大学物理复习几何光学PPT课件.ppt

1,大学物理,2,教学内容,光学（几何光学，波动光学）,成绩比例：期中30%，期末50%，平时10%，作业10%，附加题5%,相对论,热学（热力学，统计物理学）,量子力学,3,引言：光学的起源和光的本质,我国早在春秋时代墨经中记载了许多光学现象，如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长期在世界居于领先地位。,近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历了几个时代：,古希腊（欧几里德），把光看作触须投射,十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立,以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解释干涉、衍射、偏振,光学,4,惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。,托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）透过实验和进一步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干涉、衍射。,波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了“以太”，但找不到。,十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，认为光是电磁波。,科学家们认为光的本质研究已完成-光是一种电磁波,5,随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。,目前关于光的本质（光是什么）只能讲：光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。,6,少女？,老妇？,光在某些条件下表现出粒子性，在另一些条件下表现出波动性。,例如：,两种图象寓于同一幅画中,7,光学分类,以直线传播为基础折射、反射定律,物理光学,波动光学：,以麦克斯韦电磁理论为基础，光的干涉、衍射、偏振,量子光学：,以量子力学为基础，光与物质作用,现代光学,非线性光学,激光光谱学,信息光学,全息术,光纤通讯,集成光学,统计光学.,几何光学,8,第16章几何光学,几何光学（GeometricalOptics）：又称射线光学，描述光的直线传播规律。,采用几何方法研究光在介质中的传播及其应用。,9,16.1几何光学的基本规律,2009.7.22四川省遂宁市大英县观察到的日全食,光在均匀的介质中沿直线传播。,一、光的直线传播定律,10,二、光的独立传播定律,来自不同方向的光线在介质中相遇后，各自保持原来的传播方向不变，继续向前传播。,11,入射光线、反射面的法线以及反射光线三者处在同一平面内，并且入射角和反射角相等。,三、反射定律：,光线可逆原理：光线方向逆转时，它将逆向沿同一路径传播。,12,四、折射定律（SnellsLaw）,折射光线总是位于入射面内，并且入射光线和折射光线分居在分界面的法线的两侧，且入射角和折射角间满足如下关系：,五、全反射,13,13,光导纤维的光路,内窥镜,全反射的应用,高琨,2009诺贝尔奖,14,一、费马原理（FermatPrinciple）,两种表述：,（1）光线在两点间的实际路径是使所需的传播时间为极值的路径。,（2）两点间光线的实际路径，是光程取极值的路径。,16.2共轴理想光学系统的成像,15,光从S到P所用时间,对连续介质,16,极值的三种基本含义：,极小值直线传播、反射、折射极大值凹球面反射镜恒定值成像系统的物像关系,费马原理推论：物象等光程，即由物点发出的所有光线通过光具组后均应以相等的光程到达像点。,例1证明反射定律,二、费马原理的应用,17,例2证明折射定律,根据费马原理,18,发散同心光束,会聚同心光束,二、共轴理想光学系统成像的基本概念,同心光束：一束光线本身或其延长线相交于一点，称其为。分为“会聚光束”和“发散光束”两类。,共轴理想光学系统：由球心在同一直线上的若干个折射球面和反射球面组成的、能保持光束同心性的光学系统。这一直线称为光轴。,成像：入射同心光束通过共轴理想系统后变成出射同心光束的过程。,物点：入射到共轴理想系统的同心光束的中心。用P表示。,像点：从共轴理想系统出射的同心光束的中心。用Q表示。,19,物点和像点都有虚实之分,实物成虚像,虚物成实像,虚物成虚像,在理想光学系统中，从物点到像点之间的各条光线的光程都相等。,实物成实像,20,三、球面反射和折射成像,折射球面：,顶点：球面的对称中心点O。,副光轴：通过曲率中心的任何直线（主光轴除外）。,主光轴：球面顶点O和曲率中心C的连线。,主截面：包含主光轴的截面。,n：物方介质的折射率n：像方介质的折射率C：球心(曲率中心)P：物点Q：像点,物距：物点P到球面顶点O的距离PO。用p表示。,像距：像点Q到球面顶点O的距离QO。用q表示。,傍轴光线：当物面镜的孔径很小，入射光线和主轴很接近时，称为,21,（1）物点在镜前，物距p0；物点在镜后，物距p0；像点在镜前，像距q0。,（3）凹面镜的曲率半径r为正，凸面镜的曲率半径r为负。,沿光线前进方向,凹球面镜傍轴反射成像,凸球面镜傍轴反射成像,22,1.推导傍轴光线下球面反射成像公式,凹球面镜傍轴折射成像,23,傍轴近似条件下,凸球面镜傍轴折射成像,2.运用同样的方法可以得到傍轴光线下球面折射成像公式,平行光线入射，,焦距：,则,24,四、薄透镜傍轴成像,两次单球面镜折射成像,薄透镜,25,利用前面薄透镜成像公式：,可得,当时，,26,作图法：,(1)若物像方介质的折射率相等，则通过透镜光心的光线折射后，出射光线的传播方向保持不变。这些穿过光心且与主光轴相交的光线称为副光轴。,(3)通过物方焦点F的入射光线折射后，出射光线平行光轴传播。,(4)与副光轴平行的光线（即与主光轴有一定夹角的平行光线），经透镜折射后交于