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P.*/33 第十四章 几何光学 第五篇 光 学 光学发展概述 光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础. 光是什么？ 柏拉图、欧几里得(古希腊)： “眼睛发出的射向被观察对象的看不见的射线.” 光学的起源也和力学、热学一样，可以追溯到二、三千年前. 我国的《墨经》就记载了许多光学现象，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等. 欧几里得(Euclid，公元前约330—260)的《反射光学》研究了光的反射. 阿拉伯学者阿勒·哈增(Al-Hazen，965~1038)写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象. 毕达哥拉斯、牛顿： “物体发出的粒子流(微粒说).” 恩培多克勒(古希腊)、 惠更斯： “光是一种波(波动说).” 牛顿 惠更斯 微粒说 波动说 光的波粒之争 毕达哥拉斯、牛顿： “物体发出的粒子流(微粒说).” 恩培多克勒(古希腊)、 惠更斯： “光是一种波(波动说).” 牛顿：光的直线转播说明光是粒子流. 惠更斯、托马斯 · 杨、菲涅耳:光具有干涉和衍射现象，所以光是一种波. 麦克斯韦：根据我的理论，光是一种电磁波，而且是横波，转播速度为每秒30万公里. 迈克尔逊：我为什么测不到“以太风”. 爱因斯坦：用普朗克的“能量子”解释了光电效应。—— 光具有粒子性. 德布罗意：所有物体都具有波动性与粒子性. 光的波粒二象性 第 十四 章 几何光学 光的传播有哪些规律？ 光通过薄透镜是如何成像的？ 几何光学以光的直线传播为基础 在不同的介质分界面上光有何表现？ 显微镜为何能观察到细菌？ 第14章 几 何 光 学 理论体系 经典光学 几何光学 以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题. 波动光学 以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律. 量子光学 以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，研究光的一系列规律. 现代光学 激光原理及应用 傅立叶光学 全息光学 光谱学 非线性光学 §14.1. 的基本定律和几何光学基本原理 14.1.1 几何光学的基本定律 1. 光的直线传播定律 在均匀介质中，光沿直线传播.光的直线传播是我们日常生活中司空见惯的现象. 2. 光的反射定律 反射光线、入射光线总是和法线处在同一平面(入射面)内，入射光线和反射光线分居于入射点界面法线的两侧，反射角等于入射角. 入射光线 反射光线 法线 i i? 3. 光的折射定律 折射光线与入射光线和法线同处在一个平面上，入射光线和折射光线分居于法线两侧；入射角与折射角的正弦之比是一个取决于两介质光学性质及光的波长的常量. 其中：n12称为介质2相对于介质1的折射率. 入射光线 折射光线 入射角 i 折射角 i’ 法线 介质1 介质2 相对于真空的折射率称为绝对折射率，其定义为： c为光在真空中的传播速度 v为光在介质中的传播速度 两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的传播速度小，称为光密介质；折射率小的介质，光在其中的传播速度大，称为光疏介质. 白光通过三棱镜，折射时将各波长的光分散形成光谱，称色散. 4. 光的独立传播定律 光在传播过程中与其它光线相遇时，不改变传播方向，各光线之间互不受影响，各自独立传播，会聚处，光能量简单相加. 5. 光路可逆性原理 如果反射光或折射光的方向反转，光线将按原路返回. 14.1.2 全反射 1)光需由光密介质射向光疏 介质. 2) 入射角大于临界角. 1. 产生全反射的条件： 3. 全反射的应用 (a) (c) (b) 2. 临界角的计算： 临界角： 折射角等于90度时的入射角。若光密介质和光疏介质的折射率分别为n1和n2(n1＞n2)，则 利用三棱镜，可以(a)改变路径的方向，(b)使看到的物体变为倒立，(c)同时改变路径的方向和使像变为倒立. 潜水望远镜利用两个三棱镜来改变光线的行进方向，形成正立的像. 3. 全反射的应用 (a) (c) (b) 全反射的应用 水柱引导光线的行进 内窥镜 光纤 14.1.3 费马原理(Fermat principle) 费马原理：光线在空间两点之间传播，将沿着这样的一条路线，光线沿这条路线进行所需要的时间同附近的路线比起来，不是最大，便是最小或者保持不变. 设光在1，2，…，k等均匀介质中传播 光从介质1中的A点到介质k中的B点所需的时间为 连续变化的介质所用时间为： 光程(optical path): 折射率 n 与路程 l 的积，数值上等于以相同的时间在真空中走过的距离. 光