物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)課件

物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)

物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)

主要內(nèi)容1、幾何光學(xué)的基本理論平面鏡、凸面鏡、凹面鏡、凸面折射、凹面折射、凸透鏡、凹透鏡的成像原理—近軸光線+反折射定律2、

波動(dòng)光學(xué)—位相與光程3、光的量子理論—光子的動(dòng)量與能量深、廣、新、奇、活新：3D成像、負(fù)折射、隱形、光鑷、激光冷卻、反多普勒效應(yīng)主要內(nèi)容1、幾何光學(xué)的基本理論關(guān)于光的理論光是粒子流（光線）光是波（電磁波）光是具有波粒二相性的波關(guān)于光的理論光是粒子流（光線）1、幾何光學(xué)1、幾何光學(xué)介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.1、反折射定律反射定律折射定律介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.1、反折射定1.1、反折射定律折射率法線1.1、反折射定律折射率法線折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)，小的叫光疏介質(zhì)1.1、

反折射定律折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)，小的叫光疏介質(zhì)1.1、反折射定律1.2、全反射1.2、全反射1.3、近軸光線的概念數(shù)學(xué)表達(dá)：abc1.3、近軸光線的概念abc近垂直入射1.4、近軸光線的概念折射定律近垂直入射1.4、近軸光線的概念折射定律1.5、

球面鏡的焦點(diǎn)AOCBi1.5、球面鏡的焦點(diǎn)AOCBi1.6、

凸球面透射的焦點(diǎn)AOCBir1.6、凸球面透射的焦點(diǎn)AOCBir物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)1.7、凹球面透射的焦點(diǎn)AOCBir1.7、凹球面透射的焦點(diǎn)AOCBir物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)n1n2ABCO1O21.8凸透鏡的焦點(diǎn)n1n2ABCO1O21.8凸透鏡的焦點(diǎn)1.9、成像法則焦平面1.9、成像法則焦平面1.9成像法則1.9成像法則1.10成像的公式透鏡、球面鏡1.10成像的公式透鏡、球面鏡1.11、3D成像原理1.11、3D成像原理1.11.1、眼睛辨別距離（空間感）原理1.11.1、眼睛辨別距離（空間感）原理1.11.1、一直眼睛只能接收來(lái)自

一個(gè)方向的光線1.11.1、一直眼睛只能接收來(lái)自

1.11.1、玻璃杯中的錢幣1.11.1、玻璃杯中的錢幣1.11.2、3D顯示技術(shù)原理左右眼看視角不同1.11.2、3D顯示技術(shù)原理左右眼看視角不同1.11.3、眼鏡3D紅藍(lán)濾色眼睛偏振眼睛主動(dòng)式眼睛1.11.3、眼鏡3D紅藍(lán)濾色眼睛1.11.4、裸眼3D（遮光式）1.11.4、裸眼3D（遮光式）1.11.5、裸眼3D（折光式）1.11.5、裸眼3D（折光式）1.11.5、圓柱鏡折射原理焦平面1.11.5、圓柱鏡折射原理焦平面1.12、負(fù)折射材料1.12、負(fù)折射材料介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.12.1、負(fù)折射材料性質(zhì)n2<0反折定律折射定律介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.12.1、負(fù)1.12.1、負(fù)折射材料性質(zhì)1.12.1、負(fù)折射材料性質(zhì)1.12.1、負(fù)折射材料實(shí)驗(yàn)1.12.1、負(fù)折射材料實(shí)驗(yàn)1.12.2、n=-1的情況：平板成像1.12.2、n=-1的情況：平板成像物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)1.12.3、n<-1的負(fù)折射情況圖21.12.3、n<-1的負(fù)折射情況圖21.12.3、隱含近軸光線條件1.12.3、隱含近軸光線條件1.12.4、負(fù)折射隱形原理1.12.4、負(fù)折射隱形原理1.13、小孔成像1.13、小孔成像2、波動(dòng)光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)2.1、波速、波長(zhǎng)、頻率、相位0x2.1、波速、波長(zhǎng)、頻率、相位0x2.1、光程、光程差光程:L=nd光程差：

=L2-L1L2L12.1、光程、光程差光程:L=nd光程差：2.1、相干條件

同頻率,同偏振方向,有恒定相位差另外，振幅相差不懸殊，光程差不能太大2.1、相干條件2.1、普通光源獲得相干光的途徑pS

*分波面法分振幅法p薄膜S*2.1、普通光源獲得相干光的途徑pS*分波面法分振幅法p2.2、楊氏雙縫干涉r1r2xDdo單色光條件：d>>λ，D>>d光程差：相位差：2.2、楊氏雙縫干涉r1r2xDdo單色光條件：d明紋條件

暗紋條件

2.2、楊氏雙縫干涉明紋條件暗紋條件2.2、楊氏雙縫干涉2.2、雙縫干涉條紋2.2、雙縫干涉條紋現(xiàn)象:*S衍射屏觀察屏a

10-3a定義:

光在傳播過(guò)程中能繞過(guò)障礙物*S衍射屏觀察屏LL的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象2.3、光的衍射惠更斯—菲涅耳原理

單縫夫瑯禾費(fèi)衍射現(xiàn)象:*S衍射屏觀察屏a10-3a定義:3、光的量子理論3、光的量子理論3.1基本內(nèi)容光線是光子流，每個(gè)光子具有光壓：光子流產(chǎn)生的壓強(qiáng)滿足能量、動(dòng)量守恒定律3.1基本內(nèi)容光線是光子流，每個(gè)光子具有光壓：光子流產(chǎn)生的3.2、多普勒效應(yīng)3.2、多普勒效應(yīng)3.2.1波的多普勒效應(yīng)情景1：固定波源，產(chǎn)生10個(gè)周期的一列波，波速u,則：情景2：波源以速度v運(yùn)動(dòng)（向著觀測(cè)者），產(chǎn)生10個(gè)周期的一列波，波速u,則：3.2.1波的多普勒效應(yīng)情景2：波源以速度v運(yùn)動(dòng)（向著觀測(cè)3.2沿運(yùn)動(dòng)方向的波頻率變大t1t1t2t2X=u(t-t2)X=u(t-t1)3.2沿運(yùn)動(dòng)方向的波頻率變大t1t1t2t2X=u(t-3.3、相對(duì)論多普勒效應(yīng)狹義相對(duì)論：運(yùn)動(dòng)的尺子長(zhǎng)度變短，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢3.3、相對(duì)論多普勒效應(yīng)狹義相對(duì)論：運(yùn)動(dòng)的尺子長(zhǎng)度變短，運(yùn)3.4、反多普勒效應(yīng)：負(fù)折射率介質(zhì)能量傳播方向相位傳播方向反多普勒效應(yīng)：聲源靠近，頻率增大，聲源遠(yuǎn)離，頻率減小3.4、反多普勒效應(yīng)：負(fù)折射率介質(zhì)能量傳播方向相位傳播方向3.5、激光光鑷3.5、激光光鑷3.5.1、先談?wù)劜屎?.5.1、先談?wù)劜屎?.5.2、從量子的角度：光具有動(dòng)量3.5.2、從量子的角度：光具有動(dòng)量3.5.2、動(dòng)量守恒定光壓方向3.5.2、動(dòng)量守恒定光壓方向3.5.2、動(dòng)量守恒定廣壓方向3.5.2、動(dòng)量守恒定廣壓方向3.5.3、空心激光光鑷決賽第八題（10分）空心激光束是一種在傳播方向上中心光強(qiáng)為零的圓筒形光束．由于這一特征，它可以把某些微小粒子約束在激光束的中心部位，作為激光導(dǎo)管、激光鑷子、光學(xué)扳手等，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子、生物細(xì)胞等微小粒子的精確操控．空心激光技術(shù)目前在生物學(xué)、激光加工、原子冷卻等方面得到了廣泛的應(yīng)用，正逐漸成為一門新興的學(xué)科分支．產(chǎn)生空心激光束的基本做法是利用光學(xué)系統(tǒng)將一束實(shí)心的圓柱形激光轉(zhuǎn)換成為一束空心的激光。給定如下光學(xué)器件：凸透鏡，錐面反射鏡，球面鏡，如圖：3.5.3、空心激光光鑷決賽第八題（10分）空心激光束是利用上述光學(xué)器件設(shè)計(jì)一光學(xué)系統(tǒng)，使得一束很細(xì)的實(shí)心圓柱形入射激光轉(zhuǎn)化成一束空心的出射激光，且空腔為圓柱形，半徑為請(qǐng)回答如下問(wèn)題：1、畫(huà)出該光學(xué)系統(tǒng)的光路圖．2、求該光學(xué)系統(tǒng)中錐面鏡頂點(diǎn)到球面鏡球心的距離利用上述光學(xué)器件設(shè)計(jì)一光學(xué)系統(tǒng)，使得一束很細(xì)的實(shí)心圓柱形入射參考解答：1、光路圖如下，指出被球面鏡反射的光線匯聚于凸透鏡的焦點(diǎn).

(1)

.（3）2、參照所給光路圖，可知設(shè),有如下幾何關(guān)系：兩式聯(lián)立，可求得.（2）參考解答：3.5.3、空心激光光鑷可以構(gòu)造不同中空方式的中空激光光束，用于激光導(dǎo)管、光鑷、光學(xué)扳手等其他兩種典型類型3.5.3、空心激光光鑷可以構(gòu)造不同中空方式的中空激光3.6、原子的核外電子能級(jí)量子化原子中的電子只能吸收和放出某些特定頻率的電磁波。E3E2E13.6、原子的核外電子能級(jí)量子化原子中的電子只能吸收和放出3.7、激光冷卻原理3.7、激光冷卻原理3.7、激光冷卻原理多普勒效應(yīng)的應(yīng)用3.7、激光冷卻原理多普勒效應(yīng)的應(yīng)用日晷圭表日晷圭表是測(cè)量回歸年長(zhǎng)度，確定季節(jié)的天文儀器，如圖。（1）假定圭的高度1米，表的刻度精度到厘米，估算此設(shè)備測(cè)量回歸年的誤差，已知當(dāng)?shù)鼐暥葹楸本?0度。（2）在保持刻度精度的條件下增加高度可以提高回歸年的測(cè)量精度，元代科學(xué)家郭守敬就是以此方式大大提高了回歸年的測(cè)量精度。假設(shè)圭表增加到10米，估算由此測(cè)得的回歸年誤差。（3）然而郭守敬建立了10米的圭表后，發(fā)現(xiàn)事與愿違，由于圭越高，影子邊緣越模糊。設(shè)這一現(xiàn)象是由于太陽(yáng)有一定的體積造成的，問(wèn)由此造成的邊緣陰影的模糊范圍。（4）于是郭守敬想到了一個(gè)辦法改善陰影長(zhǎng)度的測(cè)量方法—小孔成像原理，請(qǐng)你據(jù)此原理推測(cè)郭守敬是如何實(shí)現(xiàn)的。太陽(yáng)到地球的距離149597870千米，太陽(yáng)的直徑約為1391000千米圭表是測(cè)量回歸年長(zhǎng)度，確定季節(jié)的天文儀器，如圖。6969謝謝謝謝演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)

物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)

主要內(nèi)容1、幾何光學(xué)的基本理論平面鏡、凸面鏡、凹面鏡、凸面折射、凹面折射、凸透鏡、凹透鏡的成像原理—近軸光線+反折射定律2、

波動(dòng)光學(xué)—位相與光程3、光的量子理論—光子的動(dòng)量與能量深、廣、新、奇、活新：3D成像、負(fù)折射、隱形、光鑷、激光冷卻、反多普勒效應(yīng)主要內(nèi)容1、幾何光學(xué)的基本理論關(guān)于光的理論光是粒子流（光線）光是波（電磁波）光是具有波粒二相性的波關(guān)于光的理論光是粒子流（光線）1、幾何光學(xué)1、幾何光學(xué)介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.1、反折射定律反射定律折射定律介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.1、反折射定1.1、反折射定律折射率法線1.1、反折射定律折射率法線折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)，小的叫光疏介質(zhì)1.1、

反折射定律折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)，小的叫光疏介質(zhì)1.1、反折射定律1.2、全反射1.2、全反射1.3、近軸光線的概念數(shù)學(xué)表達(dá)：abc1.3、近軸光線的概念abc近垂直入射1.4、近軸光線的概念折射定律近垂直入射1.4、近軸光線的概念折射定律1.5、

球面鏡的焦點(diǎn)AOCBi1.5、球面鏡的焦點(diǎn)AOCBi1.6、

凸球面透射的焦點(diǎn)AOCBir1.6、凸球面透射的焦點(diǎn)AOCBir物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)1.7、凹球面透射的焦點(diǎn)AOCBir1.7、凹球面透射的焦點(diǎn)AOCBir物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)n1n2ABCO1O21.8凸透鏡的焦點(diǎn)n1n2ABCO1O21.8凸透鏡的焦點(diǎn)1.9、成像法則焦平面1.9、成像法則焦平面1.9成像法則1.9成像法則1.10成像的公式透鏡、球面鏡1.10成像的公式透鏡、球面鏡1.11、3D成像原理1.11、3D成像原理1.11.1、眼睛辨別距離（空間感）原理1.11.1、眼睛辨別距離（空間感）原理1.11.1、一直眼睛只能接收來(lái)自

一個(gè)方向的光線1.11.1、一直眼睛只能接收來(lái)自

1.11.1、玻璃杯中的錢幣1.11.1、玻璃杯中的錢幣1.11.2、3D顯示技術(shù)原理左右眼看視角不同1.11.2、3D顯示技術(shù)原理左右眼看視角不同1.11.3、眼鏡3D紅藍(lán)濾色眼睛偏振眼睛主動(dòng)式眼睛1.11.3、眼鏡3D紅藍(lán)濾色眼睛1.11.4、裸眼3D（遮光式）1.11.4、裸眼3D（遮光式）1.11.5、裸眼3D（折光式）1.11.5、裸眼3D（折光式）1.11.5、圓柱鏡折射原理焦平面1.11.5、圓柱鏡折射原理焦平面1.12、負(fù)折射材料1.12、負(fù)折射材料介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.12.1、負(fù)折射材料性質(zhì)n2<0反折定律折射定律介質(zhì)1：折射率n1介質(zhì)2：折射率n2法線1.12.1、負(fù)1.12.1、負(fù)折射材料性質(zhì)1.12.1、負(fù)折射材料性質(zhì)1.12.1、負(fù)折射材料實(shí)驗(yàn)1.12.1、負(fù)折射材料實(shí)驗(yàn)1.12.2、n=-1的情況：平板成像1.12.2、n=-1的情況：平板成像物理奧賽培訓(xùn)-光學(xué)輔導(dǎo)1.12.3、n<-1的負(fù)折射情況圖21.12.3、n<-1的負(fù)折射情況圖21.12.3、隱含近軸光線條件1.12.3、隱含近軸光線條件1.12.4、負(fù)折射隱形原理1.12.4、負(fù)折射隱形原理1.13、小孔成像1.13、小孔成像2、波動(dòng)光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)2.1、波速、波長(zhǎng)、頻率、相位0x2.1、波速、波長(zhǎng)、頻率、相位0x2.1、光程、光程差光程:L=nd光程差：

=L2-L1L2L12.1、光程、光程差光程:L=nd光程差：2.1、相干條件

同頻率,同偏振方向,有恒定相位差另外，振幅相差不懸殊，光程差不能太大2.1、相干條件2.1、普通光源獲得相干光的途徑pS

*分波面法分振幅法p薄膜S*2.1、普通光源獲得相干光的途徑pS*分波面法分振幅法p2.2、楊氏雙縫干涉r1r2xDdo單色光條件：d>>λ，D>>d光程差：相位差：2.2、楊氏雙縫干涉r1r2xDdo單色光條件：d明紋條件

暗紋條件

2.2、楊氏雙縫干涉明紋條件暗紋條件2.2、楊氏雙縫干涉2.2、雙縫干涉條紋2.2、雙縫干涉條紋現(xiàn)象:*S衍射屏觀察屏a

10-3a定義:

光在傳播過(guò)程中能繞過(guò)障礙物*S衍射屏觀察屏LL的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象2.3、光的衍射惠更斯—菲涅耳原理

單縫夫瑯禾費(fèi)衍射現(xiàn)象:*S衍射屏觀察屏a10-3a定義:3、光的量子理論3、光的量子理論3.1基本內(nèi)容光線是光子流，每個(gè)光子具有光壓：光子流產(chǎn)生的壓強(qiáng)滿足能量、動(dòng)量守恒定律3.1基本內(nèi)容光線是光子流，每個(gè)光子具有光壓：光子流產(chǎn)生的3.2、多普勒效應(yīng)3.2、多普勒效應(yīng)3.2.1波的多普勒效應(yīng)情景1：固定波源，產(chǎn)生10個(gè)周期的一列波，波速u,則：情景2：波源以速度v運(yùn)動(dòng)（向著觀測(cè)者），產(chǎn)生10個(gè)周期的一列波，波速u,則：3.2.1波的多普勒效應(yīng)情景2：波源以速度v運(yùn)動(dòng)（向著觀測(cè)3.2沿運(yùn)動(dòng)方向的波頻率變大t1t1t2t2X=u(t-t2)X=u(t-t1)3.2沿運(yùn)動(dòng)方向的波頻率變大t1t1t2t2X=u(t-3.3、相對(duì)論多普勒效應(yīng)狹義相對(duì)論：運(yùn)動(dòng)的尺子長(zhǎng)度變短，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢3.3、相對(duì)論多普勒效應(yīng)狹義相對(duì)論：運(yùn)動(dòng)的尺子長(zhǎng)度變短，運(yùn)3.4、反多普勒效應(yīng)：負(fù)折射率介質(zhì)能量傳播方向相位傳播方向反多普勒效應(yīng)：聲源靠近，頻率增大，聲源遠(yuǎn)離，頻率減小3.4、反多普勒效應(yīng)：負(fù)折射率介質(zhì)能量傳播方向相位傳播方向3.5、激光光鑷3.5、激光光鑷3.5.1、先談?wù)劜屎?.5.1、先談?wù)劜屎?.5.2、從量子的角度：光具有動(dòng)量3.5.2、從量子的角度：光具有動(dòng)量3.5.2、動(dòng)量守恒定光壓方向3.5.2、動(dòng)量守恒定光壓方向3.5.2、動(dòng)量守恒定廣壓方向3.5.2、動(dòng)量守恒定廣壓方向3.5.3、空心激光光鑷決賽第八題（10分）空心激光束是一種在傳播方向上中心光強(qiáng)為零的圓筒形光束．由于這一特征，它可以把某些微小粒子約束在激光束的中心部位，作為激光導(dǎo)管、激光鑷子、光學(xué)扳手等，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子、生物細(xì)胞等微小粒子的精確操控．空心激光技術(shù)目前在生物學(xué)、激光加工、原子冷卻等方面得到了廣泛的應(yīng)用，正逐漸成為一門新興的學(xué)科分支．產(chǎn)生空心激光束的基本做法是利用光學(xué)系統(tǒng)將一束實(shí)心的圓柱形激光轉(zhuǎn)換成為一束空心的激光。給定如下光學(xué)器件：凸透鏡，錐面反射鏡，球面鏡，如圖：3.5.3、空心激光光鑷決賽第八題（10分）空心激光束是利用上述光學(xué)器件設(shè)計(jì)一光學(xué)系統(tǒng)，使得一束很細(xì)的實(shí)心圓柱形入射激光轉(zhuǎn)化成一束空心的出射激光，且空腔為圓柱形，半徑為請(qǐng)回答如下問(wèn)題：1、畫(huà)出該光學(xué)系統(tǒng)的光路圖．2、求該光學(xué)系統(tǒng)中錐面鏡頂點(diǎn)到球面鏡球心的距離利用上述光學(xué)器件設(shè)計(jì)一光學(xué)系統(tǒng)，使得一束很細(xì)的實(shí)心圓柱形入射參考解答：1、光路圖如下，指出被球面鏡反射的光線匯聚于凸透鏡的焦點(diǎn).

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