光学几何光学讲稿.ppt

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1、光学几何光学第一页，讲稿共二十六页哦第一部分第一部分 几何光学几何光学第二页，讲稿共二十六页哦14-5 薄透镜薄透镜14-4 光在球面上的反射和折射光在球面上的反射和折射14-3 光在平面上的反射和折射光在平面上的反射和折射14-2 几何光学基本定律几何光学基本定律14-1 关于光的本性的认识发展简史关于光的本性的认识发展简史第三页，讲稿共二十六页哦傅科测出光在水中的速度小傅科测出光在水中的速度小于空气中速度于空气中速度决定性判据决定性判据1719世纪世纪牛顿的微粒说牛顿的微粒说惠更斯的波动说惠更斯的波动说光是从光源发出的微粒流光是从光源发出的微粒流光是介质（以太）中的机械波光是介质（以太）中

2、的机械波开始占统治地位开始占统治地位19世纪初世纪初波动说波动说杨氏双缝实验显示干涉现象杨氏双缝实验显示干涉现象惠更斯惠更斯-菲涅耳原理能菲涅耳原理能1850年年波动说波动说获得更多的支持获得更多的支持傅科旋转镜法测光速傅科旋转镜法测光速SS1S2M1M2L14-1关于光的本性的认识发展简史关于光的本性的认识发展简史解释光直线传播和衍射现象解释光直线传播和衍射现象第四页，讲稿共二十六页哦解释与实物作用过程解释与实物作用过程（光的吸收与发射）（光的吸收与发射）中发生的现象中发生的现象解释传播过程（反射、解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象振）中发生的现象赫

3、兹实验证实了赫兹实验证实了19世纪世纪60年代年代麦克斯韦电磁波理论麦克斯韦电磁波理论光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应20世纪初世纪初波动理论遭遇困难波动理论遭遇困难光具有波粒二象性光具有波粒二象性表现为粒子表现为粒子表现为波动表现为波动光是电磁波的预言光是电磁波的预言等不能用波动说解释等不能用波动说解释波粒二象性是一切波粒二象性是一切微观粒子微观粒子的共同属性。的共同属性。第五页，讲稿共二十六页哦在在远远近近有有端端(小小孔孔)于于光光，故故景景库库(倒倒像像)内也内也 一、光的直线传播定律一、光的直线传播定律墨经墨经(两千年前两千年前)对针孔成像的记载对针孔成像的记载 这种几何线称

4、为这种几何线称为光线光线在均匀介质中光沿直线传播，光线为直线在均匀介质中光沿直线传播，光线为直线 142 几何光学基本定律几何光学基本定律壁壁高高下下首首高高下下足足下光下光上光上光屏屏午午端景景库库 针孔成像是光沿直针孔成像是光沿直线传播的典型实例线传播的典型实例 用带有方向的几何线表示光的传播方向用带有方向的几何线表示光的传播方向第六页，讲稿共二十六页哦光线因折射向上弯曲光线因折射向上弯曲非均匀介质中光线非均匀介质中光线炎热夏日的阳光下，炎热夏日的阳光下，远处路面似乎是潮远处路面似乎是潮湿的湿的 冷空气冷空气 热空气热空气 产生错觉的影像将因折射而沿曲线传播将因折射而沿曲线传播 第七页，讲

5、稿共二十六页哦二、光的反射和折射定律二、光的反射和折射定律 反射定律反射定律：反射光线在入反射光线在入射面内，且射面内，且 i=i法线法线入射面入射面iirn1n2 折射定律折射定律：折射光线在入折射光线在入射面内，且射面内，且第一介质和第二介质的绝对折射率定义为第一介质和第二介质的绝对折射率定义为 两种介质的相对折射率定义为两种介质的相对折射率定义为 v1、v2分别为光在两介质中的速度分别为光在两介质中的速度 第八页，讲稿共二十六页哦三、全反射三、全反射i1r1n1n2ic称为称为全反射的临界角全反射的临界角采用尼康采用尼康6mm鱼眼镜头拍摄的照片鱼眼镜头拍摄的照片 i2r2ic全反射水折射

6、率水折射率 n1=1.33 空气折射率空气折射率 n2=1.0 249=98的空间范围的空间范围 全反射刚好出现时的入射角全反射刚好出现时的入射角鱼从水中往天上看时，得到鱼从水中往天上看时，得到光线从光密到光疏光线从光密到光疏第九页，讲稿共二十六页哦n 全反射的应用全反射的应用 全反射棱镜全反射棱镜 45 45 45 改变光的行进方向改变光的行进方向 角锥棱镜角锥棱镜 光导纤维光导纤维 传递光能或光信息传递光能或光信息 作为反射器作为反射器 45 45 自自行行车车反反光光片片 第十页，讲稿共二十六页哦v1 为光在折射率为为光在折射率为n1 的介质中的传播速度的介质中的传播速度折射率的定义为折

7、射率的定义为设设 、1 分别为光在真空中、介质中的波长分别为光在真空中、介质中的波长四、光程四、光程设设 为单色光的频率，为单色光的频率，c 为光在真空中的传播速度为光在真空中的传播速度则则第十一页，讲稿共二十六页哦SPn n r r 折射率与几何路程的乘积折射率与几何路程的乘积 nr 称为光程称为光程n r+n r 光在介质中所走过的路程折算成光在介质中所走过的路程折算成光在介质中走过路程为光在介质中走过路程为 r，所需要的时间为，所需要的时间为 r/v S 到到P 的光程为的光程为光程光程光波经过两种介质光波经过两种介质在相同的时间内，光在真空中走过的路程为在相同的时间内，光在真空中走过的

8、路程为 在折射率为在折射率为 n 的介质中光传播的速度为的介质中光传播的速度为 v 相同时间内光在真空中的路程相同时间内光在真空中的路程第十二页，讲稿共二十六页哦一个发射光线的光源与几何点一样一个发射光线的光源与几何点一样单心光束单心光束发散光束发散光束点光源物点像点实像14-314-3 光在平面上的反射和折射光在平面上的反射和折射像点虚像这样的光源称为这样的光源称为点光源点光源或或物点物点只有几何位置而没有大小只有几何位置而没有大小第十三页，讲稿共二十六页哦平面是最简单的光学系统平面是最简单的光学系统n1S一、平面反射成像一、平面反射成像n2S点光源物点像点虚像像点实像n1Sn2S虚物点对称

9、平面第十四页，讲稿共二十六页哦当人眼的观察位置移动当人眼的观察位置移动二、平面折射成像二、平面折射成像发散光束发散光束人眼看到的物点人眼看到的物点的近似像点的近似像点焦散曲线近似像点所观察到的虚像点位置也随之移动所观察到的虚像点位置也随之移动 平面折射的情况下不能理想成像平面折射的情况下不能理想成像第十五页，讲稿共二十六页哦近轴条件近轴条件球面球面主光轴球面中心14-414-4 光在球面上的反射和折射光在球面上的反射和折射光在球面上的反射和折射光在球面上的反射和折射顶点一、近轴条件下单球面的反射一、近轴条件下单球面的反射物距像距根据反射定律得根据反射定律得-i=i AC为角平分线为角平分线 反

10、射点或折射点与顶点之间圆弧的圆心角很小反射点或折射点与顶点之间圆弧的圆心角很小物点到主光轴的距离远小于球面的曲率半径物点到主光轴的距离远小于球面的曲率半径符号规定符号规定P162第十六页，讲稿共二十六页哦近轴条件下，角近轴条件下，角-u与与-u都很小，得都很小，得 代入上式得代入上式得 即得球面反射镜在近轴条件下的反射公式即得球面反射镜在近轴条件下的反射公式 物点在无穷远处物点在无穷远处 焦距焦点焦点的共轭点是无穷远点焦点的共轭点是无穷远点 反射公式又可写为反射公式又可写为第十七页，讲稿共二十六页哦焦距焦点对于凸面镜对于凸面镜 f 0，s 0，则，则s恒为正值恒为正值 无论物体放在镜面前何处，

11、得到的都是虚像无论物体放在镜面前何处，得到的都是虚像 虚像点发散光束发散光束 对于凹面镜对于凹面镜 f 0，s 0,有会聚作用有会聚作用对凹球面，对凹球面，f0,有发散作用有发散作用第二十页，讲稿共二十六页哦由两个共轴折射曲面构成的光学系统称为由两个共轴折射曲面构成的光学系统称为透镜透镜14-5 薄透镜薄透镜若透镜的厚度比焦距小很多，则称为若透镜的厚度比焦距小很多，则称为薄透镜薄透镜六种基本透镜类型的六种基本透镜类型的主截面主截面 （通过主光轴的平面）（通过主光轴的平面）第二十一页，讲稿共二十六页哦采用逐次成像法进行推导采用逐次成像法进行推导一、薄透镜成像的基本公式一、薄透镜成像的基本公式物距

12、对O2是虚物点第一球面第一球面O1折射后成像于折射后成像于S 像距对于球面对于球面O2 对O2是物距两式相加得两式相加得 空气中空气中 n1=n2 1 像距第二十二页，讲稿共二十六页哦二、焦点二、焦点 焦距焦距 焦平面焦平面 副光轴副光轴F平行光会聚于焦点平行光会聚于焦点焦点发出的光成平行光焦点发出的光成平行光像方焦距主光轴像方焦点焦平面主光轴同相面AB物方焦点由由 得得f Ff 物方焦距由由 得得第二十三页，讲稿共二十六页哦像方焦距像方焦距f 表征薄透镜的会聚与发散光束的能力表征薄透镜的会聚与发散光束的能力薄透镜成像的薄透镜成像的高斯公式高斯公式 像高与物高之比像高与物高之比b b 称为成像的称为成像的横向放大率横向放大率 空气中的薄透镜空气中的薄透镜 f 0的透镜为的透镜为会聚透镜会聚透镜第二十四页，讲稿共二十六页哦结论：理想的薄透镜不会引起附加相位差结论：理想的薄透镜不会引起附加相位差三、薄透镜的一个性质三、薄透镜的一个性质过镜心与主光轴斜交的直线称为过镜心与主光轴斜交的直线称为副光轴副光轴 过焦点与主光轴垂直的平面称为过焦点与主光轴垂直的平面称为焦平面焦平面 AP平行于副光轴的光汇聚于焦平面平行于副光轴的光汇聚于焦平面焦平面副光轴B垂直于副光轴产生亮点F第二十五页，讲稿共二十六页哦第二部分 光的干涉点击按钮可进入第二部分点击按钮可进入第二部分第二十六页，讲稿共二十六页哦