第11章-几何光学PPT讲稿.ppt

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1、第11章-几何光学第1页，共54页，编辑于2022年，星期一11-1 11-1 几何光学的基本定律几何光学的基本定律 几何光学：几何光学：是以光的基本实验定律为基础，并且运用几是以光的基本实验定律为基础，并且运用几何学的方法就能研究和说明一些光学问题的学科。何学的方法就能研究和说明一些光学问题的学科。研究对象：研究对象：光学成像光学成像 照明工程照明工程 第2页，共54页，编辑于2022年，星期一11-1-1 光的直线传播 光的直线传播定律：光的直线传播定律：光在各向同性的均匀介质中沿直线光在各向同性的均匀介质中沿直线传播。传播。第3页，共54页，编辑于2022年，星期一11-1-2 光的反射

2、 当光沿某一方向传播的当光沿某一方向传播的过程中遇到两种介质的分界面过程中遇到两种介质的分界面时会发生一部分光被反射的现时会发生一部分光被反射的现象。象。界面光滑，反射光束中界面光滑，反射光束中的各条光线相互平行，沿同一的各条光线相互平行，沿同一方向传播。方向传播。镜面反射：镜面反射：第4页，共54页，编辑于2022年，星期一界面粗糙，反射光线可以有各界面粗糙，反射光线可以有各种不同的传播方向。种不同的传播方向。反射定律：反射定律：反射光线总是反射光线总是位于入射面内，并且与入位于入射面内，并且与入射光线分居在法线的两侧，射光线分居在法线的两侧，入射角等于反射角入射角等于反射角。漫反射：漫反射

3、：第5页，共54页，编辑于2022年，星期一11-1-3 光的折射 n2n1折射定律：折射定律：折射光线总是位于入射面折射光线总是位于入射面内，并且与入射光线分居在内，并且与入射光线分居在法线的两侧；法线的两侧；入射角入射角 i 的正弦与折射角的正弦与折射角 r 的正弦之比为一个常数的正弦之比为一个常数n21称为第二种介质对第一种介质的相对折射率。称为第二种介质对第一种介质的相对折射率。第6页，共54页，编辑于2022年，星期一绝对折射率：绝对折射率：一种介质相对于真空的折射率一种介质相对于真空的折射率 。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

4、.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 第7页，共54页，编辑于2022年，星期一设设设光的频率为设光的频率为光路可逆性原理：光路可逆性原理：如果光线逆着原反射光的方向入射，则其反射光必沿如果光线逆着原反射光的方向入射，则其反射光必沿原入射光线的逆方向传播；如果光沿原折射光线的逆向入射，则其折射原入射光线的逆方向传播；如果光沿原折射光线的逆向入射，则其折射光线必沿原入射光线的逆向传播。光线必沿原入射光线的逆向传播。第8页，共54页，编辑于2022年，星期一11-1-4 全反射 当当有有临界角临界角

5、ic：相应于折射角为相应于折射角为9090的入射角。的入射角。全反射：全反射：当入射角当入射角 i 大于临界角时，将不会出现折射光，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。入射光的能量全部反射回原来介质的现象。第9页，共54页，编辑于2022年，星期一11-2 11-2 平面反射和平面折射成像平面反射和平面折射成像 11-2-1 平面反射成像 结论：结论：从点光源从点光源 S 发出的所发出的所有光线，不论其入射角的大有光线，不论其入射角的大小，经平面镜反射后，其反小，经平面镜反射后，其反向延长线都将交于一点。向延长线都将交于一点。第10页，共54页，编辑于2022

6、年，星期一结论：结论：物体在平面镜中所成的虚像与物体本身的大小相物体在平面镜中所成的虚像与物体本身的大小相等，且物与像对称于平面镜。等，且物与像对称于平面镜。11-2-2 平面折射成像 n1n2 平面折射时，各折射线的反向平面折射时，各折射线的反向延长线不交于同一点，因此不具有延长线不交于同一点，因此不具有同心性。这一现象称为同心性。这一现象称为像散像散。像距（像距（）：）：像点像点 S 到镜面的距离。到镜面的距离。物距（物距（p）：）：物点物点 到镜面的距离。到镜面的距离。第11页，共54页，编辑于2022年，星期一n1n2称为称为 S 的的视深视深 第12页，共54页，编辑于2022年，星

7、期一n2n1沿任一折射线方向观察沿任一折射线方向观察 第13页，共54页，编辑于2022年，星期一11-3 11-3 球面反射和球面折射成像球面反射和球面折射成像 11-3-1 球面反射的成像公式 O点点为为镜顶镜顶OP 为为主光轴主光轴第14页，共54页，编辑于2022年，星期一代入代入发散光入射凹镜：发散光入射凹镜：满足上述条件的光线称为满足上述条件的光线称为傍轴光线傍轴光线。成虚像成虚像物像关系式物像关系式第15页，共54页，编辑于2022年，星期一会聚光入射凹镜：会聚光入射凹镜：发散光入射凸镜：发散光入射凸镜：总是成虚像总是成虚像P点为虚物点点为虚物点第16页，共54页，编辑于2022

8、年，星期一物点在镜前时，物距为正；物点在镜后时，物点在镜前时，物距为正；物点在镜后时，物距为负。物距为负。像点在镜前时，像距为正；像点在镜后时，像点在镜前时，像距为正；像点在镜后时，物距为负。物距为负。凹面镜的曲率半径取正，凸面镜的曲率半径凹面镜的曲率半径取正，凸面镜的曲率半径取负。取负。实正虚负实正虚负。符号法则：符号法则：第17页，共54页，编辑于2022年，星期一 物点物点 P 在主光轴上离球面镜无穷远（在主光轴上离球面镜无穷远（p ）时，入）时，入射光线可看做傍轴平行光线，该物点的像点称为球面射光线可看做傍轴平行光线，该物点的像点称为球面镜的镜的焦点焦点。焦距（焦距（f）：）：球面镜顶

9、点到焦点的距离。球面镜顶点到焦点的距离。球面镜焦距：球面镜焦距：物像关系式：物像关系式：凹面镜，凹面镜，R 取正，则取正，则 f 取正，与实焦点相对应；取正，与实焦点相对应；凸面镜，凸面镜，R 取负，则取负，则 f 取负，与虚焦点相对应取负，与虚焦点相对应。第18页，共54页，编辑于2022年，星期一11-3-2 球面镜成像的作图法 球面镜成像作图法的三条特殊光线：球面镜成像作图法的三条特殊光线：平行于主光轴的傍轴入射光线经球面镜反射后过焦点平行于主光轴的傍轴入射光线经球面镜反射后过焦点F，或其反向延长线过焦点（根据焦点的定义）。，或其反向延长线过焦点（根据焦点的定义）。过焦点的入射光线经球面

10、镜反射后，其反射光平行于过焦点的入射光线经球面镜反射后，其反射光平行于主光轴（根据光路可逆性原理）。主光轴（根据光路可逆性原理）。过球面曲率中心过球面曲率中心C 的光线（或它的延长线），经球面镜的光线（或它的延长线），经球面镜反射后按原路返回。反射后按原路返回。第19页，共54页，编辑于2022年，星期一第20页，共54页，编辑于2022年，星期一11-3-3 球面镜的横向放大率 设物体的高度为设物体的高度为 y，像高度为，像高度为 y横向放大率：横向放大率：当当m 0时，成正立像。时，成正立像。第21页，共54页，编辑于2022年，星期一例例1 一凹面镜的曲率半径为一凹面镜的曲率半径为 0.

11、12m，物体位于镜顶前，物体位于镜顶前 0.04m 处，求：处，求：像的位置；像的位置；横向放大率。横向放大率。已知已知 R=0.12 m，p=0.04 m 解：解：（1）由物像关系式由物像关系式 解得解得虚像虚像（2）正立像正立像 第22页，共54页，编辑于2022年，星期一11-3-4 球面折射成像 几何关系：几何关系：第23页，共54页，编辑于2022年，星期一解得解得球面折射物像公式：傍轴条件下：第24页，共54页，编辑于2022年，星期一由球面折射成像的横向放大率：球面折射成像的横向放大率：物距物距 p 和像距和像距 p 的正负可以用的正负可以用实正虚负实正虚负来确定。来确定。规定：

12、规定：当物体面对凸面时，曲率半径当物体面对凸面时，曲率半径 R 为正；当物体为正；当物体面对凹面时，曲率半径面对凹面时，曲率半径 R 为负。为负。第25页，共54页，编辑于2022年，星期一例例2 2 点光源点光源P位于一玻璃球心点左侧位于一玻璃球心点左侧25 cm处。已知玻璃处。已知玻璃球半径是球半径是10 cm，折射率为，折射率为1.5，空气折射率近似为，空气折射率近似为1，求像，求像点的位置。点的位置。解：解：第26页，共54页，编辑于2022年，星期一虚像虚像 即为虚物点即为虚物点 解得解得第27页，共54页，编辑于2022年，星期一11-4 11-4 薄透镜成像薄透镜成像 11-4-

13、1 薄透镜的成像公式 凸透镜：凸透镜：中间厚边缘薄的透镜。中间厚边缘薄的透镜。中间薄边缘厚的透镜。中间薄边缘厚的透镜。凹透镜：凹透镜：薄透镜：薄透镜：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28页，共54页，编辑于2022年，星期一光线在透镜的左侧面折射：光线在透镜的左侧面折射：光线在透镜内右侧面入射：光线在透镜内右侧面入射：两式相加：两式相加：第29页，共54页，编辑于2022年，星期一为入射于右侧球面光线的一个虚物点 薄透镜的物像公式：第30页，共54页，编辑于2022年，星期一空气中薄透镜的物像公式：在透镜左侧球面折射成像的横向放大率为在透镜左侧球面折射成像的横向放

14、大率为 在透镜右侧球面折射成像的横向放大率为在透镜右侧球面折射成像的横向放大率为 薄透镜的横向放大率：第31页，共54页，编辑于2022年，星期一11-4-2 薄透镜焦点和焦距 薄透镜的焦点：薄透镜的焦点：一束平行于主光轴的平行光，经薄透一束平行于主光轴的平行光，经薄透镜折射后的会聚点或折射线反向延长线的会聚点称为镜折射后的会聚点或折射线反向延长线的会聚点称为焦点，焦点位于光轴上。焦点，焦点位于光轴上。薄透镜的焦距：薄透镜的焦距：凸透镜的焦距 f 为 正（实焦点）凹透镜的焦距 f 为负（虚焦点）第32页，共54页，编辑于2022年，星期一空气中薄透镜的焦距：空气中薄透镜的焦距：为凸透镜。为凸透

15、镜。为凹透镜。为凹透镜。薄透镜的物像公式：第33页，共54页，编辑于2022年，星期一焦面：焦面：过焦点且垂直于光轴的平面。（傍轴平行光与光过焦点且垂直于光轴的平面。（傍轴平行光与光轴有一个夹角，则经透镜会聚于焦面上的一点）轴有一个夹角，则经透镜会聚于焦面上的一点）光焦度：光焦度：单位：屈光度（单位：屈光度（D），），1 D=1 m-1 空气中的光焦度：空气中的光焦度：第34页，共54页，编辑于2022年，星期一11-4-3 薄透镜成像的作图法薄透镜成像作图法的几条特殊光线：薄透镜成像作图法的几条特殊光线：与主光轴平行的入射光线，通过凸透镜后，折射光线与主光轴平行的入射光线，通过凸透镜后，折射

16、光线过焦点；通过凹透镜后折射光线的反向延长线过焦点。过焦点；通过凹透镜后折射光线的反向延长线过焦点。过焦点（或延长线过焦点）的入射光线，其折射光线过焦点（或延长线过焦点）的入射光线，其折射光线与主光轴平行。与主光轴平行。过薄透镜中心的入射光线，其折射光线无偏折地沿原方向过薄透镜中心的入射光线，其折射光线无偏折地沿原方向出射。出射。第35页，共54页，编辑于2022年，星期一 与主光轴有一夹角的平行光线（即与相应的副光轴平与主光轴有一夹角的平行光线（即与相应的副光轴平行的光线），经透镜折射后交于副光轴与焦面的交点。行的光线），经透镜折射后交于副光轴与焦面的交点。第36页，共54页，编辑于2022

17、年，星期一第37页，共54页，编辑于2022年，星期一例例3 3 一凸透镜的焦距为一凸透镜的焦距为10.0 cm，如果已知物距分别，如果已知物距分别为为 30.0 cm；5.00 cm。试计算这两种情况下的像距，。试计算这两种情况下的像距，并确定成像性质。并确定成像性质。解：解：实像实像 缩小倒立像缩小倒立像 第38页，共54页，编辑于2022年，星期一 虚像虚像 放大正立像放大正立像 第39页，共54页，编辑于2022年，星期一11-5 11-5 光学仪器光学仪器 11-5-1 照相机 照相机的构成：镜头：镜头：由多片透镜组合而成。由多片透镜组合而成。第40页，共54页，编辑于2022年，星

18、期一 光圈：光圈：位于镜头后或镜头的透镜组合之间的一个通光孔，位于镜头后或镜头的透镜组合之间的一个通光孔，可以随意开大或缩小可以随意开大或缩小。光圈以其焦距与孔径之比来表示，称为光圈以其焦距与孔径之比来表示，称为 f-数数 f-数变为原来的数变为原来的 倍，则感光倍，则感光片上的受照光强变为原来的片上的受照光强变为原来的2倍。倍。第41页，共54页，编辑于2022年，星期一f-数数的等级：的等级：2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 快门：快门：控制光进入镜头时间长短的装置，它和光圈配控制光进入镜头时间长短的装置，它和光圈配合使用，一起来控制曝光量。合使用，一起来控制曝光量。1/100

19、0秒，1/500秒，1/250秒，1/125秒，1/60秒 ，1/30秒 ，“光圈光圈-快门快门”组合：组合：f/4和和1/500秒秒、f/5.6和和1/250秒秒、f/8和和1/125秒等组秒等组合具有相同的曝光量。合具有相同的曝光量。暗箱：暗箱：暗箱是照相机的机身部分。暗箱是照相机的机身部分。第42页，共54页，编辑于2022年，星期一11-5-2 眼睛 视网膜虹膜晶状体视神经水状液角膜 眼睛通过眼睛通过调节睫状肌来调节睫状肌来改变晶状体的改变晶状体的焦距，使物体焦距，使物体的像总能形成的像总能形成在视网膜上。在视网膜上。远点：远点：睫状肌完全放松时能看清楚的点。睫状肌完全放松时能看清楚的

20、点。近点：近点：睫状肌最紧张时能看清楚的点。睫状肌最紧张时能看清楚的点。第43页，共54页，编辑于2022年，星期一明视距离：明视距离：正常眼睛看正常眼睛看25 cm远处的物体能看得远处的物体能看得清楚，又能较长时间不感觉疲劳。清楚，又能较长时间不感觉疲劳。近视：近视：远处物体成像在视远处物体成像在视网膜前面一点。网膜前面一点。远视：远处物体成像在视网远视：远处物体成像在视网膜后面一点。膜后面一点。第44页，共54页，编辑于2022年，星期一11-5-3 放大镜放大镜：放大镜：一片短焦距的凸一片短焦距的凸透镜。透镜。第45页，共54页，编辑于2022年，星期一视角放大率：第46页，共54页，编

21、辑于2022年，星期一当眼睛位于放大镜的焦点附近时，像的视角为：当眼睛位于放大镜的焦点附近时，像的视角为：眼睛在明视距离直接观察物体时的视角为：眼睛在明视距离直接观察物体时的视角为：视角放大率视角放大率：眼睛贴近放大镜时的视角放大率眼睛贴近放大镜时的视角放大率：第47页，共54页，编辑于2022年，星期一11-5-4 显微镜 显微镜的构成：物镜：对着被观察物体的一组透镜，焦距 f1 很短。目镜：靠近观察者眼睛的一组透镜，焦距 f2 稍长。第48页，共54页，编辑于2022年，星期一 物镜的横向放大率物镜的横向放大率m1，它决定，它决定了实像的大小；了实像的大小；目镜的视角放大率目镜的视角放大率

22、M2。决定显微镜放大率的两个因素：决定显微镜放大率的两个因素：第49页，共54页，编辑于2022年，星期一（焦距以cm为单位）显微镜的放大率：显微镜的放大率：（焦距以cm为单位）第50页，共54页，编辑于2022年，星期一（忽略（忽略负负号）号）已知 f1=1 cm，f2=2.5 cm，L=16 cm例例4 4 已知一显微镜的镜筒长已知一显微镜的镜筒长L=16 cm，物镜焦距为，物镜焦距为1 cm，目镜焦距为，目镜焦距为2.5 cm，试求显微镜的放大率。，试求显微镜的放大率。解：解：第51页，共54页，编辑于2022年，星期一11-5-5 望远镜 望远镜的构成：望远镜的构成：物镜（焦距物镜（焦距 f1 较长）较长）目镜（焦距目镜（焦距 f2 较短）较短）开普勒望远镜开普勒望远镜 第52页，共54页，编辑于2022年，星期一放大虚像的放大虚像的视视角：角：直接看直接看远处该远处该物体的物体的视视角：角：望远镜的放大率：望远镜的放大率：倒立像倒立像第53页，共54页，编辑于2022年，星期一伽利略望远镜伽利略望远镜 虚像物物镜镜的焦点的焦点与目与目镜镜的焦点的焦点重合重合直接看直接看远处该远处该物体的物体的视视角：角：虚像虚像对对眼睛的眼睛的视视角角:第54页，共54页，编辑于2022年，星期一