21-第十四章-几何光学

第十四章-几何光学第四篇 光学第十四章 几何光学【知识要点】（一）光的直线传播（二）光的反射定律 平面镜成像（三）光的折射定律 光速与折射率得关系（四）全反射现象 临界角（一）光的直线传播大量光学现象表明光在同一种透明介质（“媒质”）中沿直线传播，因为光沿直线传播。所以常用一条直线代表一束光，这样的直线叫做光线。如果一个发光体，离我们的距离很远，以致它的线度可以忽略，在这种情形下可把它看成为一个点，这就是点光源，点光源发出的光线是以点光源为中心、向四周辐射的射线，如图14-1所示，因此，只要知道点光源发出的任何两条光线，把这两条光线反方向延长到它们的交点，这个交点就是点光源的位置。实验测出，光在真空中的传播速度是c=3x108m/s。 （二）光的反射定律平面镜成像（1）光的反射定律当光从介质1射向介质2时，在两种介质的界面上通常会分成两束，其中一束返回原来的介质1，这束光叫做反射光；另一束穿过界面进入介质2，这束光叫做折射光。实验表明，光的反射满足反射定律：反射光线在入射光线和法线所决定的平面（入射面）内；反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角。（2）物体的像点光源S射出的光线是发散的，如果这些光线经过光学仪器的反射或折射后会聚于一点S，则S叫做S的实像；如果S射出的光线经过光学仪器的反射或折射后仍发散，但它们反方向的延长线交于一点S，则S叫做S的虚像。一个物体可以看成是由许多发光点构成的，各个发光点的像点集合起来就形成了该物体的像。（3）平面镜成像如图14-3所示，在平面镜M前有一个发光点S（物点），从S发出的光线经平面镜反射后发散，它们反方向的延长线交于S，因此S是S的虚像。平面镜的像是正立的虚像，像与物的大小相等，分别位于镜面的两侧，它们到镜面的距离相等，因此，平面镜成像的特点是，像与物对于镜面是对称的。（三）光的折射定律 光速与折射率的关系（1）光的折射定律实验表明，光的折射满足折射定律（见图 ）：折射光线在入射光线和法线所决定的平面内；折射光线和入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦的比值是由这两种介质所决定的常数，与入射角无关。显然，当入射光线沿垂直于界面的方向入射时，折射光线的方向不变。（2）介质的折射率当光从真空射向某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦的比值叫做这种介质的绝对折射率，用n表示，在这种情形下，上式可以表示为：介质的折射率n1，真空的折射率n=1，空气的折射率近似为1。介质的折射率是描述介质性质的一个重要物理量。两种介质比较起来，通常把折射率较小的介质叫做光疏介质，把折射率较大的介质称为光密介质。显然，光疏或光密只具有相对的意义。（3）折射率与光速得关系实验表明，光在不同得介质中传播的速度不同，折射率与光速的关系：n=c/v。因此，介质中的光速是：v=c/n。可见，真空中的光速最大，v=c；在介质中的光速比真空中的小，折射率越大，光速越小。（四）全反射现象 临界角当光从光密介质射向光疏介质时，可能出现一种特殊的现象-全反射现象。当光线从介质射向真空时，折射角将大于入射角，普遍地说，当光从光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角。当入射角增大到某一角度时，折射角将等于90；入射角再增大就不再有折射光了，在这种情形下入射光线全部从介质的界面上反射回来。这种现象就是全反射现象。通常所说的介质的临界角是指光从该介质射向真空（或空气）时能够发生全反射的入射角的最小值，临界角常用c表示。显然，当入射角为临界角c时，折射角为900，根据折射定律有：可见，临界角由介质的折射率决定。典型例题：【例1-单选题】如图所示，一束延长线能聚成一点的光线束射向平面镜M，经M反射后（ ）。A.不能成像B.在镜前成一实像C.在镜前成一虚像D.在镜后成一虚像网校答案：B【例2-单选题】光以45的入射角从空气射入冰中，在冰中的折射角是30，冰的临界角是（ ）。A.15B.30C.45D.75网校答案：C【例3-单选题】已知水的折射率为4/3，一条光线从水中射向空气，入射角i=arcsin1/1.2，图中4个光路图中正确的是（ ）。A.（a）B.（b）C.（c）D.（d）网校答案：C【例4-填空题】光线以45的入射角从空气射入水中，则折射光线与入射光线的夹角为（ ），反射线与折射光线的夹角是（ ）。（水的折射率n=1.33）网校答案：12.9，102.9【例5-填空题】已知水的折射率为1.33，玻璃的折射率为1.5。光在水中传播的速度为（ ）m/s；玻璃中传播的速度为（ ）m/s，水与玻璃相比较，光密介质是（ ）光疏介质是（ ）。网校答案：2.26*108，2*108，玻璃，水【例6-填空题】光从水中射向空气时的临界角等于（ ），光从玻璃射向空气的临界角等于（ ）。网校答案：arcsin1/n水，arcsin1/n玻【例7-填空题】已知某种介质的折射角为，光在这种介质中的传播速度是（ ）。网校答案：Csin【例8】如图所示，两块平面镜相互垂直，在与这两个镜面垂直的平面（即纸面）上有一条入射光线AB射向一个镜面，用作图法求经过两块镜面反射后光线的方向。网校答案：如下页图所示，设AB的入射角为，根据反射定律， 反射光线BC的反射角等于，所以1=2同理得3=4因为两镜面的夹角为90，故有2+3= 90于是得1+2+3+4= 180即ABC+BCD= 180上式表明CD与AB平行。因此作图的步骤如下：过B点作光线BC，使2=1；过C点作光线CD，使DC/AB，CD即为所求光线。解题思路总结：1.本章的主要内容基本概念：光的直线传播，光速，折射率，全反射，临界角，平面镜成像。基本规律：平面镜成像的规律，反射定律，折射定律。2.光线在同一种介质中沿直线传播，光线在两种介质的分界面上产生反射和折射现象反射现象遵循反射定律，折射现象遵循折射定律。3.介质的性质用折射率n表征。光在介质中的传播速度决定于介质的折射率，临界角和折射角都与介质的折射率有关。两种介质相比较时，n较大的介质为光密介质，n较小的介质为光疏介质。4.产生全反射现象有两个条件：（1）光必须从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。5.平面镜、凹透镜和凸透镜都可以成像。平