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第一章 光和光的传播 §2 几何光学基本定律 1.1 几何光学三定律 1.2 全反射定律 1.3 棱镜与色散 1.4 光的可逆性原理 必威体育精装版文档 * 光在均匀媒质里沿直线传播。 2.1 几何光学三定律 （1）光的直线传播定律： 例：物体的影子, 针孔成像 例：海市蜃楼(mirage) 必威体育精装版文档 * 海市蜃楼(mirage)是一种折光现象，由于靠近表面竖直方向上空气密度的剧烈变化，使得一些远处的物体在一定区域形成图像以代替其真实位置。这些图像是扭曲的，倒转的或是摇摆的。 空气密度与气压、温度和水蒸气含量密切相关。 必威体育精装版文档 * 下蜃景(Inferior mirages)出现在真实物体的下方。 必威体育精装版文档 * 上蜃景(Superior mirages)出现在真实物体的上方。 必威体育精装版文档 * （2）光的反射和折射定律 反射线与折射线都在入射面内 注意： 1） n1和n2称为媒质的绝对折射率. 2）折射率较大的媒质称为光密媒质， 折射率较小的媒质称为光疏媒质. 3）适用条件：反射和折射面积远大 于光波长时上述定律才成立. 必威体育精装版文档 * 斯涅尔定律（W. Snell） ◆ 介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。在同一种介质中，长波折射率小，短波的折射率大。 必威体育精装版文档 * 水 空气 解: 水相对于空气的折射率为 根据折射定律，有 [例题1] 在水中深度为y 处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点 的深度 与入射角 的关系. 必威体育精装版文档 * 上式表明，由Q点发出的不同方向光线，折射后的延长线不再交于同一点。 但对于那些接近法线方向的光线 若忽略 的高阶小量，则 这时 与入射角 无关，即折射线的延长线近似地交与同一点 ，其深度为原发光点深度的 必威体育精装版文档 * 例2: 用作图法求任意入射线在球面上的折射线. 必威体育精装版文档 * 证： （1）正弦定律于△HCM （2）三角形相似， △HCM和△MCH’ 必威体育精装版文档 * ◆ 当光线从光密媒质射向光疏媒质时，折射角大于入射角；当入射角增大到某一临界值时，折射光线消失，光线全部反射，此现象叫全反射。 2.2 全反射定律 必威体育精装版文档 * 全反射临界角： 的空气对于 的玻璃，临界角 42 c i = o 必威体育精装版文档 * A C B 全反射的应用----全反射棱镜 利用全反射棱镜改变光线方向，比用一般的平面镜，能量损失要小得多。 必威体育精装版文档 * 全反射的应用→→光学纤维 必威体育精装版文档 * （1）棱镜：由透明媒质做成的棱镜体 称为棱镜 （2）三棱镜：截面呈三角形的棱镜叫 三棱镜 （3）主截面：与棱边垂直的平面叫做 棱镜的主截面 （4）偏向角: 2.3 棱镜与色散 必威体育精装版文档 * 折射率 求其最小值： 令 且有 B C G D E F A 最小偏向角 的推导 必威体育精装版文档 * 可以得到：当 时 此时有： 带入折射定律： 有： 时， 必威体育精装版文档 * ◆ 介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。在同一种介质中，长波折射率小，短波的折射率大。一束白光入射到两种介质界面上，在折射时不同波长的光将分散开来，这种现象叫做色散。 色散 必威体育精装版文档 * ◆ 棱镜光谱仪中的色散元件色散棱镜就是利用介质的这种性质，将含有多种波长的复色光分散开来。 必威体育精装版文档 * 光的可逆性原理: 当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播，称为光的可逆性原理。 必威体育精装版文档 * 波面 波线 §3 惠更斯原理 2.1 波的几何描述 波动：扰动在空间的传播 波面： （1）在同一振源的波场中 （2）振动同时到达的各点具有相同的位相 满足上述条件的振动轨迹称为波面或波振面。 球面波： 平面波： 波线： 波面与波线 球面波 平面波 必威体育精装版文档 * 3.2 惠更斯原理的表述 在t时刻由振源发出的波扰动传到了波面S，惠更斯提出，S上的每一面元可以认为是次波的波源， 惠更斯原理 必威体育精装版文档 * 原理的优点： 提出了次波概念 原理的不足： 给不出新波面的强度分布 惠更斯原理 必威体育精装版文档 * 3.3 惠更斯原理对反射、 折射定律的解释 如图所示 有： 设 ， 则有： 即：