5 , n= 1, r = r !=5cm, s= s11 1 1 =+.s

16、 1 .51.5s题3.22图经第二界面（涂银面）反射成像:1 1 2S S r，其中，s =s2 , s =s1 , r =r 1=15cm丄_L 1s215s再经第一界面折射成像:s S r , n=i , n= 1.5, r = r =5cm, s=s3 , s = s2s1s1s2s3Pl _ Si _ sP2 _ sl P 3 _ s2三次成像后的放大率：二_1 2 3=1 , 所以当光从凸表面入射式，该透镜的作用相当于一个平面镜。23. 题3.23图所示的是一个等边直角棱镜和两个透镜所组成的光学系统棱镜折射率为1.5,凸透镜的焦距为 20cm,凹透镜的焦距离为10cm，两透镜间距为

17、5cm,凸透镜距棱镜边的距离为10cm.求图中长度为1 cm的物体所成像的位置和大小.（提示:物经棱镜成像在透镜轴上，相 当于经过一块厚 6cm的平板玻璃，可利用例3.1的结果求棱镜所成像的位置.）.题3.23图0 / 0解：因为n=1.5,其全反射角为，4245 。所以，物体经球面上反射，为厚度为6cm的透镜，物体将在厚透镜左侧成虚像，平行平板的轴向位移：l=l(1-1n)凸透镜的物距为s1 =-20,f 1 =-20.所以s2 = s =:由物像公式知成像的位置及大小为25和-10。24. 显微镜由焦距为1cm的物镜和焦距=为3cm的目镜组成，物镜与物镜之间的距离为20cm,问物体放在何处

18、时才能使最后的像成在距离眼睛25cm处？1 1 1S2 S2解：在目镜下由物像公式得f2-111+ =-25s23在物镜下由高斯公式得s1f1221365-1= s1 - - cm365s34375365S2-St = 20 s2 =cm22 cm22即物体在物镜下放 1.06cm处。25. 题3.25图中L为薄透镜，水平横线MM为主轴。ABC为已知的一条穿过这个透镜的路径, 用作图法求出任一条光线 DE穿过透镜后的路径。题 3.25为DE的出射光26 .题3.26图中MM是一厚透镜的主轴,H、H是透镜的主平面，S是点光源，S 是点光源 的像。试用作图法求任一物点S2的像S2的位置题3.26图

19、27.双凸透镜的折射率为1.5,| r1 | =10cm,|r2| =15cm, r2的一面镀银，污点 P在透镜的前主轴上 20cm处，求最后像的位置并作出光路图。n nn-n解：经第一界面折射成像：s s r , n =1.5 , n =1, r = r仔10術，s i=-20cm所以sf ：，即折射光为平行光束1 1 2+ -=经第二界面反射成像：s s r , s2=s1： , r=r2=-15cm,所以 s=-7.5cmn n n-n再经第一界面折射成像：s s r , n =1 , n =1.5, r = r docm,s 3=s2=-7.5cm所以s 3=-4cm ,即最后成像于第

20、一界面左方4cm处。28. 实物与光屏间的距离为I ,在中间某一位置放一凸透镜，可使实物的像清晰地投于屏上，将移过距离d之后，屏上又出现一个清晰地像。(1)试计算两个像的大小；(2)证明透镜的焦距(l2 - d2 /4l ) ;(3)l不能小于透镜焦距的 4倍。解：(1)令 s2=x，贝y s1=l -(d x),s2=l -X ,题 2.28I _dx =由得2,(3)I - dI dI - dI - d则s 1 =2S1 =2 S 2 =2S2=2ysiI - d 1= yiSi =1 -dS2-2= y2 S2I -dI dI -d 2 （I d），又小,:2| d: （ ） 故两次成像

21、大小之比为：一1 = I d2 2I - d(6)(7)（3 ）由（6 ）得将（3）代入（4）得 f =41所以I不能小于透镜焦距的 4倍。29. 厚透镜的焦距f 为60mm其两焦点间的距离为 125m口若（1）物点置于光轴上物方 焦点左方20mm 处；（2）物点置于光轴上物方焦点右方20mm处；（30）虚物落在光轴上像方主点右方20mm处，文在这三种情况下像的位置各在何处？像的性质各如何？并作光路 图。1解：由厚透镜的物象公式的高斯公式得mm （实像）1 1s =1208060由=_120 mm （虚1 1 1 s = 20 mms s fs = 15 mm （实像）30. 一个会举薄透镜和

22、一个发散薄透镜互相接触而成一复合光具组，当物距为-80cm时,实像距镜6 0cm，若会聚透镜的焦距为1 0cm，问发散透镜的焦距是多少？1 1 1解：丁 s s f , f = f , s = 60 mm , s = 80 mm符合光学的焦距为 f = 34.29cm111 d一一ff1 f2 f 1 f 2,及 d=0, f2=-14.1cm31双凸透镜两个球面表面的曲率半径分别为10 0 mm和2 0 0 mm，沿轴厚度为10mm ,玻璃的折射率为1 .5 ,试求其焦点主点和节点的位置，并会图表示之。111t（n -1）（n 1）解：fr1r2 n r1 r 2，代入数据得f=134.86

23、mm f - -f -134.86mm1414n - 1n - 1f 1 = r,得 f1 =200mmf 2 = r,得 f 2=-400mmtftfp=.p = n f 2 =20247mmn f 1 =-4.495mmx =f =134.86mm , x = f =-134.86mm32.两个焦距均为2cm的双凸透镜，其间距离为4/3cm，组成一个目镜，求其焦点间距为4cm,再求其焦点和节点的和节点的位置，如他们的焦距分别为6cm和2 cm,位置。4解：f = f/ = 20 cmd = cm3空气中f2=-fflf2-2 (2)_2 2-爲=1 .5f = 一 f = -1.5 cmf

24、 dP 二-一f241 .53 = 1 cm-2x = f = 1 .5 cmf1x = f - -1.5cm34X23,1cm2f1=6 cmf 2 = 2 cmf =-f =-3cmf/f26X2.f3f-f2-d 62-4f d3P -4 = 6cmf2-2,f d34P=-2 cmf16x = f = 3 cmx = f = -3cm解:f - _5cm , f = 6 cm , s - -20 cm33 一焦距为2 0cm的薄凸透镜与一焦距为20cm的薄凹透镜相距6 cm,求：（1）复合光具组焦点及主平面的位置。（2）当物体放在凸透镜前30cm时像的位置和放大率。解析：f20cmf

25、2 - -20 cmd = 6cmSi - -30 cm空气中 fi = -匚=20 cmftf f 2 _d20 20=66 .67 cm20 -20 -6 = FiF 2 = 6 cmff20 （20 ） 263f,d 206p20 cm - -0.2m卜 6,f2*dP=-0.2m St = -30 cms 二 S - p 二302-*（一0.1）f s3s0.117 mf + s2-0.13（ 一20 ） = 10 cm = 0 .ims-0.1171.17s -0.134 一薄透镜的主平面H和 H ，节平面K和K和交平面F和F 位置如图所示，有一发光点P在物方主平面左边2 0CM处，

26、试作光路途并计算像的位置。IVI5cm6cm题3.34图x = s f = -20 ( 5) = 15 cm _- - xx 卩=ffff_5 X 6x=2 cmx15.s = f 川 x =62 = 8cm35. 一条光线射到一折射率为n的一球行水滴，求：(1)后表面的入射角a,问这条题3.35图解：(1)由折射定律 nsin =sin sin中:二=si n-1( n )又临界角:c= Sin -1( n ),即 c ,故是部分反射。(2) 由图知：=(；： ) +二，即二=2-：，而：=二-2 二，所以、：=二-4+2 d、4dd.篇12(3) d =- dx =0,即 d2 ,sin1

27、而 工=sin -1 ( n ) , cos?= 3 (n 2-1) 36.将灯丝至于空心玻璃球的中心，玻璃球的内外直径分别为8cm和9cm .求：（1）从球外观察到的灯丝像的位置（设玻璃折射率n=1.5）;（2）玻璃温度计管子的内外直径分别为1mm 和3 mm ，求从外侧观察到的直径数值； （3）统一温度计的竖直悬 挂于直径100mm得盛水玻璃烧杯的正中，从较远处通过烧杯壁观察时，温度计的内外直径为 多少？n nn -n解：s s r(1 n=1.5 ,n =1, s1=r 1=4cm , s 1= 4cm即在球心处 n =1.5 ,n =1, S2=4.5cm s 2=:4.5cm即像仍在

28、球心处(2 n=1.5 ,n =1, r 1=4cm , S1=3.85cm s 1= 3.896cm n =1.5 ,n =1, S2=4.396cm. s 2=4.348cmd=0.304cm=3mm(3) n =1.33 , n =1.5 , r 1=1.5mm ,s=1mm s1= 0.96mmS2=49.46mms2= 4.348cm d(内)=1.5mm n=1 , n =1.33 , r 1=50mm ,s=48.5mm s 2= 48.1mm d(外)=4mm37 .如题所示为梅斯林分波面干涉实验装置。其中O1、2分别为两块半透镜L1 和 L2 的光心，S、6、2、S2 共轴，且 S1S2 =1。（ 1）L2两端的光束到达 P点的光程差 J. = | -（ S1P S2P ）；（2）定性讨论与轴线垂直的光屏上接收到的干涉图样的特点。证明：物象具有等光程性,二 si ipsi=二 SO1O2S2S1.: si 1S2= ： SO1O2S2Li-Si 1p= = Si 1PS1- = PS1= = Si 1PS1-PS 1题 3.37圆板中心