新概念光学第一章

1、新概念物理教程光 学课程介绍 期末成绩构成 平时（20）+期中考试（20）+期末考试（60） 平时成绩 课堂考勤及表现10+作业10分 作业需在后一周之内上交，过期不予批改。第一章 光和光的传播2 光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律3 光的波动光学传播基础光的波动光学传播基础惠更斯原理惠更斯原理4 费马原理费马原理5 光度学基本概念光度学基本概念1 光和光学光和光学1 光和光的传播光和光的传播一、光的本性一、光的本性(绪论绪论)1、萌芽时期、萌芽时期 (公元前公元前5世纪公元世纪公元15世纪末世纪末) 人眼发出的触须样；物体发出的人眼发出的触须样；物体发出的争论争论2、几何光学时期几何光

2、学时期 (AC16AC18世纪世纪) 微粒说；波动说；微粒说占上风微粒说；波动说；微粒说占上风因为牛顿太伟大了因为牛顿太伟大了 3、波动光学时期波动光学时期 (AC1920世纪初世纪初) 1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为，麦克斯韦方程：电磁波波速为C光也是电磁波光也是电磁波 1888，赫兹实验：，赫兹实验： 弹性媒质以太中的横波弹性媒质以太中的横波 成就成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思 想，对光的本性认识前进了一大步。想，对光的本性认识前进了一大步。 遗留问题遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？：以太的问题；光波到底是什么波？ 第

3、一章 光和光的传播4、量子、量子光学时间（光学时间（19001960）光的粒子性光的粒子性 黑体辐射、光电效应、康普顿效应等黑体辐射、光电效应、康普顿效应等光的波动性光的波动性 大量的干涉、衍射、偏振现象大量的干涉、衍射、偏振现象德布罗意物质波德布罗意物质波 每一物质粒子都与一定波相联系每一物质粒子都与一定波相联系 戴维孙戴维孙革未革未电子衍射实验电子衍射实验 1927年年光的波粒二象性光的波粒二象性 E=h ； P=h/玻恩玻恩 1925年，波粒二象性的几率解释年，波粒二象性的几率解释概率波概率波5、现代、现代光学时期光学时期 (20世纪世纪60年代开始年代开始)关于光的本性关于光的本性至今

4、答案没有令人满意的答案至今答案没有令人满意的答案任何经典的概念都不能完全概括光的本性。任何经典的概念都不能完全概括光的本性。波粒二象性波粒二象性暂时回答光的本性问题。暂时回答光的本性问题。 1、热辐射、热辐射 2、光的非热发射、光的非热发射温度辐射温度辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射，在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射， 如太阳、白炽灯、烧红的铁等。如太阳、白炽灯、烧红的铁等。电致发光电致发光电场补给能量电场补给能量日光灯日光灯荧光荧光电磁波或电子束作用下电磁波或电子束作用下电子显象管电子显象管磷光磷光受电磁波或电子束作用后的持续发光受电磁波或电子束作用后的持续发光夜光表指针夜光表指

5、针化学发光化学发光化学反应，如腐物在空气中氧化化学反应，如腐物在空气中氧化“鬼火鬼火”生物发光生物发光特殊类型的化学反应特殊类型的化学反应萤火虫萤火虫 一些基本概念一些基本概念二、光源与光谱二、光源与光谱光速光速常数常数单色光单色光谱线宽度：谱线宽度： 可见光可见光:波长范围波长范围可见光：可见光：400 760 nm；频率范围：频率范围： 连续光谱连续光谱 线光谱线光谱 c400nm760nm14147.5 10 Hz4.1 10 Hz8299792458m/s3 10 m/sc 复色光复色光谱密度谱密度元素元素谱线波长谱线波长/nm/nm颜色颜色 钠（钠（Na）589.0，589.6黄（黄

6、（D双线）双线）汞（汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最强）（最强）577.0，579.1紫紫蓝蓝绿绿黄黄镉（镉（Cd）634.8红红氪（氪（Kr）605.7橙橙典型谱线典型谱线 00( )IdIid( )dIid 光强度光强度坡印亭矢量：坡印亭矢量：电磁波的平均能流密度、电磁波的平均能流密度、平面电磁波是横波平面电磁波是横波 平面电磁波是横波平面电磁波是横波坡印亭矢量的大小坡印亭矢量的大小 关系式关系式200rrSEHE SEH00rrEH 001rcn 光强度光强度波动观点波动观点 电磁波的平均能流密度电磁波的平均能流密度S20IE2220000001cos ()2TT

7、nEnISSSdttdtETTcc同一种介质，通常只写：同一种介质，通常只写： 在光波频段：2T00rrEH 1r001rcn 2200000rrrnSEHEEEEc 001111 cos2(t)dtsin(2t2 )222TTTT1、几何光学、几何光学 线线 直线传播、反射、折射、成像直线传播、反射、折射、成像 应用光学应用光学2、波动光学、波动光学 波波 干涉、衍射、偏振、光速干涉、衍射、偏振、光速介质波介质波3、量子光学、量子光学 粒子粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应黑体辐射、光电效应、康普顿效应 光子光子 德布罗意波德布罗意波概率波概率波波粒二象性波粒二象性4、现代光学、现代光学

8、光子学光子学 激光、光纤通信、非线性光学激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、超快速光学集成光学、信息光学、超快速光学光子计算机光子计算机 并行、并行、宽带、高速、准确宽带、高速、准确 三、光学的研究对象、分支与应用三、光学的研究对象、分支与应用2 光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律一、几何光学三定律一、几何光学三定律 1、直线传播定律直线传播定律：各向同性均匀介质各向同性均匀介质 物体的影子物体的影子 针孔成像针孔成像 2、反射定律反射定律 与与 n 无关；无色散。无关；无色散。ii 则则 ， 对称：光路可逆对称：光路可逆ii ii 漫反射现象之解释漫反射现象之解释(1) 文

9、字表述（略）文字表述（略）(2) 数学表式数学表式(3) 讨论：讨论： 光的反射与折射光的反射与折射 (3) 讨论讨论)()(sinsin1212fnfinni 光疏媒质与光密媒质之相对性光疏媒质与光密媒质之相对性3、折射定律折射定律vcnnnvviiinin,sinsinsinsin1221212211(2) 数学表式数学表式(1) 文字表述（略）；文字表述（略）； 色散现象色散现象(4) 应用：应用：改变光路方向：改变光路方向：航天器、航天器、精密光学仪器等精密光学仪器等 光的折射光的折射 1、全反射全反射12arcsinnnic 当光从光密介质进入当光从光密介质进入光疏介质，入射角达到某

10、光疏介质，入射角达到某一值（临界角）时，不再一值（临界角）时，不再有折射光而全部被反射有折射光而全部被反射全反射，全反射，其临界角的大其临界角的大小为小为 利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。 光纤通信就是利用全反射原理光纤通信就是利用全反射原理90sinsin21ninc 全反射全反射二、全反射二、全反射 光学纤维（光导纤维）光学纤维（光导纤维） 2、光导纤维光导纤维 光学纤维光学纤维 原理：原理：全反射全反射 结构：结构：纤芯的折射纤芯的折射率大于包层的照射率率大于包层的照射率21nn 光导纤维的原理光导纤维的原理 利用全反射棱镜改变光

11、路利用全反射棱镜改变光路 3、利用全反射改变光路利用全反射改变光路 光在渐变折射率介质中传播光在渐变折射率介质中传播001122coscoscosnnn常量001122sinsinsinninini常量90i 4、光在渐变折射率介质中传播、光在渐变折射率介质中传播海市蜃楼海市蜃楼1、色散色散：折射角随波长而不同折射角随波长而不同 色散光谱色散光谱 2、三棱镜：三棱镜：横截面是三角形棱镜横截面是三角形棱镜3、三棱镜的最小偏向角三棱镜的最小偏向角过程略（见课本过程略（见课本P12-13P12-13） 三棱镜的折射三棱镜的折射 三、棱镜与色散三、棱镜与色散此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底

12、边平行此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行 1122,iiii亦m insin2sin2n当当有有4、棱镜作用棱镜作用(2) 色散色散 重要的分光元件重要的分光元件 两类光谱仪之一，棱镜、光栅两类光谱仪之一，棱镜、光栅(1) 改变光路改变光路 科研、军事、生产、航天等科研、军事、生产、航天等 三棱镜的色散三棱镜的色散 光谱仪原理1. 光纤连接口2. 狭缝3. 滤波片4. 准直镜5. 分光原件（光栅、或棱镜）6. 准直镜7. 聚光透镜8. 探测器9. CCD、光电探测器等四、四、光路的可逆性原理光路的可逆性原理 光路的可逆性原理光路的可逆性原理 3 惠更斯原理惠更斯原理一、波的几何

13、描述一、波的几何描述1、光线光线 ：光能量的传播方向的光能量的传播方向的几何线几何线 理想模型：理想模型：不是细光束不是细光束2、波面：光波相位相等各点构成的面、波面：光波相位相等各点构成的面波前：最前面的那个波面波前：最前面的那个波面 均匀各向同性介质：均匀各向同性介质：直线直线非均匀介质：非均匀介质：曲线曲线3、单心（同心）光束单心（同心）光束 物点为顶点的发散光物点为顶点的发散光 束，其波面为球面束，其波面为球面 物点为顶点的发散光束物点为顶点的发散光束 二、惠更斯原理的表述二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原三、惠更斯原理对理对反射定律反射定律和和折射定律折射定律的的解释（略去解释（略去P

14、16-17）惠更斯原理惠更斯原理 次波次波OR 子波子波 惠更斯理论解释反射、折射 用惠更斯原理解释光直进性用惠更斯原理解释光直进性 四、四、直线传播直线传播问题问题大孔径障碍物大孔径障碍物光的传播方向光的传播方向l 本质： 次波源激发的波之间的干涉。l 近似性： CD之外仍有波动，即衍射。用惠更斯原理可以定性解释光的衍射用惠更斯原理可以定性解释光的衍射 五、光的衍射问题五、光的衍射问题衍射问题衍射问题衍射问题衍射问题小孔径障碍物小孔径障碍物光的传播方向光的传播方向水波的衍射水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显开孔越小，衍射现象越明显 第1次作业 P32-P34：1-13；1-19；4 费马原理

15、费马原理一、光程一、光程 定义：定义： 光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积ccLnLLcctLvv()QPLQ Pn d liiiQ Pnl光程光程 1、文字表述文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。光沿着所需时间为极值的方向传播。 或：或： 光沿着光程为极值的方向传播。光沿着光程为极值的方向传播。2、数学表述数学表述： 0QPdsv实际路径上，时间变分为零实际路径上，时间变分为零 极极值值极大极大极小极小恒定恒定或或0QPnds实际路径上，光程变分为零实际路径上，光程变分为零 费马原理费马原理 二、费马原理的表述二、费马原理的表述1、

16、反射定律反射定律由费马原理推导反射定律由费马原理推导反射定律 三、由费马原理推导三、由费马原理推导 几何光学三定律几何光学三定律假设在入射面内有两条假设在入射面内有两条光线：光线：QMP 和和QMP显然，显然，QMPQMP，故光程，故光程 QMPQMP 即即QMP最短！最短！由于镜像对称，有光程由于镜像对称，有光程 QMP QMP（1）定性证明定性证明 反射定律反射定律2、折射定律折射定律由费马原理推导折射定律由费马原理推导折射定律 两条物像光线两条物像光线 QMP ；QMP显然，显然，光程光程 QM QM PMS B. SS C. S=S D. SSD3. 在真空中波长为的单色光，在折射率为

17、n的透明介质中，从A沿某路径传播到B，若A、B两点相位差为3，此路径AB的光程为：【 】A.1.5 B. 1.5 /n C. 1.5n D. 3 A4. 试列举出几个光直线传播的例子影子小孔成像日蚀、月食夜晚射向天空的光束激光笔指示千手观音5. 晴朗的夜晚，我们看到的星星与其实际位置相比：【 】A.偏低 B.相同 C.偏高 D.不确定C12111arcsinsiniiiinn蒙气差蒙气差 12121cos1011sininin 蒙气差12111arcsinsiniiiinn=1.0003蒙气差6. 课本P31思考题1-8。v1BA水v20 xi1i2y1y2l解：任选岸边一点X求出所需总时间t22221212lxyxytvv求t最小时，x的值，t对x求导：222222110lxxtvxyvlxyv1BA水v20 xi1i2y1y2l2