7-1几何光学的基本概念和定律 (2)

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1、§7.1几何光学的基本概念和定律一、几何光学的基本概念二、几何光学的基本定律1、光的直线传播定律2、光的独立传播定律3、反射和折射定律4、费马(Fermat)原理(1661年提出)5、马吕斯(Malus)定律(1808年提出)三、光学系统及其完善像例题与作业一、几何光学的基本概念－§1.1基本概念和定律1、光源能够辐射光能的物体。点光源：光源的大小相对辐射光能的作用距离小得可以忽略时，光源可以视为点光源；2、波阵面某一时刻，同一光源辐射场的位相相同的点构成的曲面。一、几何光学的基本概念－§1.1基本概念和定律3、光线光管：通过一个闭合曲线的所有能流密度矢量S的矢量线构成的曲面。光线

2、：当光管的横截面较长度小得可以忽略时，几何光学称为光线。光线特征：(1)光线无直径、无体积，能量密度无限大(2)在同一点，同一光源的光线和波面垂直，即波面的法线方向为光线的方向4、光路：光线的传播路径。一、几何光学的基本概念－§1.1基本概念和定律5、光束：和同一波面对应的法线束。(波面------)平行光束发散的同心光束o会聚的同心光束o像散光束A1.光的直线传播定律－几何光学的基本定律内容：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。说明：(1)光线为直线;(2)光的传播速度(相速)：(3)介质的折射率：。2、光的独立传播定律－几何光学的基本定律内容：沿不同方向传播的光线，通过空间一

3、点，彼此互不影响，各光线独立传播。光线和电力线、磁力线比较：光线——无叠加定理，可以相交；电力线和磁力线——有叠加定理，不能相交。PAB3、光的反射折射定律－几何光学的基本定律(1)实验(a)开普勒实验(1611年)(b)斯涅耳实验(1621年)内容折射定律的矢量形式(4)反射定律的矢量形式(5)连续质介中光线的传播(1)-a开普勒实验(1611年)—光的反射折射定律开普勒比较入射角和折射角的实验装置JLMNBCDGHEFab(1)-b斯涅耳实验(1621年)—光的反射折射定律实验装置:和Kepler实验装置基本相同。结论:比值OS/OS’恒为常数。Snell实验结果图abOSS’

4、P(上面定义的入射角和折射角和平时定义的正好互余，所以OS/OS’相当于平时定义的折射角和入射角的正旋比。)(2)内容—光的反射折射定律光线从折射率为n的介质入射到折射率为n’的介质中，设入射角、反射角和折射角分别为I、I’’和I’，如果规定光线按照锐角旋转到法线方向，顺时针为正，逆时针为负，则(i)入射光线和反射光线、折射光线分居法线两侧，并且它们和法线共面；(ii)I=-I’’；(iii)nsinI=n’sinI’。nn’II’-I’’反射和折射定律说明(a)上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律；(b)反射定律可以看作折射定律的特殊形式。n’－>n’’＝－n，

5、I’－>I’’；(c)介质界面及曲率半径均较波长大得多，反射和折射定律在曲面的局部仍适用。(3)折射定律的矢量形式—光的反射折射定律折射定律矢量表示nn’II’A=nA0A’=n’A’0N0t说明(1)N0方向从入射介质指向折射介质,判断方法—A﹒N0>0(2)

6、A’

7、=n’(4)反射定律的矢量形式—光的反射折射定律折射定律矢量表示nn’I-I’’A=nA0A’’=nA’’0N0t说明:(1)N0方向从入射介质指向折射介质,判断方法—A﹒N0>0(2)

8、A’’

9、=n例题(5)连续质介中光波的传播—光的反射折射定律结论:光在介质中传播时,有偏向折射率较高一侧的趋势根据上述定性结论,可

10、以对渐变介质中光波传播作定性的分析nn’II’nI’nn’II’n=n’,I=I’nn’II’n>n’,I

11、常值.(2)Fermat原理内容－费马原理极值可以是极大值、极小值或常值.Fermat原理的极值问题常值极大ABL1ABL2ABFermat原理取极值的几种情况极小随遇平衡不稳平衡稳定平衡(1)内容垂直于入射波面的入射光束，经过任意次的反射和折射后，出射光束仍然垂直于出射波面，并且在入射波面和出射波面间所有光路的光程相等。(2)数学表示5、马吕斯(Malus)定律－几何光学的基本定律Malus定律的解释图ABC123A’B’C’3’2’1’p1p2光学系统三、光学系统