光在球面上的反射与折射球面镜成像球面镜的焦距

1、:i mw.bona航晔噌零 相僖在既教师*：* QQ8o（x诩&56彳 相侑U玄呷教育§1.4、光在球面上的反射与折射C图 1-4-1图 1-4-21.4.1、球面镜成像（1）球面镜的焦距球面镜的反射仍遵从反射 定律，法线是球面的半径。一束近主轴的平行光线，经凹镜反射后将会聚于主轴上一点F （图1-4-1 ），这F点称为凹镜的焦点。一束近主轴的平 行光线经凸面镜反射后将发散，反向延长可会聚于 主轴上一点F（图1-4-2 ）,这F点称为凸镜的虚焦 点。焦点F到镜面顶点O之间的距离叫做球面镜的 焦距f。可以证明，球面镜焦距f等于球面半径R 的一半，即f普2（2）球面镜成像公式根

2、据反射定律可以推导出球面镜的成像公式。下面以凹镜为例来推导:（如图1-4-3所示）设在凹镜的主轴上有一个物体S,由S发出的射向凹镜的光线镜面 A点反射后与主轴交于S，点，半径CA为反射的法线，S'即S的像。根据反射定律, /SAC =/SAC ,则CA为SAS角A的平分线，根据角平分线的性质有痴心|隔山财际血噌方 相信在职教拜 QQ8。伽用侬6鼻 相信魏老师教育AS _ CSASCS，由为SA为近轴光线，所以AS' = S'O, AS = SO,式可改写为OS CSOS'CS'式中OS叫物距u, OS'叫像距v,设凹镜焦距为f,则CS = OS

3、- OC = u - 2 fCS =OC - OS = 2f -u u -2f代入式 一二2f -1 1 2化简u ; f这个公式同样适用于凸镜。使用球面镜的成像公式时要注意：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。111r =u f相信在职载带，；，jm.bona3huyuanOTQQS0OOfi9656 耳上式是球面镜成像公式。它适用于凹面镜成像和凸面镜成像，各量符号遵循“实取正，虚取负”的原则。凸面镜的焦点是虚的, 因此焦距为负值。在成像中，像长和物长h之比为成像放大率，用 m表示，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

4、列；对于凸镜，如表R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Q0同侧f缩小倒实受2f同侧f2f缩小倒实2f同侧2f等大倒实2ff同侧f2f放大倒实fcO放大f0异侧0放大正虚虚物QO异侧0f缩小正实表R凸镜成像情况痴心0曲叫U眼鸣亮 相信在职教师 QQ80D0fi9656Z.相信藕老师教育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汜同侧0f缩小正虚虚物92f同侧f2f缩小倒虚2f同侧2f等大倒虚f2f同侧*2f放大倒虚fCOf0异侧汜0放大正实(3)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，但有时前一个球面镜反射的光线尚未

5、成像便又 遇上了后一个球面镜，此时就要引进虚像的概念。如图1-4-4所示，半径为R的凸镜和凹镜主轴相互重合放置，两镜顶点图 1-4-4O、O2相距2.6R,现于主轴上距凹镜顶点 O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经凹镜和凸镜各反射一次后所成的像在 何处？,产生财刖喉噌在相信在服载拜*：* QQSOOOfi9656 ,3相侑魏老师教育u1 = 0,6R1S在凹镜中成像，fi =-R21 1 1十=Ui1 fi112十=0.6R1 R可解得：1 = 3RO1O2 = 2.6R ,S作为凸镜的虚物来处理,根据题意：所以凹镜反射的光线尚未成像便已又被凸镜反射，此时可将

6、凹镜原来要成像u2 = (2.6R-3R) = -0.4R, f2 = - R1 1 1 r =U22f2112-+=0.4R2 R可解得2 = 2Rwh的网.噌尊 相信在职教师*北：* QQ8000fi9656外 相信君之既教育说明凸镜所成的像S2和S在同一位置上。1.4.2、球面折射成像(1)球面折射成像公式(a)单介质球面折射成像如图1-4-5所示，如果球面左、右方的折射率分别为为i、r均很小，行以siniJ=nsin r r因为 i = e +a , r =eP代入式可启e+ar=n(e-B)对近轴光线来说，a、8、B同样很小，所以有a = - Q =U ,R, u代入式可得1 , n

7、 n -1 r =1和n, s为s的像。因1ifj'nS U o' C vs'图 1-4-5uR 去 <QQ8000fi9656ni和n2, C是球心，O是顶点，球面曲率半径为 R, S是物点，S 是像点,图 1-4-6当UT8时的V是焦距f ,所以f =-R- nn -1（b）双介质球面折射成像如图1-4-6所示，球形折射面两侧的介质折射率分别 对于近轴光线niii = n2i2-_ A0:A0rii = i2 = 一 一至 二联立上式解得n_ .空=圾二口 u v r这是球面折射的成像公式，式中U、u的符号同样遵循“实正虚负”的法则， 对于R;则当球心C在出射

8、光的一个侧，（凸面朝向入射光）时为正，当球心 C 在入射光的一侧（凹面朝向入射光）时为负。若引入焦点和焦距概念，则当入射光为平行于主轴的平行光（U = 8）时，出射光（或其反向延长线）的交点即为第二焦点，（也称像方焦点），此时像距H wwM血网皿噌中相信在取教师QQ8000e9656 3相信藕老师教育nc R即是第二焦距T2,有心=一。当出射光为平行光时，入射光（或其延长线）的交点即第一焦点（即物方焦点） n2 -n1,这时物距即为n R第一焦距f1，有f1 =1 一, n2立£ = 1 u uf1、f2代入成像公式改写成反射定律可以看成折射定律在n2 = -ni时的物倒，因此，球面

9、镜的反射成像公式可以从球面镜折射成像公式中得到，由于反射光的行进方向逆转，像距U和球面半径R的正负规定应与折射时相反，在上述公式中令n2=-m, UT 7 , Rt-R,即可得到球112Rr r Rf=fc=f1=f2：面镜反射成像公式u U R ,对于凹面镜R A 0 , 12 2 ,对于凸面镜R<0 ,2 ,厚透镜成像。（C）厚透镜折射成像设构成厚透镜材料的折射率为n,物方介质的折射率为n1,像方介质的折射率为的，前后两边球面的曲率半径依次为r1和2,透镜的厚度为 =t ,当物点在主轴上的P点时，物距u = OP ,现在来计算像点P'的像距。S'= O'P,首

10、先考虑第一个球面AOB对图 1-4-7入射光的折射，这时假定第二个球面 AOB不存在，并认为球AOB右边，都为折射率等于 n的介质充满，在这种情况下，P点的像将成在P”处，其像距u = OP然后再考虑光 线在第二个球面的折射，对于这个球面来说， P"便是虚物。*的毗购buyu也曜K相僖在职教师QQ 800066,56因此对于球面AOB,物像公式为n2n1n -n1vu r1对于球面AOB,物像公式为n2 nn2 - n士 =v u -tr2这样就可以用二个球面的成像法来求得透镜成像的像距u(2)光焦度折射成像右端仅与介质的折射率及球面的曲率半径有关， 因而对于一定的介质及一定形状的表

11、面来说是一个不变量，我们定义此量为光焦度，用小表示:它表征单折射球面对入射平行光束的屈折本领。小的数值越大，平行光束折得越厉害;小0图 1-4-8时，屈折是会聚性的；小 0时，屈折是发散性的小=0时，对应于=8,即为平面折射。这时，沿轴平行光束经折射后仍是沿轴平行光束，不出现屈折现象。光焦度的单位是米”,或称屈光度,将其数值乘以100,就是通常所说的眼镜片的 “度数”。阳毗0睡buyu也曜用相信在职教师QQBQOnfiMfi（3）镀银透镜与面镜的等效有一薄平凸透镜，凸面曲率半径 R=30cm,已知在近轴光线时：若将此透镜的平面镀银，其作 用等于一个焦距是30cm的凹面镜；若将此透镜的凸面镀银，

12、其作用也等同于一个凹面镜，其其等 效焦距。当透镜的平面镀银时，其作用等同于焦距是30cm的凹面镜，即这时透镜等效面曲率半径为60cm的球面反射镜。由凹面镜的成像性质，当物点置于等效曲率中心时任一近轴光线经凸面折射，再经平面反射后将沿原路返回，再经凸面折射后，光线过 点，物像重合。如图1-4-8所示图 1-4-9i=ni，i=u +，n = 1 + u。依题意，u =匕，i =D ,故 n = i 5 i6030,A作一垂直于球面指向曲率中心 C的光线。此光线凸面镀银，光路如图1-4-9所示。关键寻找等效曲率中心，通过凸面上任一点经平面折射后交至光轴于Cb,令 cb° =则口 =i,

13、i iRh /口 R cc一，得 r = = 20cm 0rn图 1-4-10由光的可逆性原理知，cb是等效凹面镜的曲率中心，f=10cmi例1、如图1-4-10所示，一个双凸薄透镜的两个球面的曲率半径均为r,透镜的折射率为n,察由透镜后表面反射所形成的实像。试问物放于何处，可使反射像与物位于同一竖直平面内（不考虑 多重反射）。解：从物点发出的光经透镜前表面（即左表面）反射后形成虚像，不合题意，无须考虑。Li卅心用城叫她鸣亮相信在职教师 一 ：* QQflOOOfi96 3 相信藕/师教育从物点发出的光经透镜前表面折射后，再经透镜后表面反射折回，又经前表面折射共三次成像，最后是实像，符合题意。

14、利用球 面折射成像公式和球面反射成像公式，结合物与像共面的要求。就可求解。球面反射的成像公式为：1 +1 =1 ,其中反射面的焦距为f =- （R为球面半径），对凹面镜，f取正值，对凸面镜，f取负值 u v f2球面折射的成像公式为：必+%=（” -n2）工。当入射光从顶点射向球心时，R取正值，当入射光从球心射向顶u vR点时，R取负值。如图1-4-11甲所示，当物点Q发出的光经透镜前表面折射后成像于 Q；设物距为u,图1-4-11甲像距为v,根据球面折射成像公式:n1 n21一 一二(n12) u vR这里空气的折射率叫=1 ,透镜介质的折射率n2 = n,入射光从顶点射向球心，R=r取正值

15、，所以有1 n n -1"T =(1)Mi 那毗hu晔噌在 相信在朝教卿 QQ8000fi9656彳 相信魏之既教育这是第一次成像。对凸透镜的后表面来说，物点 Q经透镜前表面折射所成的风点Q .是它的物点，其物距ui = -v （是虚物），经透镜后表面反射后成像于Q；,像距为一 vi （如图1-4-11乙所示），由球面反射成像公式1112一 十 _ u1 v1 f2 r将前面数据代入得112r =(2)v v1r图1-4-11乙这是第二次成像。由透镜后表面反射成的像点Q1又作为透镜前表面折射成像的物点Q2 ,其物距U2 = 一v1 （是虚物）， 再经过透镜前表面折射成像于 Q2，像距

16、为v2 ,（见图1-4-11内所示），再由球面折射成像公式nin21二(R - 皿)一 u vR这时人射光一侧折射率，折射光一侧折射率 （是空气），入射光由球心射向顶点，故 R值取负值。所以可写出n 11二(1 - n) 一U2 V2代入前面得到的关系可得n 1 n T r =u1v2 r(3)这是第三次成像，由（1）、（2）两式可解得1 n 3n -1=u V1r(4)再把（4）式和（3）式相加，可得1 ,1 _2(2n -1)uV2r(5)为使物点Q与像点Q；在同一竖直平面内，这就要求u2 =-V1相僖在取教婶弧推双m'.bonasbuyuan.oMi'R;r u =代入（

17、5）是可解得物距为2n -1C1C2透镜主轴说明 由本题可见，观察反射像，调整物距，使反射像与物同在同一竖直平面内，测出物距 P,根据上式就可利用已知的透镜折射率 n求出透镜球面的半径r,或反过来由已咋的球面半径r 求出透镜的折射率n。图 1-4-12例2、显微镜物镜组中常配有如图1-4-12所示的透镜，它的表面是球面，左表面 S的球心 为G,半径为R ,右表面S2的球心为C2,半径为r2 ,透镜玻璃对于空气的折射率为 n,两球心 间的距离为c1c2 = R2 。n在使用时，被观察的物位于 C1处，试证明1、从物射向此透镜的光线，经透镜折射后，所有出射光线均相交于一点Q2、QC2 = nR。解

18、：首先考虑S面上的折射，由于物在球心处，全部入射光线无折射地通过S面，所以对S2来说，物点就在C1处。再考虑到S2面上的折射。设入射光线与主轴的夹角为 9 ,入射点为P,入射角为i ,折射角为r,折射线的延长线与主轴的交点为Q如图1-4-13 ,则由折射定律知阳毗财buyu加明其 相信在职教师图 1-4-133,相信嘉老师教育sin r = n sin i在AC1c2P中应用正弦定理得c1c2 C2Psin isin1R2R2/n . R2C i C 2 一已知n 由此得 sin sinsin 二-nsin i =sin r所以 r - ？设CP与主轴的夹角为a,则有:-二 i = r i显然

19、，8*0时，0,因此出射线与主轴相交之点 Q必在透镜左方0为AQGP的外角Q =日 _/QPC1. =r _(r -i) =i在AQC2P中应用正弦定理，得Nat的丽,g.bniiashi晔咽用QQ 8000fi9656 耳相僖在取教师 相标鬻老师敕育qc2 r2 sin r sinQC2 = R2 sinr = nR2sin i图 1-4-14(1)求此透镜材料的折射率n (要论证)；图 1-4-15相信在职教师 相信n老师教育MiWXa血眦那儿节，;A A A A A,QQ 800069656 月，r为折射角。根据椭圆的性质，法线 BN平分/F1AF2 ,故AFi与法线的夹角也是r,由正弦

20、定律可得F1Asini=n ,F1Bsin rF2 Asin i=nF2Bsin r从而可求得FiA F2A 2a 1 n =FiA F2B 2c e2a为长轴的长度，2c为焦点间的距离；即只要n满足以上条件，任意入射角为i的平行于旋转椭球长轴的入射光线都能会聚于 C(即巳) 点。(2)如果透镜置于折射率为n .的介质中，则要求 sin i _ n 1 sin r n e F n e 二 即椭圆的偏心率e应满足 n由于椭圆的e<1,如果n'>n就无解。只要n'<n,总可以 找到一个椭球面能满足要求。例4、(1)图1-4-16所示为一凹球面镜，球心为 C,内盛透

21、明液体。已知C至液面高度CE为40.0 cm,主轴CO上有一物A,物离液面高度AE恰好为30.0cm时，物A的实像和物处于同一高度。实验时光圈直径很小，可以保证近轴光线成像。试求该透明液体的折 射率n（2）体温计横截面如图1-4-17所示，已知细水银柱A离圆柱面顶点O的距离为2R, R为该圆柱面半径，C为圆柱面中心轴位置玻璃的折射率n=3/2, E代表人眼，求图示横截面上人眼所见水银柱像的位置、虚像、正倒和放大倍数图 1-4-18解：（1）主轴上物A发出的光线AB,经液体界面折射后沿BD方向入射球面镜时，只要BD延长线经过球心C,光线经球面反射后必能沿原路折回。按光的可逆性原理，折回的光线相交

22、于A （图1-4-18 ）对空气、液体界面用折射定律有sin i = n sin rsini BE/ABn =二sin r BE/CB40.030.0= 1.33当光圈足够小时，B-E,因此有CE n 二AE（2）先考虑主轴上点物A发出的两条光线，具一沿主轴方向 ACO氏 射界面，无偏折地出射，进入人眼 E。其二沿AP方向以入射角i斜入射界 面P点，折射角为r。折射光线PQ要能进入人眼E, P点应非常靠近O点， 或说入射角i折射角r应很小。若角度以弧度量度，在小角（近轴）近似施晔/其 相信在取教师 QQROOC诩湖耳相僖藕电师教育下，折射定律nsin i = sin r可写为是一对共腕点，只要

23、选从 B发出的任这两条光线反向延长，在主轴上相交于， 即为物A之虚像点（图1-4-19 ）对 用正弦定律，得在小角（近轴）近似下:上式可写为解上式得为了分析成像倒立和放大情况，将水银柱看成有一定高度的垂轴小物体AB,即然条光线经界面折射后，反向延长线与过垂轴线相交于， 是点物B虚像点，即AB之正立虚像。选从B点发出过圆柱面轴心C之光线BC该光线对界面来说是正入射（入射角为零） ft A 1>,咽管II老师教育偏折地出射，反向延长BC线交过 垂轴线于 ，从图 1-4-22图 1-4-21（见图 1-4-21 ）放大率=例5、有一半径为R=0.128m的玻璃半球，过球心O并与其平面部分相垂直

24、的直线为其主轴，在主轴上沿轴放置一细条形发光体（离球心较近），其长度为L=0.020s若人眼在主轴附近对着平面部分向半球望去（如图 1-4-20）,可以看到条形发光体的两个不很亮的像（此处可能还有亮度更弱的像，不必考虑），当条形发光体在 主轴上前后移动时，这两个像也在主轴上随之移动。现在调整条形发 光体的位置，使得它的两个像恰好头尾相接，连在一起，此时条形发光体的近端距球心O的距离为。试利用以上数据求出构成此半球的玻璃折射率 n （计算时只考虑 近轴光线）。解：1、条形发光体的两个像，一个是光线在平面部分反射而形 成的，一个是光线经平面折射进入玻璃，在凹面镜上反射后，又经平 面折射穿出玻璃而形成的。2、求半球外任一个在轴上的光点 A的上述两个像。平面反射像在处,凹面镜反射像D求法如下：(1) A点发出的光经平面折射后进入玻璃，射向凹面