第3章光学基础.doc

第三章 光学基础知识 光是客观存在的一种辐射能，以电磁波形式传播，波长范围为380~780nm，能为人们眼睛所感觉到。而长于780nm的红外线、无线电波等，短于380nm的紫外线、ⅹ射线等，这些幅射波均不能为人眼所感觉。 光的传播性质 一、光的直线传播 1、光源 我们把发光的物体叫做光源，太阳、电灯、放映机内的氙灯等，都是光源，光源发出的光，可以使物体发热，使电影胶片片感光，还能使光电池供电。这些现象说明：光是有能量的；光能可以转化为内能、化学能、电能等其他形式的能。光源自己在发光的时候，也在进行着能的转化，即把其他形式的能转化为光能。例如，电灯把电能转化为光能，太阳把原子核里面的能转化为光能，等等。 2、光的直线传播 能够传播光的物质叫做介质。从光源发出的光，在介质里总是沿着直线传播的。如果我们在暗室的窗上开一个小孔，让一束阳光从小孔射入，由于室内的尘埃微粒对阳光的反射，可以清楚地看出这束阳光的传播路线是笔直的。这就是光沿直线传播的直接证据。由于光的直线传播，我们不能看到墙壁后面发生的事情，也不能从弯管中看到周围的情景。 光的直线传播性质可以用一条表示光束传播方向的直线来代表，这样的直线就叫做光线。 3、光速 声音在20℃的空气中的传播速度约为340米/秒，光在真空中的传播速度为3×108米/ 二、光的反射 1、反射定律 不论是透明物体还是不透明物体，都要反射一部分到它表面上的光。实验证明，光在反射时遵循如下的规律： 1）反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线两侧。 2）反射角等于入射角。（图1-3-1） 根据这个定律可以知道，如果光线逆着原来反射光线的方向射到反射面上，它就要逆着原来入射光线的方向反射出去。所以，在反射现象里，光路是可逆的。 。 图1-3-1　反射光线与入射光线 　　 　　　　　　 图1-3-2　镜面反射 有一些物体的表面，如镜面、高度抛光的金属表面、平静的水面等，它们受到平行光的照射时，反射光也是平行的（图1-3-2）。这种反射叫镜面反射。所以，在镜面反射中，反射光向着一个方向，其他方向上没有反射光线决定的平面内；反射角r等于入射角i 表面粗糙的物体，即使受到平行光的照射， 也向各个方向反射光。这种反射称为漫反射 （图1-3-3）。由于大部分物体表面均粗糙而不 光滑，借助于漫反射，我们才能从各个方向看 到被照明的物体，把它跟周围的物体区别开来。 2、球面反射 1）球面镜　 图1-3-3　漫反射 在实际应用中，除了平面镜之外还经常用， 到球面镜。球面镜有两种：一种是用球面的里 面做反射面的，叫做凹面镜；另一种是用球面 的外面做反射面的，叫做凸面镜。 图1-3-4中，凹面镜的中心点O，叫做顶点， 图1-3-4　凹面镜的主轴 凹面镜的球面中心C，叫做球心，连接球心C 与顶点O的直线OC，叫做凹面镜的主轴，OC的距离也是该凹面镜的半径r，F是它的焦点。 焦点F和顶点O的距离FO，叫做凹面镜的焦距，以f表示。 图1-3-5　平行光射到凹面镜上被会聚，射到凸面镜上被发散 由图1-3-5可以看到，与主轴平行的光线射到凸面镜上后将会被会聚于主轴上的一点，这个点叫做凸面镜的焦点F。与主轴平行的光线射到凸面镜上后将会被发散，发散的反射光线向反方向延长时，将交于镜面后方的一点，看起来反射光好像是从这一点射出来的一样。这个点也在镜的主轴上，叫做凸面镜的虚焦点F，因为它不是光线的实际会聚点。 凹面镜成像 在图1-3-6中，OC是凹面镜的主轴，F是 它的焦点。 如果把物体放在凹面镜球心的外侧，同 时把一个小的光屏放在球心和焦点之间沿主 轴前后移动，就可以在屏上得到一个比物体 小的倒立的像(图1-3-6甲)。把物体向凹面镜 近移，要在屏上得到物体的像，就得把屏移 远，这时得到的像仍是倒立的，虽然比刚才 的大了，但是仍比物体小。这些像都是实际 光线会聚成的，所以叫做实像。 图1-3-6 凹面镜成像 当物体移到球心和焦点之间时，光屏必须 称到球心以外才能在屏上得到物体的像，仍是倒立的实像，但比物体大(图1-3-6乙)。物体距焦点越近，像离凹面镜越远，而且比物体大得越多。 当物体恰好移到焦点上时，物体上每一点发出的光被凹面镜反射后都成为平行光，不能会聚成像，屏上当然得不到物体的像，物体再向凹面镜移近，即移到焦点以内时，无论把屏放在什么位置，屏上都得不到物体的像，但是镜前的观察者可以看到镜后有比物体大的正立的像(图1-3-6丙