大學物理復(fù)習-幾何光學

1、大學物理主講教師：宮德維E-mail:2015physicsTelassword:2015physics教學內(nèi)容 光學（幾何光學，波動光學）成績比例：期中30%，期末50%，平時10%，作業(yè)10%，附加題5%相對論熱學（熱力學，統(tǒng)計物理學）量子力學2引言：光學的起源和光的本質(zhì) 我國早在春秋時代墨經(jīng)中記載了許多光學現(xiàn)象，如：光的直線傳播，反射、折射等，中國古代在幾何光學方面長期在世界居于領(lǐng)先地位。 近代光學的發(fā)展一直伴隨對光的本質(zhì)的研究，他經(jīng)歷了幾個時代：古希臘（歐幾里德），把光看作觸須投射十七世紀開始，對光的本性的認識，有兩種學說并立以牛頓為代表的微粒說，認為光是按照

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。無法解釋干涉、衍射、偏振光 學3 惠更斯提出光的波動理論，認為光是在一種特殊介質(zhì)中傳播的機械波。解釋了光的反射、折射、衍射。 托馬斯.楊和菲涅爾（在十九世紀初）透過實驗和進一步的理論工作，驗證了光的波動理論，成功地解釋了光的干涉、衍射。 波動光學存在不足，把光看作是機械波，光在真空中傳播需要媒質(zhì)，于是臆想出“以太”，認為真空中充滿了“以太”，但找不到。 十九世紀六十年代，麥克斯韋建立了電磁場理論，預(yù)言電磁波存在，1887年赫茲通過實驗，發(fā)現(xiàn)了電磁波，電磁波的速度等于光速，認為光是電磁波。 科學家們認為光的本質(zhì)研究已完成-光是一種電磁波4

3、隨著技術(shù)的發(fā)展和實驗條件的完善，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，利用波動光學無法解釋，1900年普朗克提出量子假說，1905年愛因斯坦提出光子學說。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)出波動性。例如：兩種圖象寓于同一幅畫中6光 學 分 類以直線傳播為基礎(chǔ)折射、反射定律物理光學波動光學：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：以量子力學為基礎(chǔ)，光與物質(zhì)作用現(xiàn)代光學非線性光學激光光譜學信息光學全息術(shù)光纖通訊集成光學統(tǒng)計光學.幾何光學7第16章 幾何光學幾何光學（Geo

4、metrical Optics）：又稱射線光學， 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、光的獨立傳播定律 來自不同方向的光線在介質(zhì)中相遇后，各自保持原來的傳播方向不變，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，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13一、 費馬原理（Fermat Principle）兩種表述： （1）光線在兩點間的實際路徑是使所需的傳播時間為極值的路徑。 （2）兩點間光線的實際路徑，是光程取極值的路徑。16.2 共軸理想光學系統(tǒng)的成像14光從S到P所用時間對連續(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)系費馬原理推論：物象等光程，即由物點發(fā)出的所有光線通過光具組后均應(yīng)以相等的

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

7、，從物點到像點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)實物成實像共軸理想系統(tǒng)19三、球面反射和折射成像折射球面：軸上物點的折射成像PpqrOMCnnQ頂點：球面的對稱中心點O 。 副光軸：通過曲率中心的任何直線（主光軸除外）。主光軸：球面頂點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Q：像點 物距：物點P 到球面頂點O的距離PO。用 p 表示。 像距：像點Q 到球面頂點O的距離QO。用 q 表示。 傍軸光線：當物面鏡的孔徑很小，入射光線和主軸很接近時， 稱為 20（1）物點在鏡前，物距

8、p0 ；物點在鏡后，物距 p0 ；像點在鏡前，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。沿光線前進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 時，25作圖法：(1) 若物像方介質(zhì)的折射率相等，則通過透鏡光心的光線折射后，出射光線的傳播方向保持不變。這些穿過光心且與主光軸相交的光線稱為副光軸。(3) 通過物方焦點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（通過焦點且與主光軸垂直的平面）的交點。(2) 平行于透鏡主光軸的入射光