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光学导学
光学导学
【竞赛大纲】
1、几何光学光的直进、反射、全反射折射色散。折射率与光速的关系。平面镜成像。球面镜成像公式及作图法。薄透镜成像公式及作图法。眼睛。放大镜。显微镜。望远镜。2、波动光学光的干涉和衍射光谱和光谱分析。电磁波谱。3、光的本性光的学说的历史发展。光电效应爱因斯坦方程波粒二象性。
§1.1 几何光学基础
1、光的直线传播:光在同一均匀介质中沿直线传播。
2、光的独立传播:几束光在交错时互不妨碍,仍按原来各自的方向传播。
3、光的反射定律:
①反射光线在入射光线和法线所决定平面内;
②反射光线和入射光线分居法线两侧;
③反射角等于入射角。
4、光的折射定律:
①折射光线在入射光线和法线所决定平面内;
②折射光线和入射光线分居法线两侧;
③入射角与折射角满足;
④当光由光密介质向光疏介质中传播,且入射角大于临界角C时,将发生全面反射现象(折射率为 的光密介质对折射率为的光疏介质的临界角)。
§1.2 光的反射
1.2.1、组合平面镜成像:
1.组合平面镜 由两个以上的平面镜组成的光学系统叫做组合平面镜,射向组合平面镜的光线往往要在平面镜之间发生多次反射,因而会出现生成复像的现象。先看一种较简单的现象,两面互相垂直的平面镜(交于O点)镜间放一点光源S(图1-2-1),S发出的光线经过两个平面镜反射后形成了、、三个虚像。用几何的方法不难证明:这三个虚像都位于以O为圆心、OS为半径的圆上,而且S和、S和、和、和之间都以平面镜(或它们的延长线)保持着
对称关系。用这个方法我们可以容易地确定较复杂的情况中复像的个数和位置。
两面平面镜AO和BO成60o角放置(图1-2-2),用上述规律,很容易确定像的位置:①以O为圆心、OS为半径作圆;②过S做AO和BO的垂线与圆交于和;③过和作BO和AO的垂线与圆交于和;④过和作AO和BO的垂线与圆交于,便是S在两平面镜中的5个像。
双镜面反射。如图1-2-3,两镜面间夹角=15o,OA=10cm,A点发出的垂直于的光线射向后在两镜间反复反射,直到光线平行于某一镜面射出,则从A点开始到最后一次反射点,光线所走的路程是多少?
如图1-2-4所示,光线经第一次反射的反射线为BC,根据平面反射的对称性,,且∠。上述均在同一直线上,因此光线在、之间的反复反射就跟光线沿直线传播等效。设是光线第n次反射的入射点,且该次反射线不再射到另一个镜面上,则n值应满足的关系是90o,。取n=5,∠,总路程。
2、全反射
全反射光从密度媒质1射向光疏媒质2,当入射角大于临界角时,光线发生全反射。
全反射现象有重要的实用意义,如现代通讯的重要组成部分——光导纤维,就是利用光的全反射现象。图1-2-5是光导纤维的示意图。AB为其端面,纤维内芯材料的折射率,外层材料的折射率,试问入射角在什么范围内才能确保光在光导纤维内传播?
图1-2-5中的r表示光第一次折射的折射角,β表示光第二次的入射角,只要β大于临界角,光在内外两种材料的界面上发生全反射,光即可一直保持在纤维内芯里传播。
只要即可。
例1、如图1-2-6所示,AB表示一平直的平面镜,是水平放置的米尺(有刻度的一面朝着平面镜),MN是屏,三者相互平行,屏MN上的ab表示一条竖直的缝(即ab之间是透光的)。某人眼睛紧贴米尺上的小孔S(其位置如图所示),可通过平面镜看到米尺的一部分刻度。试在本题图上用三角板作图求出可看到的部位,并在上把这部分涂以标志。
分析: 本题考查平面镜成像规律及成像作图。人眼通过小孔看见的是米尺刻度的像。由反射定律可知,米尺刻度必须经过平面镜反射后,反射光线进入人的眼睛,人才会看到米尺刻度的像。可以通过两种方法来解这个问题。
解法一:相对于平面镜AB作出人眼S的像。连接Sa并延长交平面镜于点C,连接与点C并延长交米尺于点E,点E就是人眼看到的米尺刻度的最左端;连接并延长交米尺于点F,且 与平面镜交于D,连接S与点D,则点F就是人眼看到的米尺刻度的最右端。E与F之间的米尺刻度就是人眼可看到部分,如图1-2-7所示。
解法二:根据平面镜成像的对称性,作米尺及屏MN的像,分别是及,a、b的像分别为,如图1-2-8所示。连接Sa交AB于点C,延长并交于点,过点作的垂线,交于点E,此点就是人眼看到的米尺刻度的最左端;连接交AB于点D,延长并交于点,过点作(AB)的垂线交于点F,点F就是人眼看到的米尺刻度的最右端。EF部分就是人眼通过平面镜可看见的米尺部分。
点评:平面镜成像的特点是物与像具有对称性。在涉及到平面镜的问题中,利用这一特点常能使问题得以简洁明晰的解决。
例2、两个平面镜之间的夹角为45o、60o、120o。而物体总是放在平面镜的角等分线上。试分别求出像的个数。
分析:由第一面镜生成的像,构成第二面镜的
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