光学的运用原理分析

1、 四、物理学知识-光学的运用 【光学】 物理学的一个部门。光学的任务是研究光的本性，光的辐射、传播和接收的规律；光和其他物质的相互作用（如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等）以及光学在科学技术等方面的应用。17世纪末，牛顿倡立“光的微粒说”。当时，他用微粒说解释观察到的许多光学现象，如光的直线性传播，反射与折射等，后经证明微粒说并不正确。1678年惠更斯创建了“光的波动说”。波动说历时一世纪以上，都不被人们所重视，完全是人们受了牛顿在学术上威望的影响所致。当时的波动说，只知道光线会在遇到棱角之处发生弯曲，衍射作用的发现尚在其后。1801年杨格就光的另一现象（干涉）

2、作实验（详见词条：杨氏干涉实验）。他让光源S的光照亮一个狭长的缝隙S1，这个狭缝就可以看成是一条细长的光源，从这个光源射出的光线再通过一双狭缝以后，就在双缝后面的屏幕上形成一连串明暗交替的光带，他解释说光线通过双缝以后，在每个缝上形成一新的光源。由这两个新光源发出的光波在抵达屏幕时，若二光波波动的位相相同时，则互相叠加而出现增强的明线光带，若位相相反，则相互抵消表现为暗带。杨格的实验说明了惠更斯的波动说，也确定了惠更斯的波动说。同样地，19世纪有关光线绕射现象之发现，又支持了波动说的真实性。绕射现象只能借波动说来作满意的说明，而不可能用微粒说解释。20世纪初，又发现光线在投到某些金属表面时，会

3、使金属表面释放电子，这种现象称为“光电效应”。并发现光电子的发射率，与照射到金属表面的光线强度成正比。但是如果用不同波长的光照射金属表面时，照射光的波长增加到一定限度时，既使照射光的强度再强也无法从金属表面释放出电子。这是无法用波动说解释的，因为根据波动说，在光波的照射下，金属中的电子随着光波而振荡，电子振荡的振幅也随着光波振幅的增强而加大，或者说振荡电子的能量与光波的振幅成正比。光越强振幅也越大，只要有足够强的光，就可以使电子的振幅加大到足以摆脱金属原子的束缚而释放出来，因此光电子的释放不应与光的波长有关。但实验结果却违反这种波动说的解释。爱因斯坦通过光电效应建立了他的光子学说，他认为光波的

4、能量应该是“量子化”的。辐射能量是由许许多多分立能量元组成，这种能量元称之为“光子”。光子的能量决定于方程E=h式中E=光光子的能能量，单单位焦耳耳h=普朗光光常数，等等于6.624410-334焦耳耳秒=频率。即即每秒振振动数。=c，c为光线的速度，为光的波长。现代的观念，则认为光具有微粒与波动的双重性格，这就是“量子力学”的基础。在研究和应用光的知识时，常把它分为“几何光学”和“物理光学”两部分。适应不同的研究对象和实际需要，还建立了不同的分支。如光谱学，发光学、光度学，分子光学、晶体光学，大气光学、生理光学和主要研究光学仪器设计和光学技术的应用光学等等。【光】 严严格地说说，光是是人类眼

5、眼睛所能能观察到到的一种种辐射。由由实验证证明光就就是电磁磁辐射，这这部分电电磁波的的波长范范围约在在红光的的0.777微米米到紫光光的0.39微微米之间间。波长长在0.77微微米以上上到10000微微米左右右的电磁磁波称为为“红外线线”。在0.39微微米以下下到0.04微微米左右右的称“紫外线线”。红外外线和紫紫外线不不能引起起视觉，但但可以用用光学仪仪器或摄摄影方法法去量度度和探测测这种发发光物体体的存在在。所以以在光学学中光的的概念也也可以延延伸到红红外线和和紫外线线领域，甚甚至X射线均均被认为为是光，而而可见光光的光谱谱只是电电磁光谱谱中的一一部分。【光源】 物理学学上指能能发出一一定

6、波长长范围的的电磁波波（包括括可见光光与紫外外线、红红外线和和X光线等等不可见见光）的的物体。通通常指能能发出可可见光的的发光体体。凡物物体自身身能发光光者，称称做光源源，又称称发光体体，如太太阳、恒恒星、灯灯以及燃燃烧着的的物质等等都是。但但像月亮亮表面、桌桌面等依依靠它们们反射外外来光才才能使人人们看到到它们，这这样的反反射物体体不能称称为光源源。在我我们的日日常生活活中离不不开可见见光的光光源，可可见光以以及不可可见光的的光源还还被广泛泛地应用用到工农农业，医医学和国国防现代代化等方方面。光光源主要要可分为为：热辐辐射光源源，例如如太阳、白白炽灯、炭炭精灯等等；气体体放电光光源，例例如，

7、水水银灯、荧荧光灯等等。激光光器是一一种新型型光源，具具有发射射方向集集中、亮亮度高，相相干性优优越和单单色性好好的特点点。【几何光学学】 光学中中以光的的直线传传播性质质及光的的反射和和折射规规律为基基础的学学科。它它研究一一般光学学仪器（如如透镜、棱棱镜，显显微镜、望望远镜、照照相机）的的成像与与消除像像差的问问题，以以及专用用光学仪仪器（如如摄谱仪仪、测距距仪等）的的设计原原理。严严格说来来，光的的传播是是一种波波动现象象，因而而只有在在仪器的的尺度远远大于所所用的光光的波长长时，光光的直线线传播的的概念才才足够精精确。由由于几何何光学在在处理成成像问题题上比较较简单而而在大多多数情况况

8、下足够够精确，所所以它是是设计光光学仪器器的基础础。【物理光学学】 光学中中研究光光的本性性以及光光在媒质质中传播播时各种种性质的的学科。物物理光学学过去也也称“波动光光学”，从光光是一种种波动出出发，能能说明光光的干涉涉、衍射射和偏振振等现象象。而在在赫兹用用实验证证实了麦麦克斯韦韦关于光光是电磁磁波的假假说以后后，物理理光学也也能在这这个基础础上解释释光在传传播过程程中与物物质发生生相互作作用时的的部分现现象，如如吸收，散散射和色色散等，而而且获得得一定成成功。但但光的电电磁理论论不能解解释光和和物质相相互作用用的另一一些现象象，如光光电效应应、康普普顿效应应及各种种原子和和分子发发射的特

9、特征光谱谱的规律律等；在在这些现现象中，光光表现出出它的粒粒子性。本本世纪以以来，这这方面的的研究形形成了物物理光学学的另一一部门“量子光光学”。【光线】 光源发发出之光光，通过过均匀的的介质时时，恒依依直线进进行，叫叫做光的的直进。此此依直线线前进之之光，代代表其前前进方向向的直线线，称之之为“光线”。光线线在几何何光学作作图中起起着重要要作用。在在光的直直线传播播，反射射与折射射以及研研究透镜镜成像中中，都是是必不可可少且要要反复用用到的基基本手段段。应注注意的是是，光线线不是实实际存在在的实物物，而是是在研究究光的行行进过程程中细窄窄光束的的抽象。正正像我们们在研究究物体运运动时，用用质

10、点作作为物体体的抽像像类似。【日蚀】 指地球球进入月月球的本本影中，太太阳被遮遮蔽的情情形。当当太阳、月月球和地地球在同同一条直直线上时时便会发发生。月月球每月月都会处处于太阳阳与地球球之间，不不过日食食并不能能每月看看到，这这是因为为白道（月月球的轨轨道）平平面对地地球轨道道有5的倾角角。月球球可能时时而在黄黄道之上上或时而而在黄道道之下，故故其阴影影不能落落在地球球上。只只有当太太阳、月月球和地地球在一一直线内内，才能能产生日日蚀。如如果地球球的某一一部分在在月影之之内，即即发生日日蚀；日日蚀有全全蚀、偏偏蚀、环环蚀三种种。地球球上的某某些地方方正位于于月球的的影锥之之内（即即在基本本影之

11、内内）这些些地方就就能观看看到日全全蚀。锥锥外虚影影所射到到的地方方（即半半影内的的地方）则则看到偏偏蚀。月月球离地地球较远远的时候候，影锥锥尖端达达不到地地面，这这时从圆圆锥的延延长线中中央部分分看太阳阳的边缘缘，还有有狭窄的的光环，这这就是发发生的环环蚀现象象。环蚀蚀在亚洲洲，一百百年中只只能遇见见十几次次，在一一个小地地区欲见见环蚀者者，数百百年也难难得有一一次机会会。月影影投到地地面上，急急速向西西走，所所以某一一地点能能够看见见的全蚀蚀时间非非常的短短，最长长不过七七分半钟钟，平均均约3分。日日全蚀带带的宽度度，平均均约1660公里里。在某某一地点点能够看看见日全全蚀的机机会，非非常

12、的少少；平均均3600年只有有一次。日日全蚀的的机会虽虽少，而而需要观观测和研研究的问问题甚多多。例如如日月相相切时刻刻的测定定。爱因因斯坦引引力说的的证明等等等。【木星】 在我国国古代称称之为岁岁星，是是九大行行星中最最大也最最重的行行星，它它的直径径比地球球的直径径大111倍，它它的质量量也比地地球重3317倍倍。它的的自转周周期为99.8442小时时，是所所有行星星中最快快的一个个。木星星上的大大气分布布很广阔阔，其组组成含氢氢（H2）氮（NN2）、沼沼气（甲甲烷CHH4）及氨氨气（NNH3），因因此，其其表面完完全为昏昏暗所笼笼罩着。木木星离地地球的距距离为6628 2200 0000

13、公里里，它的的赤道直直径为1142 8044公里，比比地球要要大111倍。虽虽然它是是太阳系系最大的的一颗行行星，但但它却有有最短的的自转周周期，比比起地球球的一天天短了114小时时6分钟；故知它它是以极极其惊人人的速度度不停地地自转着着，就是是在其赤赤道上的的某一质质点最少少也以时时速455 0000公里里的速度度卷旋前前进着。离离心力在在赤道地地带也大大得惊人人，结果果便造成成赤道的的凸出，使使此行星星变成如如一个压压扁的橙橙子一样样。木星星有四颗颗大卫星星，被命命名为木木卫一、木木卫二，都能能用小望望远镜看看到，甚甚至有人人能用肉肉眼观察察到。显显然它们们的体积积必定相相当可观观，它们们

14、的直径径木卫一一约是337199公里，木木卫二约约是31139公公里，木木卫三约约是50007公公里，木木卫四约约是51184公公里。在在这四颗颗卫星中中，最靠靠近木星星表面的的一颗就就是木卫卫一。由由于巨大大的卫星星引力。木木卫一只只能以442小时时半的时时间环绕绕木星一一周。在在这些木木卫环绕绕木星的的过程中中，它们们有时在在木星之之后所谓谓被掩，有有时在木木星的阴阴暗面，称称为蚀，有有时在木木星前叫叫作凌犯犯。【月蚀】 当地球球位于太太阳和月月球之间间而且是是满月时时，进入入地影的的月球，就就会发生生月蚀。月月球全部部走到地地影中的的时候，叫叫做全蚀蚀；只有有一部分分进入本本影的时时候，

15、叫叫做偏蚀蚀。月全全蚀的时时候可分分做五象象，当月月球和本本影第一一次外切切的时候候，叫做做初亏；第一次次内切的的时候叫叫做蚀既既；月心心和本影影中心距距离最近近的时候候，叫做做蚀甚；当月球球和本影影第二次次内切的的时候，叫叫做生光光；第二二次外切切的时候候叫做复复圆。偏偏蚀时，只只有初亏亏、蚀甚甚、复圆圆三种现现象。月月蚀现象象一定发发生于望望（阴历历十五）的的时候；但是望望的时候候，未必必发生月月蚀。这这是因为为白道（月月球运行行轨道）和和黄道（地地球运行行的轨道道）不相相一致的的缘故。但但望时的的月球如如果距离离交点太太远，将将不能发发生月蚀蚀；必须须在某一一定距离离之内，才才可以发发生

16、月食食，这一一定的界界限，叫叫做月蚀蚀限；这这限界是是随日、月月、地球球的距离离和白道道交角的的变化而而略有变变动，最最大值为为12.2，最小小值为99.5。月蚀蚀最长时时共维持持3小时400分，其其中1时40分为为全蚀，其其余两小小时为偏偏蚀。月月蚀如在在地平以以上发生生，则因因地球自自转，故故可见地地区超过过半个地地球。月月全蚀时时因地球球大气反反射红光光进入地地影，故故可见古古铜色微微光之月月面。月月蚀次数数虽较少少，但见见蚀带极极广，而而日蚀带带狭窄，故故同一地地区之居居民，看看见月蚀蚀之次数数较日蚀蚀多。【光速】 一般指指光在真真空中的的传播速速度。真真空中的的光速是是物理学学的常数

17、数之一，它它的特征征是：（1）一切电磁辐射在真空中传播的速率相同，且与辐射的频率无关；（2）无论在真空中还是在其他物质媒质中，无论用什么方法也不能使一个信号以大于光速c的速率传播；（3）真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为c=2.997931010厘米秒，那么，在相对此参照系以速度v平行于光信号运动的另一个伽利略参照系中，所观测到的光信号一定也是c，而不是cv（或c-v），这就是相对论的基础；（4）电磁学理论中的麦克斯韦方程和罗伦兹方程中都含有光速。当用高斯单位来写出这两个方程时，这一点特别明显。光在真空中的速度为c，在其他媒质中，光的速度均小于

18、c，且随媒质的性质和光波的波长而不同。【光速之测测定】 伽利略略曾经建建议，使使光行一一段7.5千米米的路程程以测定定其速度度，但因因所用的的设备不不完善而而未成功功。此后后，直到到16775年，丹丹麦学者者罗默在在巴黎求求得光速速之可用用数值。罗罗默把他他的观察察扩展到到宇宙之之间，而而其所用用的研究究对象则则为木星星卫星的的成蚀。这这些卫星星之中最最内层的的因此，每经经过此一一周期之之间隔，M便再次进入木星J之阴影中，而使地球上的观察者暂时无法看到它。罗默发现，当地球E环绕太阳S作公转木星卫星的的成蚀要要迟144秒钟会会才发生生；又当当地球在在同一时时间（即即至于木星卫卫星的实实际绕转转周

19、期，则则可根据据地球公公转到EE5或E8时所作作之观测测求得。罗罗默认为为此一现现象，确确实是由由于地球球从E1运行到到W2之时，光光之进行行必须跟跟在地球球后面追追赶上去去，而当当地球由由E6运行到到E7时，则则光之进进行可对对着地球球迎着赶赶上所致致。由此此可知，E1与E2或E6与E7之间的距离，与地球在木星的卫星绕木星一周所需要的时间内运行的路程相符合。因为地球公转速度为30千米秒，所以此二距离都是等于42.5606030（千米），约为，4 600 000千米。这说明光需要多走14秒钟始能赶上地球由E1至E2的这一段距离；另一方面它在地球由E6至E7向光迎头赶上的这段距离中，光之行进却能

20、省下14秒钟。由此得到光速约稍大于300 000千米秒（4 600 00014328 000千米秒）。当地球由E2远离木星而继续运转至E3、E4等处时，那么当靠近E5时，则每次成蚀延迟之时间相继地累积起来，直到地球渐近于E5时成蚀延迟时间逐渐减少为零了（此乃由于木星与地球间的距离之增加，由于接近E5而渐渐减少，终于抵达E5而趋于零所致）。故成蚀延迟之时间，当地球在半年之中由E8运转至E5时，每次成蚀延迟时间相加起约等于1000秒。这也就是光从木星到达E5和光从木星到达E8这两段行程所需的时间差（亦即光行经地球公转轨道直径E5E8所需之时间）。由天文学上可知地球公转的轨道这直径为d=300 00

21、0 000千米；利用此数值计算出的光速为这一数值要要比根据据每连续续两次木木星卫星星成蚀之之时差所所求得的的光速更更可靠一一些。罗罗默测出出的光速速c=3315 0000千米秒，和和现在科科学家采采用更较较精细的的量度方方法在真真空中求求得之光光速的数数值c=2999 69964千米秒，实实极接近近。c=2999 7996这个个数值是是美国物物理学家家迈克耳耳孙测出出的。在在激光得得以广泛泛应用以以后，开开始利用用激光测测量光速速。其方方法是测测出激光光的频率率和波长长，应用用c=计算出光速速c，目前前这种方方法测出出的光速速是最精精确的。根根据19975年年第155届国际际计量大大会决议议，

22、把真真空中光光速值定定为c2999 7992 4458米米秒。在通常应用用多取cc=3108米秒秒。【迈克耳孙孙】 MMichhelsson（1855219331年）美美国物理理学家。他他创造的的迈克耳耳孙干涉涉仪对光光学和近近代物理理学是一一巨大的的贡献。它它不但可可用来测测定微小小长度、折折射率和和光波波波长等，也也是现代代光学仪仪器如付付立叶光光谱仪等等仪器的的重要组组成部分分。他与与美国化化学家莫莫雷（11838819223年）在在18887年利利用这种种干涉仪仪，作了了著名的的“迈克耳耳孙莫雷实实验，这这一实验验结果否否定了以以太的存存在，从从而奠定定了相对对论的实实验基础础。199

23、26年年用多面面旋镜法法比较精精密地测测定了光光的速度度。【光的直线线传播定定律】 光在均均匀媒质质中是沿沿着直线线传播的的。因此此，在点点光源（即即其线度度和它到到物体的的距离相相比很小小的光源源）的照照明下，物物体的轮轮廓和它它的影子子之间的的关系，相相当于用用直线所所做的几几何投影影。光的的直线传传播定律律是人们们从实践践中总结结出来的的。而直直线这一一概念本本身，显显然也是是由光学学的观察察而产生生的。作作为两点点间的最最短距离离是直线线这一几几何概念念，也就就是光在在均匀媒媒质中沿沿着它传传播的那那条线的的概念。所所以自古古以来，在在实验上上检查产产品的平平直程度度，均以以视线为为准

24、。但但是，光光的直线线传播定定律并不不是在任任何情况况下都是是适用的的。如果果我们使使光通过过很小的的小孔，则则我们只能得得到一个个轮廓有有些模糊糊的小孔孔的像。孔孔越小，像像越模糊糊。当孔孔而引起的。【光的反射射】 光遇到到物体或或遇到不不同介质质的交界界面（如如从空气气射入水水面）时时，光的的一部分分或全部部被表面面反射回回去，这这种现象象叫做光光的反射射，由于于反射面面的平坦坦程度，有有单向反反射及漫漫反射之之分。人人能够看看到物体体正是由由于物体体能把光光“反射”到人的的眼睛里里，没有有光照明明物体，人人也就无无法看到到它。【光的反射射定律】 在光的反射过程中所遵守的规律：（1）入射光

25、线、反射光线与法线（即通过入射点且垂直于入射面的线）同在一平面内，且入射光线和反射光线在法线的两侧；（2）反射角等于入射角（其中反射角是法线与反射线的夹角。入射角是入射线与法线的夹角）。在同一条件下，如果光沿原来的反射线的逆方向射到界面上，这时的反射线一定沿原来的入射线的反方向射出。这一点谓之为“光的可逆性”。【漫反射】 当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，因面上凹凸不平，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。这种反射的光称为漫射光。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，但用放大镜仔细观

26、察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方向。【平面镜】 镜的反射面是光滑平坦的面，叫做平面镜。普通使用的镜是在磨平后的玻璃背面涂有银，或涂锡和水银的合金。物体放在镜前时，物体即映于镜中而可以看见。这是由于物体反射出的光，于镜面反射后进入眼睛所致。平面镜成像，并非光线实际的集合点，所以叫做虚像。平面镜所成之像的大小和原物体相同，其位置和原物体成对称，因为像和镜面的距离，恒与物体和镜面的距离相等。实物在两平面镜间可引起多次反射而形成复像，其在每镜中除由原物各成一像小，余皆互以他镜之像为物而形成。【潜望镜】 从海面下伸出海面或从低洼坑道伸出地面，用以窥

27、探海面或地面上活动的装置，其构造与普通的望远镜相同，唯另加两个反射镜使物光经两次反射而折向眼中。潜望镜常用于潜水艇，坑道和坦克内用以观察敌情。【球面镜】 反射面为球面的镜，可用以成像。球面镜有凹、凸两种，反射面为凹面的称“凹面镜”，反射面为凸面的称“凸面镜”。连接镜面顶点与其球心的直线称为“主轴”。与主轴相近而与它平行的一束光线，被镜面反射后，反射光线（或其延长线）与主轴相交，其交点称为“焦点”。镜面顶点和焦点之间的距离称为“焦距”，等于球半径的一半。凹镜的球心和焦点（实焦点）都在镜前，凸镜的球心和焦点（虚焦点）都在镜后。凹镜有使入射光线会聚的作用，所以也称“会聚镜”，凸镜有使入射光线发散的作

28、用，所以也称“发散镜”。在反射望远镜中用到凹镜；在汽车前面供驾驶员看后面车辆情况的镜子，则是凸镜。【反射率】 又称“反射本领”。是反射光强度与入射光强度的比值。不同材料的表面具有不同的反射率，其数值多以百分数表示。同一材料对不同波长的光可有不同的反射率，这个现象称为“选择反射”。所以，凡列举一材料的反射率均应注明其波长。例如玻璃对可见光的反射率约为4，锗对波长为4微米红外光的反射率为36，铝从紫外光到红外光的反射率均可达90左右，金的选择性很强，在绿光附近的反射率为50，而在红外光的反射率可达96以上。此外，反射率还与反射材料周围的介质及光的入射角有关。上面谈及的均是指光在各材料与空气分界面上

29、的反射率，并限于正入射的情况。【球面镜成成像】 对于凸凸面镜只只能使特特成正立立、缩小小的虚像像。如图图42（a）所示示。由物物A点出发发的平行行于光轴轴的光线线，达到到镜面后后将反射射，其反反射光的的延长线线必交球球面镜的的焦点FF上。而而从A射向F的光线线被球面面反射后后将平行行于光轴轴。这两两条反射射线，没没有实交交点，只只有虚交交点A，也就就是说视视觉认为为这两条条光线是是从A发出的的。物体体上的BB点发出出的沿光光轴的光光线，即即平行于于光轴，又又过焦点点，故BB为B点的像像。在物物体ABB上的各各点，接接照前述述办法作作图，其其各点的的像点都都在AB上，故故AB即为ABB的像。无无

30、论物AAB在何何处，它它所发出出的光射射到球面面镜后而而反射的的光，没没有实交交点，因因此所成成之像必必为虚像像。由图图中可以以看出，物物体在轴轴的上方方，所成成的虚像像也在轴轴的上方方，故所所成之像像为正立立。无论论AB在什什么位置置，从AA点出发发的平行行于轴的的光线一一定在AAF方向向的光线线的上方方。此两两线的交交点A必比A点更靠靠近轴，所所以像是是缩小的的。根据据上述方方法作图图可知凹凹透镜成成像可有有三种情情况：（1）物在凹镜前二倍焦距以外时，是倒立缩小的实像，见图42（b）。（2）物在两倍焦距以内，焦点以外时，则成倒立放大的实像，见图42（c）。（3）当物位于焦点以内时，则成正立

31、的放大的虚像，见图42（c）。【光的折射射】 凡光线线在通过过疏密不不同介质质交界面面时改变变方向的的现象，称称为光之之折射。如如图43所示，光光线ABB由空气气内斜向向射至水水面，自自入射点点B起，就就向这点点的法线线EE偏折而而取BMM的方向向。若在在水底置置一平面面镜M，使反反射线MMC再由由水中透透入空气气，则自自入射点点C起，离离开法线线FF偏折，而而取CDD的方向向。偏折折后的光光线BMM和CD，称称为折射射线，折折射线和和法线所所成的角角，如EBM和FCDD，称为为折射角角。由此此可知光光线由稀稀的介质质入射到到密的介介质时，折折射线常常向法线线偏向，故故折射角角常比入入射角小小

32、；若由由密的介介质透入入稀的介介质时，折折射线常常离法线线而偏向向，折射射角常比比入射角角大。当当光线通通过介质质的密度度在不断断变化时时，光线线前进的的方向也也随之而而改变，因因此我们们隔着火火盆上的的热空气气看对面面的东西西时，会会觉得那那东西不不停地在在闪动着着。这是是由于火火盆上面面的空气气因受热热很快地地上升，这这部分空空气的密密度便和和周围空空气的密密度不同同，而且且热度还还不断在在变化，当当由物体体射来的的光线通通过这样样的空气气，其折折射光线线的路径径不断发发生变化化，就会会使物体体变成了了闪动的的形状。在在炎夏中中午时分分，假使使躺在地地上来看看树木、房房屋和人人物，它它们的

33、轮轮廓好像像是透过过一层流流动的水水一样，而而且动摇摇不定。这这是因为为那时十十分炎热热，地面面的辐射射热很多多，温度度高，接接近地面面的空气气受热，密密度变小小，因而而上升，成成为向上上流动的的气流，由由物体射射来的光光线通过过这种变变动着的的气流折折射光线线的路径径就不断断改变，因因此所看看到的物物便都动动摇不定定。我们们在夜里里看到天天空中恒恒星的闪闪动，也也是这个个道理。大大气里经经常存在在着密度度不同的的气流和和旋涡，当当恒星的的光线通通过这种种气流时时，就会会使它原原来折射射的路径径发生变变化，一一会儿到到左，一一会儿到到右，恒恒星是不不会闪动动的，都都是这折折射光造造成的。又又如

34、太阳阳位于地地平线附附近时，光光之折射射作用尤尤大。在在地平线线下的太太阳，阳阳光从太太空（真真空）平平射至逐逐渐变化化的光密密媒质空空气中而而发生的的折射，光光线传到到地面是是一曲线线，因为为光之折折射的关关系，太太阳看上上去就如如同刚刚刚接触到到地平线线的下缘缘一样，其其实它业业已落至至地平线线以下了了。同理理，当太太阳刚刚刚还在地地平线下下的时候候，看上上去它已已升起来来了。所所以我们们可以说说：太阳阳实际上上比我们们肉眼所所见的要要落得早早些而起起的迟些些；这等等于说，光光之折射射将我们们的白天天稍稍加加长了一一点。【折射定律律】 在光的的折射现现象中，确确定折射射光线方方向的定定律。

35、当当光由第第一媒质质（折射射率n1）射入入第二媒媒质（折折射率nn2）时，在在平滑界界面上，部部分光由由第一媒媒质进入入第二媒媒质后即即发生折折射。实实验指出出：（11）折射射光线位位于入射射光线和和界面法法线所决决定的平平面内；（2）折射射线和入入射线分分别在法法线的两两侧；（3）入射角i的正弦和折射角i的正弦的比值，对折射率一定的两种媒质来说是一个常数，即此定律是几几何光学学的基本本实验定定律。它它适用于于均匀的的各向同同性的媒媒质。用用来控制制光路和和用来成成象的各各种光学学仪器，其其光路结结构原理理主要是是根据光光的折射射和反射射定律。此此定律也也可根据据光的波波动概念念导出，所所以它

36、也也可应用用于无线线电波和和声波等等的折射射现象。【折射率】 表示在两种（各向同性）媒质中光速比值的物理量。光从第一媒质进入第二媒质时（除垂直入射外），任一入射角的正弦和折射角的正弦之比对于折射率一定的两种媒质是一个常数。这常数称为“第二媒质对第一媒质的相对折射率”。（n12），并等于第一媒质中的第一媒质）的的折射率率称为这这媒质的的“绝对折折射率”，简称称“折射率率”。由于于光在真真空中传传播的速速度最大大，故其其他媒质质的折射射率都大大于1。同一一媒质对对不同波波长的光光，具有有不同的的折射率率；在对对可见光光为透明明的媒质质内，折折射率常常随波长长的减小小而增大大，即红红光的折折射率最最

37、小，紫紫光的折折射率最最大。通通常所说说某物体体的折射射率数值值多少（例例如水为为1.333，玻玻璃按成成分不同同而为11.51.99），是是指对钠钠黄光（波波长5889310-110米）而而言的。【光密与光光疏媒质质】 折射率率较大的的媒质（光光在其中中速度较较小）与与折射率率较小的的媒质（光光在其中中速度较较大）相相比较，前前者称“光密媒媒质”，后者者称“光疏媒媒质”。如水水对空气气为光密密，空气气对水为为光疏。光光从光疏疏媒质进进入光密密媒质时时，要向向接近法法线方向向折射，即即折射角角小于入入射角；光从光光密媒质质进入光光疏媒质质时，要要离开法法线折射射，即折折射角大大于入射射角。【折

38、射定律律的解释释】 折射定定律的解解释，是是利用原原始形态态的惠更更斯原理理。这种种形式的的惠更斯斯原理，实实质上是是几何光光学的原原理，并并且严格格地说，只只有在几几何光学学适用的的条件下下，也即即在光波波的波长长和波阵阵面的线线度相比比为无穷穷小时，才才能够加加以应用用。在这这些条件件下，它它使我们们能够导导出几何何光学的的折射定定律。假假设以vv1表示第第一种媒媒质中的的光波速速度，以以v2表示第第二种媒媒质中的的波速。设设i是波阵阵面的法法线OCC与折射射媒质表表面的法法线ODD之间的的夹角，见见图44。设在在时刻tt=0，波波阵面的的C点到达达媒质表表面时，和和点O重合，则则在波阵阵

39、面从AA点到达达第二种种媒质（点点B）所需需的时间间为，次波波便从作作为中心心的点OO出发，传传播到某某一个距距离Off。以点点O1，O2等为中中心的各各个次波波，到指指定时刻刻都传播播到相应应的距离离，在第第二种媒媒质中给给出许多多元球面面波f1、f2。按按照惠更更斯原理理，诸元元波的包包络面，即即平面BBf2f1f，指出出波阵面面的实在在位置。显显然将数值AB=vv1和Of=v2代入式式中，得得到：v1siinr=v2sinni或由此看到，惠惠更斯的的理论解解释了折折射定律律，并且且很容易易使折射射率的数数值和傅傅科在1150多多年以后后所做的的实验结结果相符符。应当当注意，在在折射现现象

40、中，光光经过两两种媒质质，所以以折射率率与两种种媒质有有关，当当光由媒媒质射入媒媒质，这个个折射率率是指媒媒质对媒质质的相对对折射率率，通常常记作折射率，通通常用nn来表示示，显然然【全反射】 光由光密（即光在其中传播速度较小的）媒质射到光疏（即光在其中传播速度较大的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。光由光密媒质进入光疏媒质时，要离开法线折射，如图45所示。当入射角增加到某种情形（图中的e射线）时，折射线延表面进行，即折射角为90，该入射角c称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反回光密媒质（如图f、g射线），此现象称为全反射。当光线由光疏媒质射到光密媒质时，因为光线靠

41、近法线而折射，故这时不会发生全反射。【临界角】 光从光密媒质射到光疏媒质的界面时，折射角大于入射角。当折射角为90时，折射光线沿媒质界面进行，这时的入射角称为“临界角”。当入射角大于临界角时，折射定律就无法适用了，而只会发生全反射现象。光由水进入空气的临界角约为48.5，从玻璃进入空气的临界角，随玻璃的成分不同而异，约在3042之间。利用光的折射定律可以求出其临界角。应注意，这时光是由光密媒质射向光疏如果光是由由某种媒媒质射向向空气界界面，则则n是该媒媒质对空空气的折折射率，【光导纤维维】 光导纤纤维是利利用全反反射规律律而使光光沿着弯弯曲途径径传播的的光学元元件。它它是由非非常细的的玻璃纤纤

42、维组成成束，每每束约有有几万根根，其中中每根通通常都是是一种带带套层的的圆柱形形透明细细丝，直直径约为为510微米米，可用用玻璃、石石英、塑塑料等材材料在高高温下控控制而成成。它已已被广泛泛地应用用于光学学窥视（传传光、传传像）和和光通讯讯。光导导纤维的的结构如如图46所示，内内层材料料选取的的折射率率大，外外层材料料的折射射率低，就就是要在在内外层层之间的的界面上上产生全全反射，以以保证光光的传输输效率。如如图47所示，单单箭头线线表示临临界光线线，它在在内外层层分界面面上的入入射角等等于或小小于临界界角A。若在在折射率率为n0的媒质质中入射射角大于于i0的那些些光线（以以双箭头头表示），在

43、在n1、n2分界面面上的入入射角就就小于AA，这些些光线无无法通过过纤维而而在其中中传播。只只有在媒媒质n0中其顶顶角为22i0的锥体体内的全全部光线线才能在在光学纤纤维中传传播，根根据临界界角的定定义。和折射定律律n0sinni0=n1sinni1可得所以对于一一定的nn1和n2，i0的值是是固定的的，纤维维所容许许传播的的光线所所占的范范围是一一定的。要要使更大大范围内内的光束束能在光光学纤维维中传播播，应该该选择nn1和n2的差值值较大的的材料。通通常把nn0sinni0的值叫叫做光导导纤维的的数值孔孔径。光光导纤维维可用于于潜望镜镜和内窥窥视系统统，它可可以窥视视人眼所所观察不不到的或

44、或有损于于人体健健康的地地方。国国防上可可以制成成各种坦坦克、飞飞机或舰舰艇上的的潜望镜镜。医学学上可以以用来制制作胃、食食道、膀膀胱等内内腔部位位进行检检查和依依断的各各种医用用窥镜。如如果配有有大功率率激光传传输的光光学纤维维，还可可进行内内腔激光光治疗。由由于光纤纤通讯与与电通讯讯相比具具有许多多优点，诸诸如抗电电磁干扰扰性强、频频带宽和和保密性性好、通通讯容量量大，设设备轻巧巧，制取取纤维的的二氧化化硅的资资源又十十分丰富富。近年年来已有有数百条条光纤通通讯线路路在世界界各地进进行试验验或正式式运动。光光导纤维维的问世世，为光光能的应应用开辟辟了更广广阔的天天地。【棱镜】 透明材材料（

45、如如玻璃、水水晶等）做做成的多多面体。在在光学仪仪器中应应用很广广。棱镜镜按其性性质和用用途可分分为若干干种。例例如，在在光谱仪仪器中把把复合光光分解为为光谱的的“色散棱棱镜”，较常常用的是是等边三三棱镜；在潜望望镜、双双目望远远镜等仪仪器中改改变光的的进行方方向，从从而调整整其成像像位置的的称“全反射射棱镜”，一般般都采用用直角棱棱镜。【棱镜的偏偏向角】 光通过一三棱镜的偏向角等于入射角与出射角之和减去棱镜的折射棱角。如图48所示。a为棱镜的折射棱角，当光束SB入射到棱镜时，经连续发生两次折射，出射光线（CS和入射光线SB之间的夹角，叫做偏向角“”。由图不难看出：=（i11-i2）+（i1-

46、i2）=（i1+i1）-（i2+i2）=i1+i1-a如果保持入入射线的的方向不不变，而而将棱镜镜绕垂直直于图面面的轴线线旋转，则则偏向角角必然随随之而改改变。可可以证明明，如果果入射角角等于出出射角时时，即在在i1=i1时，则则偏向角角最小，称称为最小小偏向角角。用minn表示。min=2i11-由此可得又当i1=i2时，折折射角利用这两个个特殊的的入射角角和折射射角，可可以计算算棱镜材材料的折折射率利用最小偏偏向角测测折射率率，非常常方便也也很精确确。折射射棱角aa很小的的棱镜，光光线通过过它时产产生的偏偏向角可可按下列列方法推推出。即即由折射射定律可可知sini11nsiini22，si

47、nnii1=nssinii2。在折射棱角角a很小和和近轴光光线的条条件下，BEC的底角i2，i2很小，所以i1nii2,i1ni2则有=ni22+nii2-=n(i2+i2)-=(nn-1)运用这个近近似关系系，可以以推导出出薄透镜镜的物像像关系式式。【色散】 复色光光被分解解为单色色光，而而形成光光谱的现现象，称称之为“色散”。色散散可通过过棱镜或或光栅等等作为“色散系系统”的仪器器来实现现。例如如，白色色光线射射于三棱棱镜，则则通过棱棱镜之后后，光线线被分散散为由不不同颜色色光组成成的色彩彩光谱。如如一细束束阳光可可被棱镜镜分为红红、橙、黄黄、绿、蓝蓝、靛、紫紫七色光光。这是是由于复复色光

48、中中的各种种色光的的折射率率不相同同。当它它们通过过棱镜时时，传播播方向有有不同程程度的偏偏折，因因而在离离开棱镜镜则便各各自分散散。折射射率较大大的紫色色光偏向向大，而而折射率率较小的的红光则则偏向小小。由于于各色光光的折射射率有大大小之分分（这是是由于各各色光的的频率不不同造成成的，频频率高的的折射率率大），所所以非单单色光才才会发生生色散。当当一白光光由空气气射入水水或玻璃璃时，折折射后分分成各色色的光，若若玻璃为为两面平平行的平平板，则则光从玻玻璃射出出的线平平行，不不同色光光再行重重叠，并并未发现现色散现现象。若若光通过过棱镜，不不同色光光之出射射线不平平行，色色散现象象较易观观察。

49、【光谱】 复色光光经过色色散系统统（如棱棱镜、光光栅）分分光后，被被色散开开的单色色光按波波长（或或频率）大大小而依依次排列列的图案案。例如如，太阳阳光经过过三棱镜镜后形成成按红、橙橙、黄、绿绿、青、蓝蓝、紫次次序连续续分布的的彩色光光谱。红红色到紫紫色，相相应于波波长由77，70003800010100米的区区域，是是为人眼眼能感觉觉的可见见部分。红红端之外外为波长长更长的的红外光光，紫端端之外则则为波长长更短的的紫外光光，都不不能为肉肉眼所觉觉察，但但能用仪仪器记录录。因此此，按波波长区域域不同，光光谱可分分为红外外光谱，可可见光谱谱和紫外外光谱；按产生生的本质质不同，可可分为原原子光谱谱

50、、分子子光谱；按产生生的方式式不同，可可分为发发射光谱谱、吸收收光谱和和散射光光谱；按按光谱表表观形态态不同，可可分为线线光谱、带带光谱和和连续光光谱。光光谱的研研究已成成为一门门专门的的学科，即即光谱学学。光谱谱学是研研究原子子和分子子结构的的重要学学科。【透镜】 光学仪仪器的一一种重要要元件，由由透明物物质（如如玻璃、水水晶等）制制成。光光线通过过透镜折折射后可可以成像像。按照照其形状状或成像像要求的的不同，透透镜可分分为许多多种类，如如两面都都磨成球球面，或或一面是是球面另另一面是是平面的的称“球面透透镜”；两面面都磨成成圆柱面面，或一一面是圆圆柱面一一面是平平面的称称“柱面透透镜”。透

51、镜镜一般可可分为凸凸透镜和和凹透镜镜两大类类。【凸透镜】 凸透镜是中央部分较厚的透镜。凸透镜分为双凸、平凸和凹凸（或正弯月形）等形式，如图49所示。薄凸透镜有会聚作用故又称聚光透镜，较厚的凸透镜则有望远、发散或会聚等作用，这与透镜的厚度有关。将平行光线（如阳光）平行于轴（凸透镜两个球面的球心的连线称为此透镜的主光轴）射入凸透镜，光在透镜的两面经过两次折射后，集中在轴上的一点，此点叫做凸透镜的焦点（记号为F），凸透镜在镜的两侧各有一焦点，如为薄透镜时，此两焦点至透镜中心的距离大致相等。凸透镜之焦距如图410所示，是指焦点到透镜中心的距离，通常以f表示。凸透镜球面半径越小，焦距越短，凸透镜可用于放

52、大镜、老花眼及远视的人戴的眼镜、显微镜、望远镜的透镜等。【凹透镜】 两侧面均为球面或一侧是球面另一侧是平面的透明体，中间部分较薄，称为四透镜。分为双凹、平凹及凸凹透镜三种，如图411a所示之A、B、C。其两面曲率中心之连线图411b所示之G1H，称为主轴，其中央之点O称为光心。通过光心的光线，无论来自何方均不折射。图411c表示，平行主轴之光束，照于凹透镜上折射后向四方发散，逆其发散方向的延长线，则均会于与光源同侧之一点F，其折射光线恰如从F点发出，此点称为虚焦点。在透镜两侧各有一个。凹透镜又称为发散透镜。四透镜的焦距，如图4-12所示。是指由焦点到透镜中心的距离。透镜的球面曲率半径越大其焦距

53、越长，如为薄透镜，则其两侧之焦距相等。【物和像】 人们能感觉到物，是由于物体各点所反射的光，经过人眼这个光学系统（相当一个焦距可调的凸透镜）成像于视网膜上，再由视神经传到大脑而造成视觉，从光学的角度讲，物点是发散光束的顶点，所以物就是由这些发散光束顶点的组合而成。如果光束经不同媒质的界面反射或折射以后，光线的方向虽然改变了，但反射光线或折射光线所构成的光束仍然有一个顶点“P”，这个顶点P就叫做像点，在这种情况下，每个像点和物点间建立了一一对应的关系。这些像点的组合就是像。如果光束中各光线确实在某点会聚，那么该会聚光束的顶点叫做实像；如果光束经界面反射或折射后是发散的，但这些光线反向延长后，能够

54、找到光束的顶点，则该发散发束的顶点叫做虚像。物和像则是这些光束顶点的集合。在空间中的物，它向所有方向反光，眼睛无论在何处，只要找对方向都可以看到物。像则不然，因为平面镜或透镜的反射或折射的光束不是向所有方向，光束总是局限在一定的范围内。如果人眼恰处于光束所在的范围内，便可看到像，但是当眼睛位于反射或折射光束的范围之外时，眼睛是看不到像的。因为这些光束不能进入人的眼睛。【实像和虚虚像】 物体发发出的光光线经过过光具组组（如反反射镜、透透镜组等等）反射射或折射射后，重重新会聚聚而造成成的与原原物相似似的图景景，实像像可以显显映在屏屏幕上，能能使照像像底片感感光。摄摄影或放放映电影影都必须须利用实实

55、像。若若物体发发出的光光线经光光具组反反射或折折射后，如如为发散散光线，则则它们反反向的延延长线（虚虚光线）相相交时所所形成的的像称为为“虚像”。虚像像不能显显映在屏屏幕上，也也不能使使照像底底片感光光，只能能用人眼眼观察到到。在放放大镜、显显微镜、望望远镜等等光学仪仪器中观观察到的的像都是是虚像。【虚物】 在光具具组中，常常按不同同的要求求使几个个透镜来来达到成成像的目目的，以以两个透透镜为例例，如果果第一个个透镜所所形成的的实像位位于第二二个透镜镜的后面面，则对对第二个个透镜来来说，这这像就称称为“虚物”。【光学的特特定名称称】 在研究究透镜成成象光学学中有几几个重要要的特定定名称。它它们

56、是：（1）主光光轴它是是连接透透镜两球球面曲率率中心的的直线。（2）副光轴通过光心的任意直线。所以副光轴有无数条。（3）光心透镜主轴上的一个特殊点。通过光心的光线，其出射方向和入射方向互相平行，但可有旁向的平行位移，对薄透镜一般认为其方向不变。薄透镜的中心可以近似地当作光心，射向薄透镜中心的光线可认为无折射地通过。（4）焦点平行光束经透镜折射或曲面镜反射后的交点。有实焦点和虚焦点两类。薄透镜两边的焦点对称。而一般透镜的第一焦点（物方焦点）和第二焦点（像方焦点）不对称。（5）主焦点平行于透镜的主光轴的平行光束，经反射或折射后和主光轴相交的点。（6）副焦点平行于跟主光轴夹角不大的副光轴的光线，经透

57、镜折射后会聚（或发散光线的反方向的延长线）于该副光轴上的一点。副焦点都处在焦平面上。（7）焦平面通过透镜（球面镜）主焦点并和主光轴垂直的平面。和主光轴成任意角度的平行光线经折射后相交的交点，均处于焦平面上。（8）焦距薄透镜的中心到焦点之间的距离。（9）焦度透镜或透镜组焦距的倒数。会聚透镜的焦度规定为正，发散透镜的焦度规定为负。如果焦距用米作单位时，焦度的单位叫做屈光度；而眼镜的焦度通常用度作为单位，1度为1屈光度的百分之一。【物像公式式】 描述物物像位置置以及它它们和透透镜或透透镜组的的特征量量之一（焦焦距）之之间的关关系式。对对一个薄薄凸透镜镜可以认认为是由由底面朝朝向透镜镜中央的的许多棱棱

58、镜的集集合，而而这些棱棱镜的顶顶角是很很小的，对对于顶角角很小的的棱镜来来说，如如果构成成棱镜的的材料的的折射率率为n，顶角角为A，那么么在近轴轴光线的的条件下下，其偏偏向角为常数数（n-1）A。当棱棱镜给定定后，近近轴光线线的偏向向角是不变变的。我我们可以以利用此此关系来来推导薄薄透镜的的物像公公式。如如图413aa所示，设设PM为平平行光束束所任一一条光线线在M点入射射，而OOM=hh，则出出射光线线MF必通过过透镜的的焦点FF，OF=f，f为透镜镜的焦距距。根据据近轴光光线的条条件，即即fh，偏偏向角近近似为当主轴的物物点P发出的的任一近近轴光线线PM入射射到透镜镜的M点时，图图413b

59、b所示，在在理想成成像的条条件下，出出射光线线MP和主轴轴的交点点P为像点点，此时时偏向角角也应相相同。令令物距OOP=uu，像距距OP=v，由由图b中的几几何关系系可知+=在近轴光线线的条件件下，可可得该式叫做高高斯公式式。平面面镜、球球面镜和和薄透镜镜所形成成的像的的位置，可可以根据据物像关关系式求求得，最最基本的的公式有有两个，即即高斯公公式其中u是物物距代表物物到透镜镜（或面面镜）的的距离；v是像距距代表表像到透透镜（或或面镜）的的距离；f为透镜镜的焦距距。K是像的的横向放放大率。此此二关系系式对三三种光具具组都适适用。下下表表明明在三种种透镜中中应用情情况。 光具公式透镜球面镜平面镜

60、焦距f物像公式横向放大率率【符号法则则】 用物像像公式进进行计算算时，应应注意关关系式中中的各项项都是代代数值。因因为只有有取代数数值，公公式才具具有普遍遍意义，否否则会造造成、凹凹球面、凸凸球面、凹凹透镜、凸凸透镜的的物像公公式各不不相同，把把问题变变得复杂杂。各特特定光学学量的符符号的采采用法则则是很重重要的，若若符号选选错，则则所有的的计算全全都错了了。下面面就其应应用法则则归纳为为：（11）所有有距离从从光心（或或顶点）量量起；（2）对于实像v取正值，对于虚像v取负值；对于实物u取正值，对于虚物u取负值；（3）凡已知量，其数值前必须冠以符号；凡未知量，必须根据求出的符号来确定物像的性质