光学知识与应用

1、光波的知识n知识结构知识结构 光波的反射 光波的折射 光波的衍射学习目的与要求学习目的与要求 1、理解、理解光现象光现象 2、掌握光的有关原理；、掌握光的有关原理；l光的度量光的度量l光的反射、折射、全反射现象；光的反射、折射、全反射现象；l透镜成像；透镜成像；l眼睛成像原理；照相机、显微镜等光学仪眼睛成像原理；照相机、显微镜等光学仪器。器。 光纤原理光纤原理 照相机原理照相机原理 眼镜原理眼镜原理 复印机原理复印机原理 幻灯机原理幻灯机原理 望远镜原理望远镜原理 显微镜原理显微镜原理 课后习题课后习题1-12 光的本性：是一种电磁波，具有光的本性：是一种电磁波，具有波波的性质；的性质；是一种

2、具有一定能量的光子流，也有是一种具有一定能量的光子流，也有微粒微粒的性质。的性质。电磁波谱：为了研究，将各种电磁波的波长或频率按其长短或大小，依次排列成一完全不间断的波谱，称之为电磁波谱。 400500600700波長（nm） 紅 = 7 107 m . 紫 = 4 107 mn热光源：把热转变为光，如太阳、蜡烛、电灯。（颜色与温度有关，如白炽灯内的灯丝、加热的铁片）n冷光源：把其他形式的能直接转变为光，如日光灯、水母、荧光棒（发光物体的温度未升高，光的颜色随物质种类而定。）1、光源：、光源：自己能够发光的物体叫光源。二、光的度量 发光强度发光强度（光强）：指光源在指定方向的（光强）：指光源在

3、指定方向的单单位立体角内位立体角内发出的光通量。表示光源发出的光通量。表示光源发光强发光强弱弱的量，用的量，用I表示。光源辐射是均匀时，则表示。光源辐射是均匀时，则 光强光强I= /，I国际单位是国际单位是candela（坎德（坎德拉）简写拉）简写cd,为立体角为立体角单位为球面度单位为球面度（sr）, 为光通量为光通量单位是单位是“流明流明” （lm) 。n立体角：曲面上，面积立体角：曲面上，面积s与其矢量半径与其矢量半径的二次方的比值的二次方的比值为此面为此面对应的立体角。记对应的立体角。记作作=s/r2.可得：闭合球面的可得：闭合球面的立体立体角都是角都是4。 光通量：光通量： 在单位时

4、间内，光源向各个方向发在单位时间内，光源向各个方向发出的全部出的全部光能光能，用，用表示，单位流明（表示，单位流明（lm)，英文英文lumen的音译。的音译。n规定：发光强度为规定：发光强度为I坎坎 的点光源为球心，通的点光源为球心，通过整个球面的总光通量过整个球面的总光通量=4I流。流。n思考：发光强度为思考：发光强度为1坎的点光源呢？坎的点光源呢？ 证明：发光强度为1坎的半径为r的球面上，面积为r 2的球面的光通量为1流。发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1 流。 光亮度光亮度:表示表示发光面发光面明亮程度的，单位明亮程度的，单位面积面积的光通量的光通量，单

5、位是流，单位是流/平方米。（课本定义）平方米。（课本定义） 例题：发光强度为例题：发光强度为450坎的白炽灯，半径为坎的白炽灯，半径为公分，它的公分，它的亮度亮度近似是多少？近似是多少？n4 *4504 0.05l 照度描述的是物体表面照度描述的是物体表面被照明的程度被照明的程度，单，单位是勒克斯，是英文位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为的音译，也可写为lx。l照度等于受照物体表面上得到的光通量与照度等于受照物体表面上得到的光通量与被照射的被照射的面积面积之比之比 。E=/S （勒克斯、流（勒克斯、流明、平方米）明、平方米）发光强度为450坎的白炽灯，半径为公分，它的亮度近似是多少？ 距

6、离3米的课本的照度近似是多少（忽略反射的影响）？ 如果要求书房、办公室照度为5001000 最少安装多少灯泡？解：n4 *4504 0.05n近似E= 4 *450/ 432=50勒 晴天 30000300000 阴天 3000 日出日落 300 月圆 0.30.03 星光 0.00020.00002 书房、办公室5001000 客厅（不阅读书报）150300 浴厕、更衣室200500 餐桌300500 走廊、楼梯3575 电梯、走道100200 车库、仓储3075 三、三、光的特性：光的特性：光在真空或同一种均匀的媒质中是直线传播。光射到两种媒质的分界面上 ：一部分沿着某一方向反出去叫光的反

7、射；一部分 折入另一媒质偏离法线叫光的折射。n1、光的反射和反射定律、光的反射和反射定律反射类型：单向反射入射、反射光线均平行漫反射界面粗糙不平，反射光线不平行 漫 反 射镜面反射入射光线法线反射光射媒质n反射定律反射定律：反射光线在入射光线和法线决定的平面里，反射光线和入射光线分居在法线两侧；反射角等于入射角；光路可逆。 折射定律的相关知识 折射率。n=sini/sin=C光光/Cl折射率小 折射率大，l折射角小于入射角，折射朝向法线。l折射率大 折射率小，l折射角大于入射角，折射远离法线。(光速小的光速大)全反射2、折射定律：、折射定律：n折射光线和入射光线分居在折射光线和入射光线分居在法

8、线两侧，它们在一平面。法线两侧，它们在一平面。n对于给定的两种媒质，对于给定的两种媒质，入射入射角的正弦与折射角的正弦的比角的正弦与折射角的正弦的比值，是常数（折射率值，是常数（折射率n），）， 等等于光在这两种媒质中的光速之于光在这两种媒质中的光速之比比 。n=sini/sin=C1/C2n光路可逆光路可逆l折射率小 折射率大，折射角小于入射角，折射朝向法线。l折射率大 折射率小，折射角大于入射角，折射远离法线。(光速小的 光速大)3、全反射、全反射l折射率大折射率大 折射率小，折射角大于入射角，折射率小，折射角大于入射角，折射光线远离法线。折射光线远离法线。(光速光速小小的的 光速光速大大

9、的）的）l入射角大于临界角，折射光线全部返回媒质入射角大于临界角，折射光线全部返回媒质全全反射反射产产生全反射的生全反射的条条件件1.1.光由光光由光密密介介质质射向光射向光疏疏介介质质。( (光速光速小小 到光速到光速大大）2.2.入射角大入射角大于临于临界角。界角。 临临界角的計算界角的計算 临临界角：折射角等界角：折射角等于于 9090o o 时时的入射角。的入射角。 若光密介若光密介质质和光疏介和光疏介质质的折射率分別的折射率分別为为n n1 1 和和 n n2 2（n n1 1 n n2 2），則），則临临界角界角 C C 滿足滿足2C1nsinn o1c2n sinn sin90

10、n光光纤纤应应用用于医疗诊于医疗诊病病用的內用的內视镜视镜，以及光，以及光纤纤通通迅迅等。等。n三三棱镜棱镜: :利用三利用三棱镜棱镜，可以改，可以改变变光光线线路路径径的方向的方向。ooC 4245 玻璃的臨界角全反射棱镜全反射棱镜 屈光度公式屈光度公式D = 1 /f （f是焦距）（是焦距）（焦度焦度）屈光度的屈光度的100倍，是倍，是透镜的度数透镜的度数。 成像规律成像规律 光学仪器原理光学仪器原理：中央比边缘厚。 ：中央比边缘薄。 (a)(b)(c) 凸透镜的种类：(a)双凸透镜，(b)平凸透镜，(c)凹凸透镜。(a)(b)(c) 凹透镜的种类：(a)双凹透镜，(b)平凹透镜，(c)凸

11、凹透镜。4、透镜成像以两个球面（或一个是平面）为折射界面的透明体称为透镜：镜镜面的中心面的中心点点，如，如图图中的中的，又，又称称镜镜心心。 ：通：通过过兩球心的直兩球心的直线线，如，如图图中的中的。 ：靠近主：靠近主轴轴的平行光的平行光经经凸透凸透镜镜折射折射后后，大致聚，大致聚于于一一，如，如图图中的中的。 ：焦：焦至至镜心镜心的距的距离离，以，以 表示。表示。（观察焦距与观察焦距与曲光度关系曲光度关系 ） o o o凸透使平行于主轴的入射光线汇聚于焦点，透镜的左右兩边的主轴上各有一个焦点，两边的焦距相等。 凹透镜使平行于主轴的入射光线发散，但這些射出光线的延長线相交于同一点F，称为虛焦点

12、。 (a)置于焦点的点光源所发出的光线经凸透镜折射后平行于主轴。(b)指向凹透镜焦点的入射光线，经凹透镜折射后平行于主轴。l屈光度公式D = 1 /f （f是焦距）（焦度）f=1m的透镜的焦度，称为1屈光度。l屈光度的100倍，是透镜的度数。l凸透镜的焦度是正的，凹透镜的焦度是负的。作图根据作图根据n通过光心的光线，经透镜后方向不变；n跟主轴平行的光线，折射后通过焦点；n通过焦点的光线，折射后跟主轴平行。成像规律：成像规律：n凸透镜成像与物距有关；n凹透镜：成像与物体处于同侧，呈缩小正立虚像。FF物距物距22倍焦距倍焦距物距大于物距大于2f成像规律成像规律 n 规律：成倒立、缩小的实像， 像与

13、物异侧，物距大于像距。n主要应用：照像机、人的眼主要应用：照像机、人的眼睛睛FF物距=2倍焦距，物距等于物距等于2f成像规律成像规律n规律：成倒立、等大的实像，像与物异侧，物距等于像距。n应用很少，如复印机应用很少，如复印机FF1倍焦距物距2倍焦距物距大于物距大于f、小于、小于2f的成像规律的成像规律 n规律：成倒立、放大的实像，像与物异侧，物距小于像距。n主要应用：幻灯机、显微镜、电影放映机。主要应用：幻灯机、显微镜、电影放映机。FF物距物距1倍焦距倍焦距物距小于物距小于f成像规律成像规律 n规律：成正立、放大的虚像，像与物同侧，物距小于像距的绝对值。n主要应用：放大镜、老花镜。主要应用：放

14、大镜、老花镜。FFn跟主轴平行的光线，折射后通过焦点；跟主轴平行的光线，折射后通过焦点；n通过焦点的光线，折射后跟主轴平行；通过焦点的光线，折射后跟主轴平行；n通过光心的光线经过透镜后方向不变。通过光心的光线经过透镜后方向不变。2、凹透镜成像、凹透镜成像 1/u + 1/v = 1/f ：物距；：像距；：焦距 放大率：K=像长/物长 = v/u 照相机是利用凸透镜能成缩小实像的原理制成。它的镜头相当于一个凸透镜，来自物体的光经镜头后在胶片上形成一个倒立、缩小的实像倒立、缩小的实像。n调焦：调节镜头到胶片的距离，以便胶片上产生清晰的像(调焦环上面的数字是指被照物体到镜头的距离。) 光圈：控制进入

15、镜头的光的多少。光圈环上的数字越小，进入镜头的光越多。 快门：控制曝光时间。快门上的数字表示多少分之一秒数字越大，曝光时间越短。人的眼睛像一架神奇的照相机，p晶状体相当于照相机的镜头（凸透镜,通过睫状肌改变焦距.）p视网膜相当于照相机内的胶片，来自物体的光经晶状体成像于视网膜上，p再通过视觉神经把信息传到大脑，产生视觉。远眺时：睫状体放松，晶状体较薄，焦距较长，远处物体射来的光刚好会聚在视网膜上，人便能看清楚远处的物体 。(但是远处物体的两端对眼睛的光心所张的视角要大于1)近观时：睫状体收缩，晶状体较厚，焦距较短，近处物体射来的光又会聚在视网膜上，人便能看清楚近处的物体。(最近是10厘米，看2

16、5厘米处物体不易疲劳，称明视距离。) 常见的视力缺陷有近视、远视、散光，都是由于眼睛的调节功能降低，不能使物体的像清晰地成在视网膜上所引起的。n 近视眼看不清远处的景物，是因调节晶状体的厚薄后，远处物体的像仍落在视网膜的前方。n 远视眼看不清近处的物体，是因调节晶状体的厚薄后，近处物体的像仍落在视网膜的后面。n 散光眼：晶状体与角膜不是球形，物体各点不能成像不在一平面。 第一个望远镜是荷兰的一位眼镜制造师利佩尔席于1608年做成的。 是由两个透镜组成的，靠近眼睛的透镜叫做目镜，靠近被观察物体的透镜叫做物镜。 第一位把望远镜用于科学研究的是意大利物理学家伽利略。1609年，伽利略用自制的望远镜观察天体，以确凿的证据支持了哥白尼的“日心说”。 从天体射来的平行光线，经物镜后，在焦点以外距焦点很近处成一倒立缩小实像倒立缩小实像abab。目镜的前焦点和物镜的焦点是重合的，所以实像ab位于目镜和它的焦点之间距焦点很近的地方，目镜