第12章几何光学精选PPT.ppt

第第12章几何光学章几何光学第1页，此课件共29页哦2有关光的本性的研究有关光的本性的研究微粒学说微粒学说波动学说波动学说牛牛 顿顿惠更斯惠更斯解释了反射、折射和双折射现象，解释了反射、折射和双折射现象，发现了光的偏振现象发现了光的偏振现象解释了反射和折射定律解释了反射和折射定律,不能解释衍射、干涉现象不能解释衍射、干涉现象 光的波粒之争光的波粒之争光的波粒之争光的波粒之争波动说与微粒说的对立在于：波动说与微粒说的对立在于：微粒说认为微粒说认为：伴随着光信号的传播有某种物质：伴随着光信号的传播有某种物质 光微粒的输送；光微粒的输送；波波动动说说认认为为：光光信信号号的的传传播播只只不不过过是是光光引引起起的的效效应应的传播，并不伴随着物质的输送。的传播，并不伴随着物质的输送。第2页，此课件共29页哦3 牛顿牛顿：光的直线转播说明光是粒子流。：光的直线转播说明光是粒子流。惠更斯惠更斯、托马斯托马斯 杨杨、菲涅耳菲涅耳：光具有干涉和衍：光具有干涉和衍 射现象，所以光是一种波。射现象，所以光是一种波。麦克斯韦麦克斯韦：根据我的理论，光是一种电磁波，而根据我的理论，光是一种电磁波，而 且是横波，转播速度为每秒且是横波，转播速度为每秒30万公里。万公里。迈克尔逊迈克尔逊：我为什么测不到我为什么测不到“以太风以太风”。爱因斯坦爱因斯坦：用普朗克的用普朗克的“能量子能量子”解释了光电效应。解释了光电效应。光具有粒子性光具有粒子性。德布罗意德布罗意：所有物体所有物体都具有波动性与粒子性。都具有波动性与粒子性。光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性第3页，此课件共29页哦4一、一、直线传播定律直线传播定律 在在均均匀匀各各向向同同性性介介质质中中，光光沿沿直线传播。直线传播。如：针孔成像就是光沿直线传如：针孔成像就是光沿直线传播的结果。播的结果。针孔成像针孔成像光阑光阑12.1 几何光学的基本定理几何光学的基本定理第4页，此课件共29页哦5 入射光线、反射面的法线入射光线、反射面的法线en和和反反射射光光线线三三者者处处在在同同一一平平面面上上，入入射射光光线线和和反反射射光光线线分分居居于于入入射射点点界界面面法线的两侧，入射角等于反射角。法线的两侧，入射角等于反射角。二、反射定律：二、反射定律：光的反射光的反射en界面界面SR漫反射漫反射第5页，此课件共29页哦6平面镜平面镜 从点光源从点光源 S 发出的所有光线，发出的所有光线，不论其入射角的大小，经平面镜不论其入射角的大小，经平面镜反射后，其反向延长线都将交于反射后，其反向延长线都将交于S 点。点。平面镜是一种反射镜，它的反射面是两种介质的分界平面镜是一种反射镜，它的反射面是两种介质的分界面。面。平面镜成虚像。平面镜成虚像。enMNM N e n 平面旋转后反射光线平面旋转后反射光线的偏向角：的偏向角：为平面镜为平面镜MN旋转角。旋转角。=2 第6页，此课件共29页哦7 其其中中：n21称称为为介介质质2相相对对于于介质介质1的相对折射率的相对折射率三、折射定律三、折射定律入射光线折射光线 i 入射角折射角折射角 enn1n2分界面分界面 入入射射光光线线、折折射射光光线线和和分分界界面面的的法法线线en三三者者同同处处在在一一个个平平面面上上，入入射射角角i 和和折折射射角角 有有下下述述关关系：系：第7页，此课件共29页哦8物物质质相相对对于于真真空空的的折折射射率率称称为为绝绝对对折折射射率率（简简称称折折射射率率），其其定义为：定义为：光在真空中的传播速度光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度光在介质中的传播速度 两两种种介介质质相相比比较较，折折射射率率大大的的介介质质，光光在在其其中中的的传传播播速速度度小小，称称为为光光密密介介质质；折折射射率率小小的的介介质质，光光在在其其中中的传播速度大，称为光疏介质。的传播速度大，称为光疏介质。折射定律也可表示为：折射定律也可表示为：第8页，此课件共29页哦9介 质折 射 率介 质折 射 率金刚石2.42水1.33玻 璃1.50-1.75酒 精1.36水 晶1.54-1.56乙 醚1.35岩 盐1.54水蒸气1.026冰1.31空 气1.0003几种介质的折射率几种介质的折射率 介介质质折折射射率率不不仅仅与与介介质质种种类类有有关关，而而且且与与光光波波波波长长有有关关。在在在在同同同同一一一一种种种种介介介介质质质质中中中中波波波波长长长长越越越越短短短短的的的的光光光光折折折折射射射射率率率率越越越越大大大大。故故同同一一介质对紫光折射率最大，对红方折射率最小。介质对紫光折射率最大，对红方折射率最小。第9页，此课件共29页哦10当当有有临界角临界角 A：相应于折射角为相应于折射角为90的入射角。的入射角。全全反反射射：当当入入射射角角 i 大大于于临临界界角角 A时时，将将不不会会出出现现折折射射光光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。入射光的能量全部反射回原来介质的现象。（n1 1n2 2）四、全反射四、全反射en旋转反射镜旋转反射镜第10页，此课件共29页哦11望远镜的光路望远镜的光路光导纤维的光路光导纤维的光路水柱引水柱引导导光光线线的行的行进进内窥镜内窥镜全反射的应用全反射的应用第11页，此课件共29页哦1212.2 光程光程 费马原理费马原理一、光程一、光程 光光在在均均匀匀介介质质走走过过的的几几何何路路程程 r 与与介介质质折射率折射率 n 之乘积。用之乘积。用 L表示。表示。数值上等于以相同的时间在真空中走过的距离。数值上等于以相同的时间在真空中走过的距离。光程的物理意义光程的物理意义：光程就是光在介质中通过的几：光程就是光在介质中通过的几何路程按波数相等折合到真空中的路程。何路程按波数相等折合到真空中的路程。即：即：L=nr光程光程介质中：介质中：折合到真折合到真空中：空中：连续变化的介质：连续变化的介质：所用时间为：所用时间为：第12页，此课件共29页哦13二、费马原理二、费马原理 光光从从一一点点传传播播到到另另一一点点将将循循着着这这样样一一条条路路径径，光光沿沿所所需需要要时时间间为为极极值值（可可以以是是极极大大值、极小值，也可以是常量）值、极小值，也可以是常量）的路径传播的路径传播。所用时间为：所用时间为：时间时间 t 有极值的条件是有极值的条件是:或或光程光程第13页，此课件共29页哦2022/10/6光程为极值的例子光程为极值的例子光程为极值的例子光程为极值的例子:BCDAEBABCDE(1)光程为极小值光程为极小值 由由A点点发发出出的的光光线线经经界界面面D点点反反射射后后通通过过B点点,符符合合反反射射定定律律,其其光光程程较较其其他他任任一一光光线线ACB的的光光程程都小都小.由由A到到B,符符合合折折射射定定律律的的光光线线ADB的的光光程程,比比任任何何其其他他由由A至至B的路径的光程都小的路径的光程都小.(2)等光程的例子等光程的例子 回回转转椭椭球球凹凹面面镜镜,自自其其一一个个焦焦点点发发出出,经经镜镜面反射后到达另一焦点的光线等光程。面反射后到达另一焦点的光线等光程。AB第14页，此课件共29页哦2022/10/6(3)光程为极大值光程为极大值AB 反反射射镜镜MM 与与回回转转椭椭球球切切于于D点点,由由A点点发发出出过过D点点符符合合反反射射定定律律的的光光线线,必必过过椭椭球球另另一一焦焦点点B,光光线线的的光光程程比比任任何何路路径径的的光光程程都都大。大。成像系统的物点成像系统的物点S 和像点和像点S 之间的之间的光程取恒定值。光程取恒定值。几何光学的实验定律受费马原理的支配。几何光学的实验定律受费马原理的支配。等光程原理等光程原理第15页，此课件共29页哦1612.3 光在单球面上的傍轴成像光在单球面上的傍轴成像ABCO反射面反射面凹镜凹镜ABCO反射面反射面凸镜凸镜球球面面镜镜主光轴主光轴：球面上中心点：球面上中心点O与球心与球心(曲率中心曲率中心)C 所连直线。所连直线。副光轴副光轴：通过曲率中心：通过曲率中心C 的任何直线。的任何直线。光轴光轴：光学系统的对称轴：光学系统的对称轴光轴光轴傍轴光线傍轴光线：与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线。与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线。蓝线蓝线傍轴光线傍轴光线绿线绿线非傍轴光线非傍轴光线一、基本概念和符号一、基本概念和符号主光轴主光轴第16页，此课件共29页哦17符号法则符号法则球球面面反反射射成成像像COq-RpRPQ物距物距p:物点物点P 到球面顶点到球面顶点O 的距离的距离。像距像距q:像点像点Q 到球面顶点到球面顶点O 的距离。的距离。设设入射光从左向右入射光从左向右，规定：，规定：(1)物点物点P在顶点在顶点O左侧，左侧，p 0；右侧，；右侧，p 0；右侧，；右侧，q 0；(3)球心球心C 在顶点在顶点O左侧，左侧，R 0；(4)与与主主光光轴轴垂垂直直的的物物和和像像的的大大小小都都由由主主光光轴轴量量起起，向向上上为正，向下为负。为正，向下为负。对球面折射，左侧，对球面折射，左侧，q 0；第17页，此课件共29页哦18球球面面反反射射成成像像COq-RpRPQ Mii 二、球面反射成像二、球面反射成像根据反射定律根据反射定律 i=i，及几何关系，有，及几何关系，有,都很小，有都很小，有时时,这时的像点称为球面镜的这时的像点称为球面镜的像方焦点像方焦点F 时时,这时的物点称为球面镜的这时的物点称为球面镜的物方焦点物方焦点F，F与与F 到球面顶点的距离分别叫做到球面顶点的距离分别叫做物方焦距物方焦距和和像方焦距像方焦距物方与像方的焦点重合物方与像方的焦点重合第18页，此课件共29页哦19对反射球面对反射球面对反射球面对反射球面物物方方和和像像方方焦焦点点重重合合，焦焦距仅与曲率半径有关距仅与曲率半径有关球面反射的物像公式球面反射的物像公式像高像高y 物高物高y 之比称为之比称为横向放大率横向放大率球面反射的横向放大率：球面反射的横向放大率：如图，由几何关系及符号法则，如图，由几何关系及符号法则，y 取取正值；正值；y 取负值。取负值。横向放大率横向放大率横向放大率横向放大率m 0，成正立像；，成正立像；m 0，成倒立像。，成倒立像。COq-RpPQi yy AA i第19页，此课件共29页哦20三、球面镜成像的作图法：三、球面镜成像的作图法：三、球面镜成像的作图法：三、球面镜成像的作图法：与主光轴平行的傍轴光线经球面反射后通过焦点与主光轴平行的傍轴光线经球面反射后通过焦点F F（或其（或其 反向延长线通过焦点）；反向延长线通过焦点）；通过焦点的入射光线经球面反射后，它的反射光线必与主通过焦点的入射光线经球面反射后，它的反射光线必与主 光轴平行；光轴平行；通过球面的曲率中心通过球面的曲率中心C的入射光线经球面镜反射后，仍沿原的入射光线经球面镜反射后，仍沿原 光路返回。光路返回。物体位于物体位于凹面镜凹面镜凹面镜凹面镜焦点焦点F之外时，成之外时，成倒立实像倒立实像；物体位于焦点；物体位于焦点以内时，成以内时，成正立虚像正立虚像。凸面镜凸面镜凸面镜凸面镜皆成皆成正立虚像正立虚像。总之，虚像都是正立的，实像都是倒立的。总之，虚像都是正立的，实像都是倒立的。P第20页，此课件共29页哦21四、球面折射成像四、球面折射成像OPCQRpqn1n2enhi n1 n2 折射定律：折射定律：i，很小很小由几何关系，有由几何关系，有由于由于,和和 都很小，且由都很小，且由图图中的几何关系，有中的几何关系，有傍轴条件下球面折傍轴条件下球面折射射的物象公式的物象公式第21页，此课件共29页哦22球面折射球面折射的物方焦距和像方焦距：的物方焦距和像方焦距：球面折射球面折射的物象公式的物象公式高斯物像公式高斯物像公式球面折射的横向放大率：球面折射的横向放大率：OPCQpqin2AA yy n1第22页，此课件共29页哦23一、透镜一、透镜透镜透镜将玻璃、水晶等磨成两面为球面（或一面为平面）的透将玻璃、水晶等磨成两面为球面（或一面为平面）的透明物体。明物体。凸透镜：凸透镜：中间厚边缘薄的中间厚边缘薄的透镜。透镜。中间薄边缘厚的中间薄边缘厚的透镜。透镜。凹透镜：凹透镜：双凸透镜，双凸透镜，平凸透镜，平凸透镜，凹凸透镜，凹凸透镜，双凹透镜，双凹透镜，平凹透镜，平凹透镜，凸凹透镜。凸凹透镜。12.4 薄透镜成像薄透镜成像薄透镜：薄透镜：透镜厚度远小于两球面的曲率半径。透镜厚度远小于两球面的曲率半径。或或 两个侧面的中心靠得很近的透镜。两个侧面的中心靠得很近的透镜。第23页，此课件共29页哦24主光轴主光轴透镜两球面的中心透镜两球面的中心C1和和C2的连线。的连线。副光轴副光轴所有通过光心的直线。所有通过光心的直线。焦点焦点平行主光轴的光线经透镜后所汇聚的点平行主光轴的光线经透镜后所汇聚的点F。焦平面焦平面过焦点，且垂直于主光轴的平面。过焦点，且垂直于主光轴的平面。通过该点的光线其方向不变。通过该点的光线其方向不变。焦焦平平面面第24页，此课件共29页哦25二、薄透镜成像公式二、薄透镜成像公式物点物点P经左侧折射球面经左侧折射球面成像于成像于Q1，有：，有：将将Q1看成虚看成虚物点经右侧物点经右侧折射球面成一实像于折射球面成一实像于Q，有：有：两式相加，得到：两式相加，得到：（d 0）式中式中第25页，此课件共29页哦26将薄透镜置于空气中，将薄透镜置于空气中，物像公式：物像公式：并设薄透镜的折射率为并设薄透镜的折射率为n，即，即n2=n横向放大率：横向放大率：左侧球面：左侧球面：右侧球面：右侧球面：第26页，此课件共29页哦27三、三、薄透镜的焦距薄透镜的焦距仿照单一球面的情况，根据焦距定义，仿照单一球面的情况，根据焦距定义，薄透镜焦距薄透镜焦距：由由将薄透镜置于空气中，有将薄透镜置于空气中，有薄透镜物像公式：薄透镜物像公式：薄透镜的光焦度：量度透镜聚光本领的物理量。薄透镜的光焦度：量度透镜聚光本领的物理量。在空气中的透镜：在空气中的透镜：单位：屈光度单位：屈光度(D)，1 1D=1 1m-1-1。透镜可看成棱镜的组合透镜可看成棱镜的组合第27页，此课件共29页哦28四、薄透镜成像的作图法四、薄透镜成像的作图法薄透镜成像作图法的三条特殊光线：薄透镜成像作图法的三条特殊光线：(1)平行与主光轴的入射光，其出射光通过像方焦平行与主光轴的入射光，其出射光通过像方焦F 点。点。(2)通过物方焦点通过物方焦点F 的入光线，其出射光平行于主光轴。的入光线，其出射光平行于主光轴。(3)通过光心的入光线，按原方向传播不发生偏折。通过光心的入光线，按原方向传播不发生偏折。作光路图作光路图时，通常把薄时，通常把薄凹透镜和薄凸凹透镜和薄凸透镜分别表示透镜分别表示为为O(a)凸透镜凸透镜O(b)凹透镜凹透镜第28页，此课件共29页哦29(a)p f,正立放大虚像正立放大虚像(b)f p 2f,倒立缩小实像倒立缩小实像(b)p 2f,正立缩小虚像正立缩小虚像第29页，此课件共29页哦