第三章--几何光学的基本原理1

1、第三章几何光学的基本原理1证明反射定律符合费马原理。证明：设平面I为两种介质的分界 面，光线从A点射向界面经反射B点， 在分界面上的入射点为任意的 C点；折 射率分别为：ni、压。(1) 过A B两点做界面的垂直平面U,两平面相交为直线 X轴，过 C点做X轴的垂线，交X轴于C/点，连接ACC、BCC得到两个直角三 角形，其中：AC BC为直角三角形的斜边，因三角形的斜边大于直角边， 根据费马原理，光线由A点经C点传播到B点时，光程应取最小值，所以 在分界面上的入射点必为Cz点，即证明了入射光线A U和反射光线B Cz共面，并与分界面垂直(2) 设A点的坐标为(xi, yi)，B点坐标为(X2,

2、 y2), C点坐标为(x， 0)，入射角为B，反射角为B、，则光线由A传播到B的光程:ni(J(x Xi )2 yi2x)2 y；)若使光程取极值，则上式的一阶导数为零，即：dx xix2 x小i丿0dx v(x Xi)2 y； J(X2 x)2 y；从图中得到： sinxixJ(x xj2sinyix2x、；(X2x)2 y也即：sin 9 =sin 9Z，说明入射角等于反射角，命题得证 2根据费马原理可以导出在近轴条件下，从物点这出并会聚到象点所有光线的光程都相等。由此导出薄透镜的物象公式。解:3眼睛E和物体PQ之间有一块折射率为1.5的玻璃平板，平板的厚度di=Li QnW Ei11=

3、1为30cm，求PQ的象p/ Q/与物体之间的距离d2解：方法一P/ Q是经过两个平面折射所形成的象(1) PQ经玻璃板前表面折射成象：设PQ到前表面的距离为si, n=1、nz =1.5由平面折射成象的公式：si得到：Si -S!n2(2) PQ经玻璃板前表面折射成象：从图中得到：S2=s+d、n=1.5、nz =1根据：s2s2n解出最后形成的象P/ Q到玻璃板后表面的距离：s2s1 d3 物PQ到后表面的距离：s=S1+d2物 PQ与象 p/ Q 之间的距离 d2： d2 = S2/ -s = (1 - ) d=10cm3 方法二：参考书中例题的步骤，应用折射定律解之。方法三：直接应用书

4、中例题的结论：d2=d (1-1/n )即得。4玻璃棱镜的折射角A为600,对某一波长的光其折射率为1.6，计算(1)最小偏向角；此时的入射角；能使光线从A角两侧透过棱镜的最小 入射角。解：(1)根据公式:sin-代入数据：A=6C, n=1.6解出最小偏向角：B 0= 4616z(2) 因： 2ii A 则入射角：ii ( A)/23535(3) 若能使光线从A角两侧透过棱镜，则出射角i/ =90 有：n sini J = 1 sin9 = 1 解出：i27 =38.68 从图中得到：i2 + i 2Z = A 得到：i2 =21.32又有：sini 1 = nsini 2解出最小入射角：i

5、 1 =3534z 5题图表示恒偏向棱镜，挑相当于两个30-60-90棱镜与一个45-45-90棱镜按图示方式组合在一起。白光沿i方向入射，我们旋转 这个棱镜来改变B 1，从而使任意波长的光可以依次循着图中的路径传播， 出射光线为r，求证：如果sin 61= n/2，则92= B ,且光束i与r相互垂直。解：当光线以B 1角在A点入射时，设折射 角为a，根据折射定律有： sin 9 1 = nsin a因：sin 9 1 = n/2计算得到：a = 30在C点的入射角为B,从图中可看出：B = 30有: sin 9 2 = nsin B 得至U： sin 9 2 = n/2因：sin 9 1

6、= sin 9 2 = n/2 所以：9 1 = 9 2 在三角形 ADE中，/ ADE=18- 9 1 - (90 - 9 2) = 90 说明光束i与r相互垂直。6高为5cm物体放在距凹面镜顶点12cm，凹面镜的焦距是10cm，求象的位置及高度，并作光路图解：已知：s=-12cmf / =-10cm根据：11ssf解出：s/ = -60cm因：y解得：y - -25cmy s7 一个5cm高的物体放在球面镜前10cm处成1cm高的虚象，求：（1）此镜的曲率半径；（2）此镜是凸面镜还是凹面镜?解：已知：y=5cms=-10cm、y/ =1cm因形成的是虚象，物和象在镜面的两侧，物距和象距异口

7、， 号。根据：ys1ys511ss(10 cm )55代入：112_解出：r=5cmssr因 r=5cm 0 ，所以是凸面镜。2 cm8某观察者通过一块薄玻璃板去看在凸面镜他自己的象，他移动着玻璃板，使得在玻璃板中与在凸面镜中所看到的他眼睛的象重合在一起。若凸 面镜的焦距为10cm，眼睛距凸面镜顶点的距离为40cm，问玻璃板距观察者眼睛的距离是多少？解:已知：凸面镜成象时的物距:s=-40cm、焦距：f / =10cmf - _I l由：1s11sf解出凸面镜成象的象距：s / =8cm此象到眼睛的距离：b=40+8=48cm又因薄玻璃板所成的象是虚象，与物对称，若使玻璃板中的象与凸面 镜中所

8、成的象重合在一起，则玻璃板应放在 P与P/的中间，即玻璃板到眼睛的距离：d=b/2=24cm在焦点与凹面镜之间放一个与轴线垂9物体位于凹面镜轴线上焦点之外， 直的两表面互相平行的玻璃板，其厚 度为d，折射率为n ,试证明：放入 该玻璃板后使象移动的距离与把凹面镜向物体移动d (n-1 ) /n的一段 距离的效果相同。解：设物体到凹面镜的距离s，当把玻璃板放入后，物体首先经过玻璃板 折射成象P1,再经过凹面镜反射成象P2, P1即为凹面镜的物，P1相对P 点移动的距离经前面的证明知道为 d (n-1) /n，也即放入该玻璃板后使象 移动的距离与把凹面镜向物体移动 d (n-1 ) /n的一段距离

9、的效果相同。10欲使由无穷远发出的近轴光线通过透明球体并成象在右半球面的顶点处，问该透明球体的折射率应为多少？解：此问题是单球面的折射成象，根据题意有物距：s=- %、物空间：n=1设象空间球体折射率为n，球面半径为R由：L L n1 得到：n 2(n1)s sr从而解出透明球体的折射率：n 2 11有一折射率为1.5、半径为4cm的玻璃球，物体在距球表面6cm处, 求：(1 )从物体所成的象到球心之间的距离；(2)求象的横向放大率。解：物体经玻璃球的左、右球面两次成象。左球面成象：n 1=1、 n/ =1.5、 r 1=-4cm、S1=-6cm 由：n1 n1s 1s 1r 1解得左球面成象

10、的象距：s/ =-36cm,象在P点。横向放大率:s1 n11S1 n1右半球面成象：n2=1.5、再由：U 空S2 S2解出第二次成的象n 2/ =1、r 2= 4cm、S2=-44cmn 2 n 22p/至U Q点的距离：S2Z =11cm横向放大率:S22S2n23n281 21-5最后所成的象到球心之间的距离：d= s 2Z + r = (11+4) cm = 15cm象的横向放大率:12射率为1.53、直径为20cm的玻璃球内有两个小气泡，看上去一个恰好 在球心，另一个从最近的方向看去，好象在表面与球心连线的中点。求两个气泡的实际位置。解：(1)看去恰好在球心的气泡=1、 r 1=-

11、10cm、s/ =-10cm nt ntAS1 =-10cm,说明气泡在球心处n 1=1.53、n/ 由：且 且s 1 s 1解得象对应的物距：(2)好象在表面与球心连线中点的气泡n2=1.53、n2/ =1、 r 2=-10cm、S2=-5cm再由.n2 n2 n2 n2s 2 s 2r 2解得象距：S2 =- 6.047cm13直径为1m的球形玻璃鱼缸的中心处有一条小鱼,若玻璃缸壁的影响气泡到球心的距离:d =10 cm - 6.047cm = 3.953 cm解：n =1.33、 由：乞s s解得象对应的物距：横向放大率:可忽略不计，求缸外观察者所看到的小鱼的表观位置和横向放大率。n /

12、 =1,设球面曲率半径为r,象距:s / =r n nrs = r，说明鱼在缸的中心处。乞丄1.33s n是一个正立放大的虚象.14玻璃棒一端成半球形，曲率半径为2cm，将它水平地浸入折射率为1.33的水中，沿着棒的轴线离球面顶点 8cm处的水中有一物体，应用计 算法和作图法求象的位置及横向放大率。根据：nnnnssr解出：s / =18.5cm或由：,nfrnnfnrnn计算得到物方、象方焦距：f 17.6cm f 15.6cm由：f f 1解得象距：s / =18.5cms s横向放大率： 2s n15有两块玻璃薄透镜的两表面均各为凸球面及凹球面，其曲率半径为10cm。一物点在主轴上距镜2

13、0cm处，若物和镜均浸入水中，分别用作图法和计算法求象点的位置。设玻璃的折射率为1.5，水的折射率为1.33解：因透镜放在同一种介质中，所以物方和象方焦距的绝对值相等。已知：n2=1.33 n 1 =1.5得到：f39cm(1)凸透镜：两表面曲率半径:r1=10cm r2=-10cm、物距：s=-20cm1 1(n2 n1)( )r1 D由：丄1 丄解得象距为：s =-41cms s f(2)凹透镜：两表面曲率半径：r1=-10cm r2=10cm物距：s=-20cm得到：f f n1 39cm1 1(n2 n 1)( )r1 r2由：丄1 丄解得象距为：s =-13.2cm16 一凸透镜在空

14、气中的焦距为 40cm，在水中的焦距为136.8cm，问此透镜的折射率是多少？设水的折射率为1.33。若将此透镜放置在 CS2中（CS2的折射率为1.62），其焦距又为多少?=1的空气中时:f1140 cm1)(丄(n丄）12解：根据薄透镜焦距的计算公式，设透镜的折射率为21.331 1-(n 1.33)()12在n，=1.33的水中：fn，在折射率nz136.8cm两式相比：上 n 1.3340_f21.33 （n 1）136.8解出透镜的折射率为:n=1.54若把透镜放在n，=1.62的CS中:fa1 .6211-(n 1.62)(-)1D与空气的焦距相比:1.62 (1.541)40(1

15、 .54_1.62)T解出在CS中，其焦距为：f3437.4cm17两片极薄的表玻璃，曲率半径分别为20cm和25cm，将两玻璃片的边缘粘起来，形成一内含空气的双凸透镜，把它置于水中，求其焦距为多少？解：根据题意，透镜的折射率：n=1，两表面的曲率半径：r i=20cmr2=-25cm,水的折射率为：nz =1.33，代入：f （n n ）（）ria解出透镜的焦距为：f 44.78cm，为一发散透镜。18会聚透镜和发散透镜的焦距都是 10cm，求：（1 ）与主轴成30角的 一束平行光入射到每个透镜上，象点在何处？（ 2）在每个透镜左方的焦 平面上离主轴1cm处各置一发光点，成象在何处？解：（1

16、）根据题意做图如下。图（1）是凸透镜成象图，P，是象点，在象方焦平面上，到焦点的距离为：PT ftg 30 5.8cm P / 点的坐标：（10，5.8 ）图（2）是凹透镜成象图，象点P/仍在象方焦平面上，但在透镜左方， 到焦亠八、点的距离为：PF ftg 305.8cm P /点的坐标：（-10，-5.8 ）（2）在凸透镜物方焦平面上放一物，象成于无穷远处。111把物放在凹透镜的象方焦平面上，已知：s=-10cm，由：一- 一s s f解得象距为：s / =-5cm，由:s，解出：y/ =0.5cm s象P/点的坐标：（-5 , 0.5 ）图（3）图（4）19如图（1 ）、（2）所示，MM

17、/分别为一薄透镜的主光轴，S为发光点,镜拉开的距离t=1mm，光屏与透镜20比累对切透镜是把一块凸透镜沿直径方向刨开成两半组成，两半块透 镜垂直光轴拉开一点距离，用光阑挡住其间的空隙，这时在光屏上可观察 到干涉条纹。已知点光源与透镜相距300cm ，透镜的焦距f=50cm ，两透相距450cm，用波长为632.8nm的激光做光源，求干涉条纹的间距解：点光源经两块透镜形成两个实象 P1、P2,由物象公式：丄 11s s f求得P1、P2到透镜的距离：sf ( 300) 50s60cms f 300 50点光源到上半透镜主轴的距离 y： y o.5cm，P1点到主轴的距离y，贝U:y 解得：y 0

18、.06cmy s也即P1、P2两点之间的距离：d 2y 0.12cm，与光屏的距离：L l s 450cm 60cm 390cm干涉条纹的间距：y 2.06mmd21把焦距为10cm的会聚透镜的中央部分C切去，C的宽度为聲1cm，把 余下的两部分粘起来，(见图)。如在其对称轴上距透镜 5cm处置一点光 源，试求象的位置。解：把透镜按题意分切、对接后，在对物体成象时，可看做是两个透镜，上、下两半部分透镜的成象情况是对称的，上半部分透镜的成象光路如图所示，虚线为透镜主轴，点光源到主轴的距离为y 0.5cm1 1 1根据：已知：s 5cm、f 10cmy 2 解得：y 1cmy s解出象距：s 10

19、cm横向放大率:22 一折射率为1.5的薄透镜，其凸面的曲率半径为5cm，凹面的曲率半 径为15cm，且镀上银，如图，试证明：当光从凸表面入射时，该透镜的 作用相当于一个平面镜。解：该系统的成象过程 是球面01的折射、02球面 的反射和01球面的折射三 次成象。设物体与01面的距离为S。01面的折射成象：物距为s、 n 1、 n 1.5、 r 5cm根据：-s解得:23题图所示的是一个等边直角棱镜和两个透镜所组成的光学系统，棱镜折射率为1.5，凸透镜的焦距为20cm，凹透镜的焦距为10cm，两透镜 间的距离为5cm，凸透镜距棱镜边的距离为10cm，求图中长度为1cm 的物体所成象的位置和大小。24显微镜由焦距为1cm的物镜和焦距为3cm的目镜组成，物镜与目镜 之间的距离为20cm，问物体放在何处时才能使最后的象成在距离眼睛 25cm处？作出光路图。25题图中L为薄透镜，水平横线MM /为主轴，ABC为已知的一条穿过 这个透镜的光线的路径，用作图法求出另一条光线DE穿过透镜后的路径。解：1过O点做AB的平行线（副轴）， 交BC线于L点