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第四讲透镜及其应用知识梳理
思维导图
知识梳理
一、光的折射定律
光从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生改变,这种现象就叫做光的折射.
对于两种媒质来说,光在其中速度较大的叫光疏媒质,速度较小的叫做光密媒质.如水和玻璃相比较,水中的光速约是真空中光速34?,玻璃中的光速约是真空中光2
光的折射定律可表述为:
①折射光线、入射光线和法线在同一平面内,即“三线共面”;
②折射光线、入射光线分居法线两侧,即“法线居中”;
③光从光疏媒质斜射到光密媒质中,折射角小于入射角;光从光密媒质斜射到光疏媒质中,折射角大于入射角.
※A.当光从一种介质垂直射入另一种介质时,传播方向不改变.
B.光在折射时,光路是可逆的.
二、折射率
当光由第一媒质(折射率n?)射入第二媒质(折射率n?)时,在平滑界面上,部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射.
入射角i的正弦和折射角r的正弦的比值,对折射率一定的两种媒质来说是一个常数,即:n=
此定律是几何光学的基本实验定律.它适用于均匀的各种同性的媒质.
其中n称为第二种媒质对第一种媒质相对折射率.对于同一媒质来说,这个常数是一定的,对于不同媒质来说是不同的.它跟媒质有关,是反映媒质光学性质的物理量.
光从真空斜射入某种媒质的折射率,叫做这种媒质的绝对折射率,它等于光在真空中的速度跟光在这种媒质里的速度之比.即:n=c
因为光在真空中的速度最大,所以媒质的绝对折射率都大于1.所以n=
平行玻璃板:光斜射到平行厚玻璃板的上表面时,会发生折射,因为光是从空气射到玻璃,折射角小于入射角,折射光线靠拢法线,进入到玻璃的光线O?O?对于玻璃的下表面来说是入射光线,当它在玻璃的下表面发生折射时,光是从玻璃射向空气,因此折射角大于入射角,折射光线偏离法线.又从光路的可逆性得知:∠2=∠1,这就是说从玻璃下表面射出的光线,它的传播方向不变,但发生了一段侧移d.不难看出,玻璃板越厚,侧移越大,如图.发光点S放在玻璃板前,在玻璃板的另一侧可以看到它的虚像,如图,从图中可知,它的像离我们近了.
三、全反射现象
光从光密媒质射入光疏媒质时,折射角大于入射角.以光从玻璃射入空气为例,一部分光线从直边折射到空气中,一部分光线反射回玻璃.逐渐增大光线的入射角,折射光线离法线将会越来越远,而且折射光线越来越弱,反射光线越来越强.当入射角增大到某一角度时,折射光线消失,只剩下反射光线,光全部反射回玻璃中,这种现象叫做全反射.
还可以从能量的观点来研究这个问题.上图是光线从玻璃射入空气中,折射光线和反射光线的能量分配随入射角变化的情况.从图中可以看到,当入射角等于42°时,折射角等于90°,实际上折射光线的能量为零,也就是说,此时已不存在沿界面的折射光线,入射光线的能量全部反射回玻璃.
利用光的折射定律,可以求出各种媒质对空气(或真空)的临界角.如果用C表示临界角,n表示媒质的折射率,那么,由于空气对该媒质的折射率等17?,所sinCsin90°
因此,已知媒质的折射率,利用上式就可以求出这种媒质对空气(或真空)的临界角.
因此发生全反射的条件是:
①光从光密媒质射向光疏媒质;
②入射角等于或大于临界角.
水对空气的临界角是49°,各种玻璃对空气的临界角是30°~42°.
全反射棱镜:是一种特殊的棱镜,横截面是等腰直角三角形,应用范围很广泛.当光线垂直射到它的一条直角边时,进入棱镜的光线会在它的斜边发生全反射,当光线从另一条直角边射出时,出射光线跟入射光线垂直,如图由于全反射棱镜能够把入射光线的能量全部反射出去,并且使光线方向改变了90°,所以精密的光学仪器中都用它来代替平面镜.
几种典型的使用方法如图所示:
光导纤维:实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径只有几微米到一百微米左右,由内芯和外套两层组成.内芯的折射率比外套的大,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射.
四、光的色散
三棱镜:用玻璃制成的、横截面为三角形的光学器件,叫做三棱镜,简称棱镜,如下图,它是利用光的折射工作的.一条光线从棱镜的一个侧面射入,根据光的折射规律,光线从它的另一个侧面射出来的时候,方向发生了明显的改变,图中∠A是棱镜的顶角,BC是它的底面,通过棱镜的光线向它的底面偏折.图中是棱镜成物体的像的情况,物体通过棱镜成虚像,像是向着棱镜的顶角偏移的.
不同的单色光通过棱镜时偏折的程度是不同的.红光的偏折程度最小,紫光的偏折程度最大,所以通过棱镜的折射,太阳光可以分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种单色光.
五、透镜
1.透镜分为凸透镜和凹透镜
凸透镜:中间厚、边缘薄的透镜称为凸透镜.
凹透镜:中间薄、边缘厚的透镜称为凹透镜.
凸透镜
凹透镜
双凸透镜
平凸透镜
弯月形凸透镜
双凹透镜
平凹
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