第1章-光和光的传播.ppt

1、主要内容：,1. 几何光学三定律 2. 全反射 3. 惠更斯原理 4. 费马原理 5. 光程,1 光和光学,1.1 光的本性,波粒二象性,光是电磁波； 在传播过程中表现波动性； 在与物质（原子）相互作用时表现粒子性。,1.2 光源与光谱,1. 光源：任何发光的物体,2. 光的发射,1）热辐射：在一定温度下处于热平衡状态下 物体的辐射,2）光的非热辐射,如，太阳、白炽灯,电致发光、荧光、磷光、化学发光、生物发光,3. 光的强度 I,光的强度是指单位面积上的平均光功率， 也就是光的平均能流密度,在光频波段，所有磁化机制都不起作用，,坡印廷矢量的瞬时值,光矢量简谐振动，,所以，光强,同种介质中只关心

2、光强的相对分布，则取,4. 光谱,各种普通光源发出的光的波长大都不是单一的，即不是单色光。,：波长在 到 之间的光的强度,：单位波长区间的光强，即谱密度,光谱：非单色光的谱密度按波长的分布,总光强：,连续光谱,线光谱,2 光的几何光学传播定律,2.1 几何光学三定律,（1）光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播,物体的影子,小孔成像,（2）反射定律,i1,a.反射角等于入射角,b.反射线与入射线都在入射面内,n1,n2,（3）折射定律,i1,b. 入射角正弦与折射角正弦的关系：,a.折射线与入射线都在入射面内,n1,n2,（斯涅耳折射定律）,斯涅耳折射定律：,几种常见透明介质对钠黄光的折射

3、率：,几何光学实验三定律是近似的。,成立条件：空间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光的波长。,例题1 在水中深度为y处有一发光点Q，做QO面垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点 的深度 与入射角i的关系。,M,解：由几何关系可知，,又 折射定律,讨论：,入射角i改变， 值就改变,说明由水下光源发出的不同方向的光线，折射后的延长线不再交于同一点,若i0，则,例题2 用作图法求任意入射线在球面上的折射线,分析： 说明折射线必定处于法线和入射线的延长线之间。,连接 交MH于H点。正弦定理得：,M,H,2.2 全反射,斯涅耳折射定律：,若n1n2，折射角将随着入射角的变大而变大。,意味着

4、折射线消失！,光线全部被反射-全反射现象,对应的入射角，即全反射临界角,全反射临界角,玻璃折射率n1: 1.5-2.0,空气折射率n2=1,各种玻璃到空气的全反射临界角：,（1）全反射棱镜,（a）,（b1）,（b2）,（c）,（2）光导纤维,（直径几微米的单根或多根玻璃纤维组成）,光线多次全反射后传到另一端,应用：内窥镜、光纤通讯,2.3 棱镜,（由透明介质做成的棱柱体）,主截面：与棱边垂直的平面,由图可知，入射线与出射线延长线之间的夹角即偏向角 满足：,偏向角：,可证明，对于给定的棱角 ， 当 或 时，偏向角 有最小值,棱镜折射率,棱镜的分光作用：,色散：折射率与光波长有关,应用：棱镜光谱仪

5、,2.4 光路的可逆性原理,i1,n1,n2,i1,n1,n2,反射,折射,当光线的方向反转时，光线将逆着同一路径传播。,例题4 利用光路的可逆性原理证明：棱镜产生最小偏向角的条件是光线相对于棱镜对称。,2,2,3,3,3 惠更斯原理,3.1 波的几何描述,波面（波阵面）：相位相同的各点组成的曲面,波线：各点切线方向代表该点波扰动传播的方向,各向同性介质中，波线总是与波面正交,波的几何描述：用波面或波线描绘波的传播情况,3.2 惠更斯原理,任一波阵面上的各点，都是发射子波的新波源，其后任意时刻，这些子波的包络面就是新的波阵面。,3.3 惠更斯原理解释反射定律、折射定律,反射,A,B,D,C,折

6、射,D,C,3.4 直线传播问题,C,D,根据惠更斯原理，次波的包络面CD是总扰动，而C、D之外的扰动是忽略不计的，从而说明了波的直进性。,任何波动的直进性只是波长远小于孔隙限度的条件下近似成立的规律。,4 费马原理,4.1 光程,M,N,P,光线从Q传到P所花的时间为：,光程：相同时间内在真空中传播的距离,4.2 费马原理,QP两点间光线的实际路径，是光程(QP)（或者说所需的传播时间 ）为平稳的路径,平稳，即一阶微分为0,=极小值、极大值或常数,4.3 由费马原理推导几何光学三定律,1. 均匀介质中直线传播定律,由两点之间直线最短这一几何公理知，光线必沿直线传播。,当光在均匀介质（或真空）中从A 点传播到B 点时，费马原理指出光线走最小路程。,i1,n1,n2,2. 反射定律,由图可知，Q、P之间光程 取最小值，须 三点共线。,容易求得：,3. 折射定律,P,由图可知，三角形 和 均为直角三角形，其中， 和 为对应的斜边。,要取得最小值，,应在垂直于分界面的平面