几何光学简介.ppt

17世纪以来由于天文学研究的需要，光学得到了较快的发展。在近代科学史上，第一个对光现象进行系统研究的是开普勒，他首先提出了光度学定理。还研究了光的折射现象和透镜成像问题。17世纪初，荷兰数学家斯涅尔(1580——1628)发现了光的反射和折射定律。 牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了道路，被美国《物理学世界》评为历史上“最美丽的十大物理实验”之一。 牛顿的微粒说 牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？ 在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械论观点。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将大于空气中的光速c。 为什么光的微粒说能统治一百多年？ 光的波动说 惠更斯的波动说 应用举例：光纤 * 2-5-1 * 《墨经》中的光学 在《墨经》中记载了丰富的几何光学知识。墨子在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果做出了精辟的见解。 人类对光学的研究早在两三千年前就初见端倪 几何光学简介 比《墨经》大约迟一百年，在希腊数学家欧几里德所著的光学中才开始研究平面成像问题。 开普勒 斯涅耳 一、光的传播规律 1 三条实验定律 (1) 光的直线传播定律 光在均匀介质中沿直线传播。 (2) 光的独立传播定律 光在传播过程中与其他光束相遇时，各光 束都各自独立传播，不改变其性质和传播方向 (3) 光的折射和反射定律 2 光路可逆原理 反射定律 ： 反射角＝入射角 θi=θt 折射定律：光从疏介质入射密介质，折射角小于入射角。 色散：波速随波长而改变的性质称为色散。 费马，法国数学家物理学家，解析几何学创始人之一。得到确定光在介质中传播所走的路径和光程极值原理。 在岸边看到落水的人，如何用最短的时间去救他。 选择1绕远必然被放弃，选择2是最短路线，但我们却选择3，因为在陆地上速度更快，这就是费马原理：光所选择的路径是最节省时间的路径。光从空间的一点到另一点是沿光程为最短的路径传播的。 早在剑桥大学高年级时，牛顿通过三棱镜实验研究太阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿通过日光分光实验，发现白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫七色光组成，这种分解出来的单色光再通过第二个棱镜时没有增加任何新的成分，而将第一次分解的光也可以再用另一个棱镜合成白光。 分 光 试 验 牛顿环 牛顿发明反射望远镜 微粒说 解释光的反射 无法解释干涉，还出现合速度大于真空光速c 的情况 牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔。 基于光的直线传播和他的自然哲学思想。牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”；加上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的。 可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验能对此进行判断。 一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微粒说是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。 值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。 惠更斯 惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播的假说。他认为“光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质（以太）中的传播过程。”他称这种波为以太波。 杨氏最先用干涉原理解释了白光照射下薄膜颜色的由来，并用双缝显示了光的干涉现象。 惠更斯 — 菲涅耳原理 马吕斯发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。 菲涅耳认识到光波是一种横波，确立了两种不同偏振态的光波在界面上的折射、反射公式。 法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。 麦克斯韦方程组预言了电磁波，推出电磁波在真空中的传播速度与光波一致。 二、光的全反射 全反射：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射角大于某临界角时，光将全部反射回来。 光纤照片 会传像的光纤 光纤 * 2-5-1