大学物理几何光学.pptx

1引言：光学的起源和光的本质引言：光学的起源和光的本质 我国早在春秋时代我国早在春秋时代墨经墨经中记载了许多光学现象，中记载了许多光学现象，如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长期在世界居于领先地位。面长期在世界居于领先地位。近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历了几个时代：了几个时代：古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解释干涉、衍射、偏振释干涉、衍射、偏振光光 学学2 惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。托马斯托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）通过实验和进一杨和菲涅尔（在十九世纪初）通过实验和进一步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干步的理论工作，验证了光的波动理论成功地解释了光的干涉、衍射。涉、衍射。波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中传播需要媒质，于是臆想出传播需要媒质，于是臆想出“以太以太”，认为真空中充满了，认为真空中充满了“以太以太”，但找不到。，但找不到。十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波存在，电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，认为光是的速度等于光速，认为光是电磁波电磁波。科学家们认为光的本质研究已完成科学家们认为光的本质研究已完成-光是一种电磁波光是一种电磁波3 随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用波动光学无法解释，康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出年普朗克提出量子假说，量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。应。目前关于光的本质（光是什么）只能讲：目前关于光的本质（光是什么）只能讲：光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。4少女？少女？老妇？老妇？但两种图象不会同时但两种图象不会同时出现在你的视觉中。出现在你的视觉中。光在某些条件下表现出光在某些条件下表现出粒子性粒子性，在另一些条件在另一些条件下表现出下表现出波动性波动性，而而两种性质两种性质虽寓于同一体中，虽寓于同一体中，却却不能同时表现出来不能同时表现出来。例如：例如：两种图象寓于两种图象寓于同一幅画中；同一幅画中；5第第1616章章 几何光学几何光学光学的理论体系光学的理论体系以光的直线传播为基础，采用几何方法研究以光的直线传播为基础，采用几何方法研究光在透明介质中的传播问题。光在透明介质中的传播问题。物理光学物理光学波动光学波动光学：以以光光的的波波动动性性为为基基础础，研研究究光的传播及其规律。光的传播及其规律。量子光学量子光学：以光和物质相互作用时所显示以光和物质相互作用时所显示出的出的粒子性粒子性为基础，研究光的为基础，研究光的一系列规律。一系列规律。现代光学现代光学非线性光学非线性光学激光光谱学激光光谱学信息光学信息光学集成光学集成光学统计光学统计光学.几何光学几何光学 其基础是光波长趋于零（其基础是光波长趋于零（0；物点在镜后，物距；物点在镜后，物距p0；像点在镜后，像距；像点在镜后，像距q0；(3)凹面镜的曲率半径凹面镜的曲率半径r为正，凸面镜的曲率半径为正，凸面镜的曲率半径r为负。为负。沿着光线前进的方向沿着光线前进的方向实正虚负实正虚负19凹球面凹球面CpBrPM OQn1n2Aq二、单球面镜傍轴反射成像二、单球面镜傍轴反射成像根据费马原理根据费马原理 设光在真空中传播设光在真空中传播n n1 1=1=120在傍轴近似条件下，在傍轴近似条件下，上式变成：上式变成：当当由此可知：由此可知：可得：可得：傍轴光线条件傍轴光线条件下下球面反射的物像球面反射的物像公式。公式。21相当于平行主光轴的光束经球面反射后，将在光轴上相当于平行主光轴的光束经球面反射后，将在光轴上会聚成一点，该像点称为反射球面的会聚成一点，该像点称为反射球面的焦点。焦点。顶点顶点O到到F的距离叫做的距离叫做焦距。焦距。以以f表示。表示。OCFOFC（1）平行于主光轴的光线：其反射线必通过焦）平行于主光轴的光线：其反射线必通过焦点（凹球面）或者其反射线的延长线通过焦点点（凹球面）或者其反射线的延长线通过焦点（凸球面）；（凸球面）；22作图时可以选择下上三条特殊光线，可以直观了作图时可以选择下上三条特殊光线，可以直观了解系统成像的位置、大小和虚实情况。解系统成像的位置、大小和虚实情况。（2）通过曲率中心的光线：其反射线和入射线是同）通过曲率中心的光线：其反射线和入射线是同一条直线而方向相反；一条直线而方向相反；（3）通过焦点的光线或入射光的延长线通过焦点的）通过焦点的光线或入射光的延长线通过焦点的光线，其反射线平行于主光轴。光线，其反射线平行于主光轴。OCFP过焦点且垂直于主光过焦点且垂直于主光轴的平面：轴的平面：焦平面焦平面23根据费马原理：根据费马原理：QpqrOMCn2n1u-uhQiHill 整理得：整理得：三三 单球面镜傍轴折射成像单球面镜傍轴折射成像24QpqrOMCn2n1u-uhQiHill 傍轴近似条件：傍轴近似条件：傍轴光线条件傍轴光线条件下下球面折射的物像球面折射的物像公式。公式。