文档介绍：引言
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。
由于直线传播仅是波动的近似,所以,几何光学只能用于有限的范围和给出近似的结论。
第三章几何光学的基本原理
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。
教学目的:
1. 牢固掌握新笛卡尔符号法则、高斯公式、牛顿公式;
2. 掌握光具组基点基面的物理意义和作用;
3. 能正确运用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。
内容分析:
第一单元: §1~§4
几何光学的基本原理、实验规律
第二单元: §5~§8
光在球面界面上的反射、折射及薄透镜的成象
第三单元: §9~§11
理想光具组的基点基面
§ 基本概念及基本实验定律
一、光线与波面
:形象表示光的传播方向的几何线。
说明:①同力学中的质点一样,光线仅是一种抽象的数学模型。
它具有光能,有长度,有起点、终点,但无粗细之分,仅
代表光的传播方向。任何想从实际装置(如无限小的孔)
中得到“光线”的想法均是徒劳的。
②无数光线构成光束。
:光传播中,位相相同的空间点所构成的平面或曲面。
③光沿光线方向传播时,位相不断改变。
说明: ①波面即等相面,也是一种抽象的数学模型。
波面为平面的光波称为平面光波(如平行光束);为球
面的称为球面光波(如点光源所发光波);为柱面的
称为柱面光波(如缝光源所发光波)
在各向同性介质中,光线总是与波面法线方向重合。即光线与波
面总是垂直的。
平面波
球面波
柱面波
二、几何光学的基本实验定律
:在均匀介质中,光总是沿直线传播的。
:
①反射线在入射线和法线决定的平面内;
②反射线、入射线分居法线两侧;
③
:
①折射线在入射线和法线决定的平面内;
②折射线、入射线分居法线两侧;
③
:
:
自不同方向或不同物体发出的光线相交时,对每一光线的传播
不发生影响。即各自保持自己原有的特性,沿原方向继续传播,互
不影响。
在几何光学中,任何光路都是可逆的。
§ 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
: 光在空间两定点间传播时,实际光程为一特定的极值。
2、表达式:
n
B
A
ds
:
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。
。
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)
i2
n2
B‘
C‘’
A’
C‘
C
B
A
n1
O’
O
P
M
i1
X
Y
Z
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。
①折射线在入射线和法线决定的平面内
只需证明折射点C点在交线OO’上即可.
②折射线、入射线分居法线两侧
i2
n2
B‘
A’
C
B
A
n1
O’
O
P
M
i1
X
Y
Z
A、B、C点坐标如图示。沿此方向入射,必有
③
i2
n2
B‘
A’
C
B
A
n1
O’
O
P
M
i1
X
Y
Z
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。