大學(xué)物理復(fù)習(xí)-幾何光學(xué)

1、大學(xué)物理主講教師：宮德維E-mail:2015physicsTelassword:2015physics教學(xué)內(nèi)容 光學(xué)（幾何光學(xué)，波動(dòng)光學(xué)）成績(jī)比例：期中30%，期末50%，平時(shí)10%，作業(yè)10%，附加題5%相對(duì)論熱學(xué)（熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)）量子力學(xué)2引言：光學(xué)的起源和光的本質(zhì) 我國(guó)早在春秋時(shí)代墨經(jīng)中記載了許多光學(xué)現(xiàn)象，如：光的直線傳播，反射、折射等，中國(guó)古代在幾何光學(xué)方面長(zhǎng)期在世界居于領(lǐng)先地位。 近代光學(xué)的發(fā)展一直伴隨對(duì)光的本質(zhì)的研究，他經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)代：古希臘（歐幾里德），把光看作觸須投射十七世紀(jì)開(kāi)始，對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)，有兩種學(xué)說(shuō)并立以牛頓為代表的微粒說(shuō)，認(rèn)為光是按照

2、慣性定律沿直線飛行的微粒，解釋光的直線傳播，反射、折射。無(wú)法解釋干涉、衍射、偏振光 學(xué)3 惠更斯提出光的波動(dòng)理論，認(rèn)為光是在一種特殊介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。解釋了光的反射、折射、衍射。 托馬斯.楊和菲涅爾（在十九世紀(jì)初）透過(guò)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步的理論工作，驗(yàn)證了光的波動(dòng)理論，成功地解釋了光的干涉、衍射。 波動(dòng)光學(xué)存在不足，把光看作是機(jī)械波，光在真空中傳播需要媒質(zhì)，于是臆想出“以太”，認(rèn)為真空中充滿了“以太”，但找不到。 十九世紀(jì)六十年代，麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言電磁波存在，1887年赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電磁波，電磁波的速度等于光速，認(rèn)為光是電磁波。 科學(xué)家們認(rèn)為光的本質(zhì)研究已完成-光是一種電磁波4

3、隨著技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)條件的完善，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，利用波動(dòng)光學(xué)無(wú)法解釋，1900年普朗克提出量子假說(shuō)，1905年愛(ài)因斯坦提出光子學(xué)說(shuō)。解釋了光電效應(yīng)。 目前關(guān)于光的本質(zhì)（光是什么）只能講： 光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。5少女？老婦？ 光在某些條件下表現(xiàn)出粒子性， 在另一些條件下表現(xiàn)出波動(dòng)性。例如：兩種圖象寓于同一幅畫(huà)中6光 學(xué) 分 類以直線傳播為基礎(chǔ)折射、反射定律物理光學(xué)波動(dòng)光學(xué)：以麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)，光的干涉、衍射、偏振量子光學(xué)：以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，光與物質(zhì)作用現(xiàn)代光學(xué)非線性光學(xué)激光光譜學(xué)信息光學(xué)全息術(shù)光纖通訊集成光學(xué)統(tǒng)計(jì)光學(xué).幾何光學(xué)7第16章 幾何光學(xué)幾何光學(xué)（Geo

4、metrical Optics）：又稱射線光學(xué)， 描述光的直線傳播規(guī)律。采用幾何方法研究光在介質(zhì)中的傳播及其應(yīng)用。816.1 幾何光學(xué)的基本規(guī)律2009.7.22四川省遂寧市大英縣觀察到的日全食 光在均勻的介質(zhì)中沿直線傳播。一、光的直線傳播定律9二、光的獨(dú)立傳播定律 來(lái)自不同方向的光線在介質(zhì)中相遇后，各自保持原來(lái)的傳播方向不變，繼續(xù)向前傳播。10 入射光線、反射面的法線以及反射光線三者處在同一平面內(nèi)，并且入射角和反射角相等。三、反射定律：光的反射en界面SR漫反射 光線可逆原理：光線方向逆轉(zhuǎn)時(shí)，它將逆向沿同一路徑傳播。11四、折射定律（Snells Law）入射光線折射光線 i 入射角折射角

5、enn1n2分界面折射光線總是位于入射面內(nèi)，并且入射光線和折射光線分居在分界面的法線的兩側(cè)，且入射角和折射角間滿足如下關(guān)系 ：五、全反射1213光導(dǎo)纖維的光路內(nèi)窺鏡全反射的應(yīng)用高琨2009諾貝爾獎(jiǎng)13一、 費(fèi)馬原理（Fermat Principle）兩種表述： （1）光線在兩點(diǎn)間的實(shí)際路徑是使所需的傳播時(shí)間為極值的路徑。 （2）兩點(diǎn)間光線的實(shí)際路徑，是光程取極值的路徑。16.2 共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像14光從S到P所用時(shí)間對(duì)連續(xù)介質(zhì)15極值的三種基本含義：極小值直線傳播、反射、折射極大值凹球面反射鏡恒定值成像系統(tǒng)的物像關(guān)系費(fèi)馬原理推論：物象等光程，即由物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過(guò)光具組后均應(yīng)以相等的

6、光程到達(dá)像點(diǎn) 。例1 證明反射定律二、費(fèi)馬原理的應(yīng)用16例2 證明折射定律根據(jù)費(fèi)馬原理17發(fā)散同心光束會(huì)聚同心光束二、共軸理想光學(xué)系統(tǒng)成像的基本概念同心光束：一束光線本身或其延長(zhǎng)線相交于一點(diǎn)，稱其為。 分為“會(huì)聚光束”和“發(fā)散光束”兩類。共軸理想光學(xué)系統(tǒng)：由球心在同一直線上的若干個(gè)折射球面和反射球面組成的、能保持光束同心性的光學(xué)系統(tǒng)。 這一直線稱為光軸。成像：入射同心光束通過(guò)共軸理想系統(tǒng)后變成出射同心光束的過(guò)程。物點(diǎn)：入射到共軸理想系統(tǒng)的同心光束的中心。用 P表示。像點(diǎn)：從共軸理想系統(tǒng)出射的同心光束的中心。用 Q表示。18 物點(diǎn)和像點(diǎn)都有虛實(shí)之分 實(shí)物成虛像虛物成實(shí)像虛物成虛像在理想光學(xué)系統(tǒng)中

7、，從物點(diǎn)到像點(diǎn)之間的各條光線的光程都相等。共軸理想系統(tǒng)共軸理想系統(tǒng)共軸理想系統(tǒng)實(shí)物成實(shí)像共軸理想系統(tǒng)19三、球面反射和折射成像折射球面：軸上物點(diǎn)的折射成像PpqrOMCnnQ頂點(diǎn)：球面的對(duì)稱中心點(diǎn)O 。 副光軸：通過(guò)曲率中心的任何直線（主光軸除外）。主光軸：球面頂點(diǎn)O和曲率中心C的連線 。 主截面：包含主光軸的截面。n ：物方介質(zhì)的折射率 n：像方介質(zhì)的折射率C ：球心(曲率中心)P：物點(diǎn)Q：像點(diǎn) 物距：物點(diǎn)P 到球面頂點(diǎn)O的距離PO。用 p 表示。 像距：像點(diǎn)Q 到球面頂點(diǎn)O的距離QO。用 q 表示。 傍軸光線：當(dāng)物面鏡的孔徑很小，入射光線和主軸很接近時(shí)， 稱為 20（1）物點(diǎn)在鏡前，物距

8、p0 ；物點(diǎn)在鏡后，物距 p0 ；像點(diǎn)在鏡前，像距 q0。（3）凹面鏡的曲率半徑 r為正，凸面鏡的曲率半徑 r為負(fù)。沿光線前進(jìn)方向凹球面鏡傍軸反射成像凸球面鏡傍軸反射成像211. 推導(dǎo)傍軸光線下球面反射成像公式凹球面鏡傍軸折射成像22傍軸近似條件下凸球面鏡傍軸折射成像2. 運(yùn)用同樣的方法可以得到傍軸光線下球面折射成像公式平行光線入射 ，焦距：則23四、 薄透鏡傍軸成像兩次單球面鏡折射成像薄透鏡24利用前面薄透鏡成像公式：可得當(dāng) 時(shí)，25作圖法：(1) 若物像方介質(zhì)的折射率相等，則通過(guò)透鏡光心的光線折射后，出射光線的傳播方向保持不變。這些穿過(guò)光心且與主光軸相交的光線稱為副光軸。(3) 通過(guò)物方焦點(diǎn)F的入射光線折射后，出射光線平行光軸傳播。(4) 與副光軸平行的光線（即與主光軸有一定夾角的平行光線），經(jīng)透鏡折射后交于副光軸與焦平面（通過(guò)焦點(diǎn)且與主光軸垂直的平面）的交點(diǎn)。(2) 平行于透鏡主光軸的入射光