物理 高中：高中物理奥赛资料汇编-光学-光的折射

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1、§1.3光的折射1.3.1、多层介质折射图1-3-1如图：多层介质折射率分别为则由折射定律得：1.3.2、平面折射的视深在水中深度为h处有一发光点Q，作OQ垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与OQ交点的深度与入射角i的关系。设水相对于空气的折射率为，由折射定律得令OM=x，则于是dd′QQ′OxMiγ图1-3-2上式表明，由Q发出的不同光线，折射后的延长线不再交于同一点，但对于那些接近法线方向的光线，，则，于是这时与入射角i无关，即折射线的延长线近似地交于同一点，其深度是原光点深度的。如图1-3-3所示，MN反射率较低的一个表面，PQ是背面镀层反射率很

2、高的另一个表面，通常照镜子靠S2S3S1O2O1SS1QNPM图1-3-3镀银层反射成像，在一定条件下能够看到四个反射像，其中一个亮度很底。若人离镜距离，玻璃折射率n，玻璃厚度d，求两个像间的距离。图中S为物点，是经MN反射的像，若依次表示MN面折射，PQ面反射和MN面再折射成像，由视深公式得，，，故两像间距离为。1.3.3、棱镜的折射与色散ABCEFi1i2i′2i′1DGδ折射率图1-3-4入射光线经棱镜折射后改变了方向，出射光线与入射光线之间的夹角称为偏向角，由图1-3-4的几何关系知其中①当，α很小时，即hLSS′δδ图1-3-5δ=（n-1）α

3、厚度不计顶角α很小的三棱镜称之为光楔，对近轴光线而言，δ与入射角大小无关，各成像光线经光楔后都偏折同样的角度δ，所以作光楔折射成像光路图时可画成一使光线产生偏折角的薄平板，图1-3-5。设物点S离光楔L则像点在S的正上方。h=lδ=（n-1）αl。②当棱镜中折射光线相对于顶角α对称成等腰三角形时，，。阳光红紫图1-3-6图1-3-7紫红阳光或者这为棱镜的最小偏向角δ，此式可用来测棱镜的折射率。由于同一种介质对不同色光有不同的折射率，各种色光的偏折角不同，所以白光经过棱镜折射后产生色散现象。虹和霓是太阳被大气中的小水滴折射和反射形成的色散现象。阳光在水滴上

4、经两次折射和一次反射如图1-3-6。形成内紫外红的虹；阳光经小滴两次折射和两次反射如图1-3-7，形成内红外紫的霓。由于霓经过一次反射，因此光线较弱，不容易看到。1.3.4、费马原理费马原理指出，光在指定的两点之间传播，实际的光程总是为最大或保持恒定，这里的光程是指光在某种均匀介质中通过的路程和该种媒质的折射率的乘积。费马原理是几何光学中的一个十分重要的基本原理，从费马原理可以推导出几何光学中的很多重要规律。例如光的直线传播、反射定律，折射定律，都可以从光程极小推出。如果反射面是一个旋转椭球面，而点光源置于其一个焦点上，所有反射光线都经过另一个焦点，所有

5、反射光线都经过另一个焦点，便是光程恒定的一个例子。此外，透镜对光线的折射作用，也是很典型的。一平凸透镜的折射率为n，放置在空气中，透镜面孔的半径为R。在透镜外主光轴上取一点，（图1-3-8）。当平行光沿主光轴入射时，为使所有光线均会聚于点。试问：（1）透镜凸面应取什么形状？（2）透镜顶点A与点O相距多少？（3）对透镜的孔径R有何限制？xyBAM（x，y）nRf′F′图1-3-8解:根据费马原理，以平行光入射并会聚于的所有光线应有相等的光程，即最边缘的光线与任一条光线的光程应相等。由此可以确定凸面的方程。其余问题亦可迎刃而解。（1）取坐标系如图，由光线和的

6、等光程性，得整理后，得到任一点M（x，y）的坐标x，y应满足的方程为令，，则上式成为这是双曲线的方程，由旋转对称性，透镜的凸面应是旋转双曲面。（2）透镜顶点A的位置应满足或者可见，对于一定的n和，由R决定。（3）因点在透镜外，即，这是对R的限制条件，有即要求讨论在极限情形，即时，有如下结果：即点A与点重合。又因xyRf′AMNnθΦθtF′图1-3-9a=0故透镜凸面的双曲线方程变为即双曲线退化成过点的两条直线，即这时透镜的凸面变成以为顶点的圆锥面，如图1-3-9所示。考虑任意一条入射光线MN，由折射定律有，由几何关系故，即所有入射的平行光线折射后均沿圆

7、锥面到达点，此时的角θ就是全反射的临界角。图1-3-10例1、半径为R的半圆柱形玻璃砖，横截面如图1-3-10所示。O为圆心。已知玻璃的折射率为。当光由玻璃射向空气时，发生全反射的临界角为45°，一束与MN平面成450的平行光束射到玻璃砖的半圆柱面上，经玻璃折射后，有部分光能从MN平面上射出。求能从MN平面射出的光束的宽度为多少？分析:如图1-3-11所示。进入玻璃中的光线①垂直半球面，沿半径方向直达球心，且入射角等于临界角，恰好在O点发生全反射，光线①左侧的光线经球面折射后，射在MN上的入射角都大于临界角，在MN上发生全反射，不能从MN射出，光线①右侧

8、一直到与球面正好相切的光线③范围上的光线经光球面折射后，在MN面上的入射角均小于