几何光学的基本原理竞赛课课件.ppt

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1、第3章几何光学的基本原理光的干涉、衍射现象，说明光是一种电磁波；光的传播过程就是无穷次波的相干迭加；光的行为可用其时空周期性——波长、振幅和位相来描述。因此，波动光学从光的本性出发，精确地描述了光现象。事实上，在很多情况下，不考虑光的波动性，不用光的时空周期性，而代之以简单的几何方法，就可得到与实际基本相符的结论（如光的反射、折射成像等）。这种撇开光的波动本性，而仅以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中有传播规律的学科称为几何光学，也称为光线光学。由于光的直线传播性对于光的实际行为只具有近似的意义，仅是波动的近似，所以，将它作为基础的几何光学，只能用于有限的范围和给出

2、近似的结论。？？？引言在所研究的对象中，若其几何的尺寸远远大于所用光波的波长（如对一定大小的透镜或面镜，研究由它们成像的物距和像距等），则由几何光学可以获得与实际基本相符的结果；反之，当其几何尺寸可以跟波长相比拟，此时需撇开光的直线传播的概念，而采用以光的波动性质为基础的波动光学来研究。即：几何光学所研究的是波动光学在障碍物尺寸远大于波长时的极限情况。本影区此处出现日全食半影区此处出现日偏食伪本影区此处出现日环食半影区此处出现日偏食日食地球此时地球上看到月偏食此时地球上看到月偏食由于地球的本影区远大于月地距离故，地球上不会看到月环食地球此时地球上看到月全食月食P1P2M

3、NabABS图1-2-6如图1-2-6所示，AB表示一平直的平面镜，是水平放置的米尺（有刻度的一面朝着平面镜），MN是屏，三者相互平行，屏MN上的ab表示一条竖直的缝（即ab之间是透光的）。某人眼睛紧贴米尺上的小孔S（其位置如图所示），可通过平面镜看到米尺的一部分刻度。试在本题图上用三角板作图求出可看到的部位，并在上把这部分涂以标志。图1-2-7图1-2-8试证双镜两次反射定理：光线被交角等于q的两镜面反射时，反射光线和入射光线的交角等于两个镜面交角q的两倍。例:解：根据几何学外角公式，由图可知而：故：i2i1两镜面间的成像个数：比如：两面垂直放置的平面镜第3章几何光学

4、的基本原理主要内容以光的直线传播为基础，用光线、波面的概念和几何方法来近似描述光的传播行为；利用费马原理和新笛卡尔符号法则，研究光在平面、球面介面上的成像规律。掌握：2.新笛卡尔符号法则、高斯公式、牛顿公式；3.物象公式和作图求象法求解成象问题；4.理解虚物、实象、虚象概念及其性质。1.直线传播、反射、折射、全反射、色散5.望远镜、显微镜等仪器。§3.2费马原理光在均匀介质中总是沿直线传播的，光在非均匀介质中又是怎样传播的？费马借助光程的概念，回答了该问题。一、费马原理（1657年提出）1、表述：光在空间两定点间传播时，实际光程为一特定的极值。即：光沿光程为最小值、最大

5、值或恒定值的路程传播。2、表达式：nBAds3.说明：①意义：费马原理是几何光学的基本原理，用以描绘光在空间两定点间的传播规律。②用途：A.可以推证反射定律、折射定律等实验定律。由此反证了费马原理的正确性.③极值的含义：极小值，极大值，恒定值。一般情况下，实际光程大多取极小值。费马本人最初提出的也是最短光程。B.推求理想成象公式。二、费马原理的证明1、直线传播定律：（在均匀介质中）2、折射定律：（在非均匀介质中）i2n2B‘C‘’A’C‘CBAn1O’OPMi1XYZ如图示：Ａ点发出的光线入射到两种介质的平面分界面上，折射后到达Ｂ点。路线如何？①折射线在入射线和法线决定

6、的平面内只需证明折射点C点在交线OO’上即可.光程是一个折合量，可理解为在相同时间内光线在真空中传播的距离。在传播时间相同或相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程。②折射线、入射线分居法线两侧i2n2B‘A’CBAn1O’OPMi1XYZA、B、C点坐标如图示。沿此方向入射，必有③i2n2B‘A’CBAn1O’OPMi1XYZ由于反射、折射定律是实验定律，是公认的正确的结论，所以，费马原理是正确的。同理：也可证明反射定律。PP/PP/PP/定值最短最长成像的前提是单心性的保持，下面的知识中时刻注意光束的单心性。§3.3单心光束实像和虚

7、像光线在各种情况下的行进方向：成像问题是几何光学研究的主要问题之一。光学元件质量的高低是以成像质量来衡量的。为学习研究成像规律，首先介绍几个基本概念。一、单心光束、实像、虚像1、发光点：只有几何位置而没有大小的发射光束的光源。它也和光线一样，是一个抽象概念，一个理想模型，有助于描述物和像的性质。点光源就是一个发光点。若光线实际发自于某点，则称该点为实发光点；若某点为诸光线反向延长线的交点，则该点称为虚发光点。2、单心光束：有一定关系的一些光线的集合，称为光束。只有一个交点的光束，亦称同心光束。该唯一的交点称为光束的顶点。反之称为像散光束。