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,3 光的波动光学传播基础惠更斯原理,4 费马原理,5 光度学基本概念,1 光和光学,1 光和光的传播,一、光的本性(绪论),1、萌芽时期 (公元前5世纪公元15世纪末) 人眼发出的触须样；物体发出的争论,2、几何光学时期 (AC16AC18世纪) 微粒说；波动说；微粒说占上风因为牛顿太伟大了,3、波动光学时期 (AC1920世纪初) 1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为C

2、光也是电磁波 1888，赫兹实验： 弹性媒质以太中的横波 成就：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。 遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？,第一章 光和光的传播,4、量子光学时间（19001960）,光的粒子性 黑体辐射、光电效应、康普顿效应等 光的波动性 大量的干涉、衍射、偏振现象 德布罗意物质波 每一物质粒子都与一定波相联系 戴维孙革未电子衍射实验 1927年 光的波粒二象性 E=h ； P=h/ 玻恩 1925年，波粒二象性的几率解释概率波,5、现代光学时期 (20世纪60年代开始),关于光的本性至今答案没有令人满意的答案 任何经典的概念都不能完

3、全概括光的本性。 波粒二象性暂时回答光的本性问题。,1、热辐射,2、光的非热发射,温度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。,电致发光电场补给能量日光灯,荧光电磁波或电子束作用下电子显象管,磷光受电磁波或电子束作用后的持续发光夜光表指针,化学发光化学反应，如腐物在空气中氧化“鬼火”,生物发光特殊类型的化学反应萤火虫, 一些基本概念,二、光源与光谱,光速常数,单色光谱线宽度：,可见光:波长范围,可见光：400 760 nm；频率范围：,连续光谱,线光谱,复色光谱密度,典型谱线, 光强度,坡印亭矢量：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,坡印亭

4、矢量的大小,关系式,光强度波动观点 电磁波的平均能流密度S,同一种介质，通常只写：,在光波频段：,1、几何光学 线 直线传播、反射、折射、成像 应用光学 2、波动光学 波 干涉、衍射、偏振、光速介质波 3、量子光学 粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 光子 德布罗意波概率波波粒二象性 4、现代光学 光子学 激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、超快速光学 光子计算机 并行、宽带、高速、准确,三、光学的研究对象、分支与应用,2 光的几何光学传播规律,一、几何光学三定律,1、直线传播定律：各向同性均匀介质,物体的影子,针孔成像,2、反射定律, 与 n 无关；无色散。,则 ， 对称：光路

5、可逆, 漫反射现象之解释,(1) 文字表述（略）,(2) 数学表式,(3) 讨论：,光的反射与折射,(3) 讨论, 光疏媒质与光密媒质之相对性,3、折射定律,(2) 数学表式,(1) 文字表述（略）；, 色散现象,(4) 应用：改变光路方向：航天器、 精密光学仪器等,光的折射,1、全反射, 当光从光密介质进入光疏介质，入射角达到某一值（临界角）时，不再有折射光而全部被反射全反射，其临界角的大小为, 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,全反射,二、全反射 光学纤维（光导纤维）,2、光导纤维 光学纤维, 原理：全反射, 结构：纤芯的折射率大于包层的照射率,

6、光导纤维的原理,利用全反射棱镜改变光路,3、利用全反射改变光路,光在渐变折射率介质中传播,4、光在渐变折射率介质中传播海市蜃楼,1、色散：折射角随波长而不同 色散光谱,2、三棱镜：横截面是三角形棱镜,3、三棱镜的最小偏向角 过程略（见课本P12-13）,三棱镜的折射,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边平行,当,有,4、棱镜作用,(2) 色散 重要的分光元件 两类光谱仪之一，棱镜、光栅,(1) 改变光路 科研、军事、生产、航天等,三棱镜的色散,光谱仪原理,光纤连接口 狭缝 滤波片 准直镜 分光原件（光栅、或棱镜） 准直镜 聚光透镜 探测器 CCD、光电探测器等,四、光

7、路的可逆性原理,光路的可逆性原理,3 惠更斯原理,一、波的几何描述,1、光线 ：光能量的传播方向的几何线,理想模型：不是细光束,2、波面：光波相位相等各点构成的面,波前：最前面的那个波面,均匀各向同性介质：直线,非均匀介质：曲线,3、单心（同心）光束 物点为顶点的发散光 束，其波面为球面,物点为顶点的发散光束,二、惠更斯原理的表述,三、惠更斯原 理对反射定律 和折射定律的 解释（略去P16-17）,惠更斯原理,次波OR 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,四、直线传播问题,大孔径障碍物光的传播方向,本质： 次波源激发的波之间的干涉。 近似性： CD之外仍有波动，即衍射。,

8、用惠更斯原理可以定性解释光的衍射,五、光的衍射问题,衍射问题,衍射问题,小孔径障碍物光的传播方向,水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显,第1次作业,P32-P34：1-13；1-19；,4 费马原理,一、光程,定义： 光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积,光程,1、文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。 或： 光沿着光程为极值的方向传播。,2、数学表述：,实际路径上，时间变分为零,极 值,极大 极小 恒定,或,实际路径上，光程变分为零,费马原理,二、费马原理的表述,1、反射定律,由费马原理推导反射定律,三、由费马原理推导 几何光学三定律,假设在入射面内有两条光线：QMP 和QMP,显

9、然，QMPQMP，故光程 QMPQMP, 即QMP最短！,由于镜像对称，有光程 QMP QMP,（1）定性证明 反射定律,2、折射定律,由费马原理推导折射定律,两条物像光线 QMP ；QMP,显然， 光程 QM QM PM PM, 光程最短在竖直平面内,设： QQ分界面； PP 分界面,注意 MM QP,（1）证明折射定律,由费马原理推导折射定律,物像光程： QMP为, 得,在竖直平面内,5 光度学基本概念,一、辐射通量和光通量（主、客观量）,1、辐射通量（客观量）, 定义：文字表述； 单位：瓦（W ）； 符号= (), 附近 内： 为辐射通量谱密度,光源表面,光度学,辐射度量学,研究发光强弱

10、的学科；,研究各种电磁辐射强弱的学科；,2、光谱的响应曲线 （光电仪器）,客观辐射通量引起光电仪器（不同器件）响应灵敏度的物理量,不同光电器件的响应灵敏度,光电（吸收率、量子效率） 电子吸收光子跃迁或发射，比如光电二极管，光电阴极 热电偶 吸收光子转化为热能。,3、视见函数 （主观量）, 视见函数的表式, 含义：客观辐射通量引起人眼主观视觉强度的物理量 任一波长的光和波长为555nm的光产生同样亮暗感觉所需要的通量为 和,/,视见函数曲线,例：要引起与1mW的555nm绿光相同亮暗感觉的400nm紫光需要2.5W，则400nm的视见函数值为？,视见函数曲线因人而异，比如色盲、色弱 视见函数曲线

11、受环境影响，比如白天和晚上同一个人的视见函数曲线不同,1瓦特555nm的辐射通量相当于683流明的光通量,(2) 数学表式,最大光谱光视效能 (最大 功光当量) Km的物理意义,/nm,辐射能量对波长的分布函数,(3) 光谱光视效能,4、光通量 (主观量),(1) 定义：辐射通量与视见函数的乘积； 单位：流明 ；符号: lm ；,用 I 表示，单位是 坎德拉（cd ），简称“坎”,1、含义：光源在一定方向上单位立体角内发出的光通量。 具有一定方向性。比如早期的液晶屏。,2、量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值,数学表式,I 应当是可以测量,发光强度是SI制7个基本物理量之一,发光强

12、度物理意义,二、发光强度与亮度,电灯发光强度的角分布,光源光辐射空间分布, 1881年,“烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光）, 1909年，“国际烛光”，英法美协议，白炽灯, 1937年，国际计量委员会（CIPM）， 规定“新烛光”：1940.1.1执行, 1948年，第九届国际计量大会。 规定“坎德拉”为发光强度单位, 我国1979年，建立铂凝固点黑体光度基准，0.3%,3、光度学基准的界定及其演变 烛光发光强度,坎德拉是频率为 的单色辐射源， 在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为 1/683 瓦特/ 球面度。（W/sr）（主、客观量）,注：540.0154Hz的辐射在空气中

13、波长为550nm，即黄绿光,4、发光强度坎德拉的最新定义,（1979年10月，第十届国际计量大会通过）,1（cd）坎德拉=1/683瓦特/ 球面度（W/sr） (555nm) =1流明/ 球面度（lm/sr） (555nm),1(W)瓦特(555nm)辐射通量相当于683流明的光通量,1、定义,发光面沿r方向上单位面积之发光强度,亮度的单位：熙提（sb） 即：流明每平方米球面度,亮度发光表面的发光强度分布,亮度的含义,2、计算：r 方向上的亮度,1、余弦发光体,朗伯定律,朗伯光源的含义,朗伯光源的物理意义: 各个方向的亮度相同 即：B与 无关,三、余弦发光体和定向发光体,朗伯光源也就是余弦 发

14、光体,朗伯光源的亮度,球面朗伯光源的亮度,得球面朗伯光源的亮度,结论球面朗伯光源的亮度与方向无关！,任意方向（比如，与赤 道平面垂直方向）亮度为,按照朗伯定律,和,2、定向发光体,激光器的亮度,激光的准直度非常好,激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太阳表面的1万倍！,单位：勒克斯（Lx），旧称 辐透（ph）；,1、定义：入射在被照物单位面积上的光通量,2、计算1点光源的照度,四、照度,被点光源照射物的照度,计算2面光源的照度（P28）,被面光源照射物的照度,第2次作业,P34：1-20,第一章复习及习题课,本章主要内容 光的本性： 波粒二象性 2. 几何光学三定律 直线传播：均匀介质 反射定律

15、：反射线在入射面内，i=i 折射定律：折射线在入射面内，n1sini1=n2sini2 全反射：从光密介质n1进入光疏介质n2，,粒子性：光子光电效应,波动性：电磁波干涉、衍射,本章主要内容,3. 惠更斯原理：核心次波源 次波源发出波的次波面的包络是下一时刻的波面。 4. 费马原理： 两点间光线的实际路径是光程为平稳（极小、极大、或恒定）的路径。,本章主要内容,5. 几个基本概念和公式： 光强：光的平均能流密度 棱镜最小偏角,辐射能通量 ：单位时间光源发出的或经过一定接受截面的辐射能 ，单位W。 光通量：辐射能通量以视见函数为权重因子折合成对眼睛的有效数量， 单位流明(lm) 发光强度：点光源

16、在某一方向上单位立体角内发出的光通量，单位坎德拉（cd）。,亮度：扩展光源面元dS在r方向上单位投影面积的发光强度，单位lm/(m2sr). 照度：照射在单位面积上的光通量，单位勒克斯（lx）。,练习题,下列物理现象体现了光的粒子性的是：【 】 A. 双缝干涉 B. 单缝衍射 C. 光电效应 D. 光栅分光,C,2. 一横截面积为S平行光束由光疏介质入射到光密介质，则折射光束横截面积S与S的关系为：【 】 A. SS B. SS C. S=S D. SS,D,3. 在真空中波长为的单色光，在折射率为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 ,A,4. 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