大学物理第十一章光学第14节 几何光学

1、第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版一一 几何光学基本定律几何光学基本定律1.反射和折射定律反射和折射定律反射定律反射定律11ii 折射定律折射定律121221sinsininnin n12 相对折射率相对折射率n1（n2）绝对折射率）绝对折射率(相对于真空相对于真空)P152表表11-2法线法线分界面分界面入射光入射光1i1i2iL折射光折射光反射光反射光11-14 11-14 几何光学几何光学 当衍射现象不明显时，光的传播可视为沿着直线传当衍射现象不明显时，光的传播可视为沿着直线传播，此时所研究的光学问题就称为几何光学。播，此时所研究的光学

2、问题就称为几何光学。1122sinsinnini 也可写作也可写作第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版临界角临界角 12arcsinnnic 2)入射角入射角 i1 ic2.全反射全反射 1)光密介质光密介质(n1) 光疏介质光疏介质(n2)1)全反射条件全反射条件11-14 11-14 几何光学几何光学 当光从光密介质入射到光疏介质的界面上，入射角当光从光密介质入射到光疏介质的界面上，入射角达到或超过临界角时，没有折射光产生而所有光全部达到或超过临界角时，没有折射光产生而所有光全部被反射回原来介质的现象称为被反射回原来介质的现象称为全反射全反

3、射。2)全反射的应用全反射的应用内窥镜内窥镜双筒望远镜双筒望远镜第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版二、光在平面上的反射、折射成像二、光在平面上的反射、折射成像1.平面的反射成像平面的反射成像（11-14 11-14 几何光学几何光学（平面的反射所成的像是平面的反射所成的像是完善完善的的虚像虚像入射光线入射光线和和反射光线反射光线都是都是发散发散的的光线并没有光线并没有真实聚集真实聚集在虚像位置在虚像位置第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版2.平面的折射成像平面的折射成像sinsinnii co

4、tyxi cotyxi 11-14 11-14 几何光学几何光学QxiiyQyOMininiiiiyycossin1cossincossin22 光线并没有光线并没有真实聚集真实聚集在虚像位置在虚像位置平面折射所成的像是平面折射所成的像是不完善不完善的的虚像虚像不同入射光线折射光线的反向延长线不相交于同一点不同入射光线折射光线的反向延长线不相交于同一点第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版 靠近凹面镜对称轴靠近凹面镜对称轴(主光轴主光轴)附近的附近的近轴光线经凹面镜反射后会聚于一点，近轴光线经凹面镜反射后会聚于一点，该点是凹面镜的该点是凹面镜的焦

5、点焦点，用，用F表示。表示。三、光在球面上的反射、折射成像三、光在球面上的反射、折射成像1.球面镜的反射成像球面镜的反射成像1)凹面镜的反射成像凹面镜的反射成像12345fcF11-14 11-14 几何光学几何光学凹面镜的焦距为：凹面镜的焦距为： ，r是凹球面的曲率半径是凹球面的曲率半径 2rf 凹面镜反射的三条特殊光线：凹面镜反射的三条特殊光线：经过焦点的光线反射后为平行于主光轴的光线经过焦点的光线反射后为平行于主光轴的光线平行于主光轴的光线反射后为经过焦点的光线平行于主光轴的光线反射后为经过焦点的光线经过凹面镜球心的光线原路返回经过凹面镜球心的光线原路返回第十一章第十一章 光学光学11-

6、7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版111ppf 凹面镜成像公式凹面镜成像公式p为物距，为物距，p为像距为像距h0fd0dihic1221F0,0,0pfp 11-14 11-14 几何光学几何光学a)物在焦点到物在焦点到O点之间，所成的像为正立虚像。点之间，所成的像为正立虚像。设设O点为主光轴和镜面的交点点为主光轴和镜面的交点b)物在焦点之外，所成的像为倒立实像。物在焦点之外，所成的像为倒立实像。0,0,0pfpfcd0h0dihi1122F第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版h01212hifd0di11-14 11-14

7、 几何光学几何光学2)凸面镜的反射成像凸面镜的反射成像f123F虚焦点虚焦点凸面镜总是在镜后生成正立缩小的虚像。凸面镜总是在镜后生成正立缩小的虚像。111ppf 满足成像公式满足成像公式2rf 凸面镜反射的三条特殊光线：凸面镜反射的三条特殊光线：指向焦点的光线反射后为平行于主光轴的光线指向焦点的光线反射后为平行于主光轴的光线平行于主光轴的光线反射后为指向焦点的光线平行于主光轴的光线反射后为指向焦点的光线指向凸面镜球心的光线原路返回指向凸面镜球心的光线原路返回第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版2.球面上的折射成像球面上的折射成像1)成像公式成像

8、公式nnnnppr 像方焦距像方焦距,n rfnn 物方焦距物方焦距(ii)MQQOnnrCd0dinrfnn -11-14 11-14 几何光学几何光学1ffpp QQCh0hinnpp2)横向放大率横向放大率0ihVh 定义定义:npVn p V0, ,像正立；像正立；V0, ,像倒立像倒立，缩缩小小放放大大；1, 1 VV第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版3)近轴光线的作图法近轴光线的作图法FF11-14 11-14 几何光学几何光学球面折射的三条特殊光线：球面折射的三条特殊光线：经过焦点的光线折射后为平行于主光轴的光线经过焦点的光线折

9、射后为平行于主光轴的光线平行于主光轴的光线折射后为经过焦点的光线平行于主光轴的光线折射后为经过焦点的光线指向球心的光线原路返回指向球心的光线原路返回第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版四、薄透镜四、薄透镜1.薄透镜成像公式薄透镜成像公式1ffpp 像方焦距像方焦距(ii)MQQ1On0pniQ2dp2 p1 nL11-14 11-14 几何光学几何光学物方焦距物方焦距当当nino 112111(1)Lffnrr 磨镜者公式磨镜者公式fpp 1112100rnnrnnnfLiL 210rnnrnnnfLiLi 第十一章第十一章 光学光学11-7

10、11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版各种形状的透镜各种形状的透镜凹凸透镜凹凸透镜平凸透镜平凸透镜双凸透镜双凸透镜平凸透镜平凸透镜凹凸透镜凹凸透镜12120,0rrrr 120rr 120,0rr 凸透镜凸透镜 （会聚）（会聚）12120,0rrrr 210rr11-14 11-14 几何光学几何光学凸透镜中央厚，边缘薄；像方焦距为正；凸透镜中央厚，边缘薄；像方焦距为正；像方焦点在折射区，物方焦点在入射区。像方焦点在折射区，物方焦点在入射区。第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版凹凸透镜凹凸透镜平凹透镜平凹透镜双凹透镜双凹透镜平凹透镜

11、平凹透镜凹凸透镜凹凸透镜210rr 120,0rr 210rr 凹透镜凹透镜 （发散）（发散）212100,rrrr 212100,rrrr 11-14 11-14 几何光学几何光学凹透镜中央薄，边缘薄厚；像方焦距为负；凹透镜中央薄，边缘薄厚；像方焦距为负；像方焦点在入射区，物方焦点在折射区。像方焦点在入射区，物方焦点在折射区。第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版凹透镜成像图凹透镜成像图F 1221hipI 11-14 11-14 几何光学几何光学凹透镜成像的三条特殊光线：凹透镜成像的三条特殊光线：经过物方焦点的光线折射后平行于主光轴前进经过物

12、方焦点的光线折射后平行于主光轴前进平行于主光轴的光线折射后为指向像方焦点的光线平行于主光轴的光线折射后为指向像方焦点的光线经过光心的光线不改变方向经过光心的光线不改变方向实物经薄凹透镜成的像总是正立，缩小的虚像，且与实物经薄凹透镜成的像总是正立，缩小的虚像，且与实物在凹透镜同侧；虚物经薄凹透镜成的像总是倒立，实物在凹透镜同侧；虚物经薄凹透镜成的像总是倒立，放大的实像，与虚物在凹透镜同侧。放大的实像，与虚物在凹透镜同侧。第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版凸透镜成像图凸透镜成像图h0hipp FF f 11122233311-14 11-14 几

13、何光学几何光学凸透镜成像的三条特殊光线：凸透镜成像的三条特殊光线：经过物方焦点的光线折射后平行于主光轴前进经过物方焦点的光线折射后平行于主光轴前进平行于主光轴的光线折射后经过像方焦点平行于主光轴的光线折射后经过像方焦点经过光心的光线不改变方向经过光心的光线不改变方向物在凸透镜焦点内时，成正立放大虚像，与物同侧；物在凸透镜焦点内时，成正立放大虚像，与物同侧；物在物在f2f之间时，成倒立放大实像，与物不同侧；之间时，成倒立放大实像，与物不同侧；物在物在2f之外时，成倒立缩小实像，与物不同侧；之外时，成倒立缩小实像，与物不同侧；第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理

14、学第五版第五版2.薄透镜的横向放大率薄透镜的横向放大率oin pVn p 当当nino 1pVp h0hipp FF f 12311223F 12hi21pI 11-14 11-14 几何光学几何光学V0, ,像正立像正立第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版16五五 显微镜、望远镜和照相机显微镜、望远镜和照相机1.显微镜显微镜a)显微镜成像光路显微镜成像光路FeFeFoFoh0hi（h0第十一章第十一章 光学光学11-7 11-7 单缝衍射单缝衍射物理学物理学第五版第五版17b)显微镜的放大率显微镜的放大率定义定义:M oohS iehf 又因为物镜的横向放大率又因为物镜的横向放大率ioohhf 其中其中 为光学筒长，即物镜与目镜的间距为光学筒长，即物镜与目镜的间距FeFeFoFoh0hi（h0且且M /ieoohfhS oooeoeSSf ff f 所以显微镜的视角放大率所以显微镜的视角放大率2.望远镜望远镜a)望远镜的成像光路望远镜的成像光路d0Fo Fe 11-14 11-14 几何光学几何光学b)望远镜的放大率望远镜的放大率iohf 0,0iohf iehf M /ieiohfhf oeff 第十一章第十一章