物理竞赛课——几何光学.pptVIP

资料 乌一中物理竞赛群 383567725 光学的理论体系 以光的直线传播为基础，采用几何方法研究光在透明介质中的传播问题。 物理光学 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 非线性光学 激光光谱学 信息光学 集成光学 统计光学 ………. 几何光学 其基础是光波长趋于零（?a） 1、直线传播定律 在均匀各向同性介质中，光沿直线传播。 如：针孔成像就是光沿直线传播的结果。 针孔成像 几何光学的基本定理 2009.7.22四川省遂宁市大英县观察到的日全食 2、光的独立传播定律： 来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播。 入射光线、反射面的法线和反射光线三者处在同一平面上，入射光线和反射光线分居于入射点界面法线的两侧，入射角等于反射角。 3、反射定律： 光的反射 en 界面 S R 漫反射 光路可逆性原理 其中：n21称为介质2相对于介质1的相对折射率 4、折射定律 入射光线 折射光线 i 入射角 折射角 en n1 n2 分界面 入射光线、折射光线和分界面的法线en三者同处在一个平面上，入射角i 和折射角 有下述关系： 物质相对于真空的折射率称为绝对折射率（简称折射率），其定义为： 光在真空中的传播速度 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。 折射定律也可表示为： 斯涅耳定律（Snell’s Law） * 当 有 临界角 ： 相应于折射角为90°的入射角。 全反射：当入射角 i 大于临界角 时，将不会出现 折射光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。 （n1＞n2） 5、全反射 en 旋转反射镜 光导纤维的光路 内窥镜 全反射的应用 * 出射光线和入射光线之间的夹角θ称为偏向角。 定义： θ A i1 i2 折射棱 主截面 棱镜角 光谱：红光偏折小 蓝光偏折大 只有单一级光谱 6、光的色散 色散n=n(?) * 费马原理 一、光程 光在均匀介质走过的几何路程s 与介质折射率 n 之乘积。用 l 表示。 光程的物理意义：表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真空中所能传播的路程。 即： l = ns 光程 介质中： 折合到真空中： 二、费马原理 光从一点传播到另一点将循着这样一条路径，光沿所需要时间为极值（可以是极大值、极小值，也可以是常量）的路径传播。 即：光沿着光程为极值的路径传播。 所用时间为： 时间 t 有极值的条件是: 或 光程： 光在i介质中的光程等于在相同时间t内光线在真空中所走的路程。 光线沿光程为平稳值的路径而传播。 平稳值的三种基本含义： 极小值——直线传播、反射、折射 极大值——凹球面反射镜 常　数——成像系统的物像关系 费马原理推论：物象等光程，即由物点发出的所有光线通过光具组后均应以相等的光程到达像点 。 平面反射和平面折射成像 1. 反射 由同心光束 · · P P n1 n2 P · · P 2. 折射 由同心光束 象散光束 同心光束 近垂直入射 窄光束 近似同心光束 y y y 虚像——出射发散光束的心。 实像——出射会聚光束的心。 实物——入射发散光束的心。 虚物——入射会聚光束的心。 光在单球面上的傍轴成像 A B C O 反射面 （甲）凹面镜 A B C O 反射面 （乙）凸面镜 球面镜 主光轴：球面上中心点O与球心(曲率中心)C所连直线。 副光轴：通过曲率中心的任何直线。 光轴：光学系统的对称轴 光轴 傍轴光线：与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线 蓝线—傍轴光线 绿线—非傍轴光线 一、基本概念和符号 * O C B r P A Q ? M 几个物理名词： 1）顶点：O 2) 曲率中心：C 曲率半径：r 3) 主光轴：CO 4)物距s、像距s Q点是像点。 单球面镜傍轴反射成像 凹球面 C s B r P M ? O Q n1 n2 A s 根据费马原理 即： 在傍轴近似条件下， 上式变成： 当 时 * 由此可知： 由前式： 可得： 傍轴光线条件下球面反射的物像公式。 * 相当于平行主光轴的光束经球面反射后，将在光轴上会聚成一点，该像点称为反射球面的焦点。顶点O到F的距离叫做焦距。以f表示。 O F O C F O C F F’ 过焦点且垂直于主光轴的平面：焦平面 * 球面折射成像 1、折射球面的基本概念 折射球面： n：物方介质的折射率 n：像