(复习课) 光学复习

复习目标; 1、说出光在同一种物质中沿直线传播（a） 2、说出光在真空中的光速（a） 3、知道光在不同物质里的传播速度不同（a） 5、概述光的反射定律（b） 6、区别镜面反射和漫反射（b） 7、说出平面镜成像特点（a） 8、例举光的折射现象（a） 9、概述光的折射定律（b） 10、能用光的反射和折射定律解释有关现象（b）

光学基础 光的现象 (投影) 光的现象(小孔成像) 一、光是什么 人们对事物的本质和规律的认识，都是从认识其现象开始的。 首先人们认识到光是一种自然现象，即我们注意到不同物体有 不同颜色、亮度。人眼所见的物体要么本身发光，要么反射来 自其它地方的光。除此之外， 光还能使物体发热，即光具有能 量。 人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物 体？”之类问题。为了解释这些现象，人们通过大量观察、实验 来证实自己的推测，约在公元前400多年(先秦时代)，中国的 《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学 的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像， 并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜物和 像的关系. 在不断积累的基础上逐渐形成了对光学的研究。

光学的基本概念 光学是研究光的传播以及它和物质相互作用问题的学科 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词， 早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学 是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射 线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和 显示，以及跟物质相互作用的科学。  光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密 相关的学科。任何一门物理学科，都必须解决研究对象的两个 问题：是什么？怎么样？ 研究光的本质，必须从其现象开始，而其现象，则表现在光与 不同材质、不同尺度的物体相互作用时，表现出不同的特性。 因而，在不同的研究阶段，人们对光的认识也是不同的。

光学发展的历史 光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追 溯到自《墨经》开始2000多年前。 公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜。 17世纪上半叶，斯涅耳和笛卡尔将光的反射和折 射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定 律和折射定律。 1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分 解成各种颜色    同时，根据光的直线传播性，他 认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均 匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用 这种观点对折射和反射现象作了解释。  惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的 波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播 的”。 在18世纪，光的微粒流理论和光的波动理论都被 粗略地提了出来，但都不很完整。 在20世纪初，人们一方面从光的干涉、衍射、偏 振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波； 而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光 的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性—— 微粒性。人们在深入入研究微观世界后，才认识 到光具有波粒二象性，愛因斯坦是其中的代表性 人物。

光的本质和特性 光是电磁波中的可见光部分 光具有波粒二象性 光在匀质物体中沿直线传播，其 振动方向与传播方向垂直，在空 气中光的传播速度约为30万公里 每秒 光波的两个相邻波峰或波谷间的 距离为波长，其单位是纳米 (1m=103mm=106um=109nm=10 10埃) 可见光波长范围从390nm的紫色 光到770nm的红色光

电磁波谱 可见光谱 线频率 v 与波长 l 的关系 ----真空中的光速

光具有波粒二象性 反射 折射 光的反射与折射(微粒性)

光的干涉与衍射(波动性)

光具有波粒二象性 波动性 粒子性

光学研究分类 我们通常把光学分成几何光学、物理光学、量子光学及现代 光学： 一、几何光学：以光的直线传播规律为基础，主要研究各种成 像光学仪器的理论。 二、物理光学：研究光的电磁理论和传播规律，特别是干涉、 衍射、偏振的理论和应用。所以也称为波动光学。 三、量子光学：以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作 用的规律，如光电效应的研究。 四、现代光学：以激光问世为标志，与许多科学技术领域紧结 合，派生了许多新的分支学科。

几何光学基本定律  ( 4. 光路的可逆性 ) 光线光学。 光线: 代表光能量传播方向的一根线 A beam of light generated by a laser. The beam is visible because particles in the air have scattered the light. 光线是指细光束，通过对其观察建立了几何光学的基本定律。波面: 垂直于光线的几何平面或曲面. 点光源 (发光点) 经过圆孔，衍射。 孔径 或   ，则衍射效应  。  /D 0 的极限：几何光学。 3. 折射定律 (Snell定律) 几何光学基本定律 “三定律”： 1. 直线传播 (均匀媒质中) 2. 反射定律  ( 4. 光路的可逆性 ) 折射率 n = c v 临界角，全内反射 ( 只讲方向，不讲强弱)

在非均匀介质中光线是弯曲的曲线 The bending of rays through inhomogeneous media.

An off-axis parabolic mirror element The 2.4m-diameter hyperboloidal primary mirror of the Hubble Space Telescope

(2) 针孔成像(pinhole imaging) 一、光的直线传播 1、特点（1）光的传播不需要依赖于一 定的物质，在真空中也能传播。（2）光在同种均匀介质中沿直线传播，在两中不同物质的界面上会发生弯折。在传播过程中光路可逆。 2、光速：光在不同物质中传播速度不同光在真空中的传播速度最大： 3×108m/s；3×105km/s 3、小孔成像：成的是倒立的实象，像可大可小 (1) 投影(shadow); 现象： (2) 针孔成像(pinhole imaging)

二、光的反射 1、光的反射现象： 2、光的反射定律：反射光线与入射光线 、法线在同一平面内；反射光线和入射光线分别在法线的两侧；反射角等于入射角 3、物体对光的反射分为镜面反射和漫反射

The bundle of rays from the top of the object appears to originate from the image behind the mirror There is an image point for every source point

Multiple reflections can be obtained with two plane mirrors. For the woman to see her full-sized image, only a half-sized mirror is needed.

Many emergency vehicles are reversed-lettered so the lettering appears normal when viewed through the rearview mirror of a car

A corner reflector 入射光线 反射光线 This array of corner reflectors was left on the Moon by the Apollo 14 astronauts. The incoming ray that strikes point A eventually emerges along BD, parallel to the incoming ray.

**区别镜面反射和漫反射 项目 不同点 相同点 反射面 光线特点 镜面反射 平整光滑 如果入射光线平行，则反射光线仍平行 都遵循光的反射定律 漫反射 粗糙不平 反射光线杂乱散漫

1、下列四种现象中,属于光的反射的是( ) （A）立竿见影 （B）水中月，镜中花 （C）通过放大镜观察小昆虫 （D）筷子浸在水中部分向上偏折 2、我们在教室的各个方向都能看到黑板上的字，这是光的_______现象而学习或工作用的台灯上有一个灯罩（如图所示），其作用是将光线尽量集中照到需要照射的地方，因此灯罩内表面应尽量__________。

3、身高1.6米的人站在平面镜前2米处，已知平面镜 长1米，则这人在平面镜中的象高______米，象 到人的距离是______米；若人向平面镜走近0.5 米，则象高为______米，象到镜面的距离是 ______米。 1.6 4 1.6 1.5 4、下列说法正确的是（ ） D A 井水中的月亮到水面的距离等于井底到 水面的距离 B 物体离平面镜越近，所成的象越大 C 物体在平面镜中成的是虚象，所以人眼 看不到平面镜中的象 D 物体越大，它在平面镜中的象也越大

5、有一只电子表上显示如图 所示，则它在竖直悬挂着 的平面镜中所看到的读数 是（ ） A 2点21分 B 12点20分 C 15点50分 D 21点02分 C 6、人以1米/秒的速度沿着平直的河堤上行走， 他在平静的河水中的倒影相对于河堤的速度 是（ ） A 1米/秒 B 0.5米/秒 C 0 D 2米/秒 A 上题中他在平静的河水中的倒影相对于他自己的速度是[ ] C

(1)直尺的作用是便于比较物与象________ 关系； (2)两段等长的蜡烛是为了比较物与象_______关系； 7．某同学做“平面镜成象的特点”实验时,将一块玻璃板竖直架在一把直尺的上面,再取两段等长的蜡烛A和B一前一后竖放在直尺上，点燃玻璃板前的蜡烛A，用眼睛进行观察,如图所示.在此实验中： (1)直尺的作用是便于比较物与象________ 关系； (2)两段等长的蜡烛是为了比较物与象_______关系； (3)移去蜡烛B,并在其所在位置上放 一光屏,则光屏上_______接收到蜡 烛A的烛焰的象(填“能”或“不能”). 这说明平面镜成的是________象. 到镜面的距离 大小 不能 虚

两种媒质n1和n2，入射光线从媒质1射到分界面上。 三、光的折射 1、折射现象：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会改变，这种现象叫做光的折射。 2、光的折射(refraction)定律 两种媒质n1和n2，入射光线从媒质1射到分界面上。 定律：1）反射线和折射线 在入射面内 2） （Snell's law）； n1 n2 i1 i1’ i2 入射面：由入射光线与法线构成的平面

A beam of light is refracted as it enters a tank of water.

折射定律的讨论： i1 n1 n2 i2 光密媒质（denser medium）--折射率大的媒质； 定义： 光疏媒质（rarer medium）--折射率小的媒质； n1 n2 i1 i2 （1）光从光疏进入光密时： 由

i1 n1 n2 i2 (2)光从光密进入光疏时： 时, ---- 临界角（critical angle） 当i1 >临界角ic时， 发生全内反射（total internal reflection）

(3) 全反射的应用—全反射棱镜和光纤（optical fiber） 包裹层 n1 n2 n 半径

全反射（Total Internal Reflection：TIR） 光导纤维 临界角ic

临界角(Critical angle):

光导纤维 Optical fiber Light can travel with little loss in a curved optical fiber, because the light is totally reflected whenever it strikes the core-cladding interface and because the absorption of light by the core itself is small.

内窥镜 医学应用 A colonoscope, shown in use in this X-ray photograph 结肠镜 A bronchoscope 肺部

Light rays emanating from the bee’s body enter the tube and, in part, are guided around the 90 degrees turn via TIR, eventually exiting through the front surface and allowing you to see the bee. 关节显微手术

装校方便，反射率恒定，常可代替45°安放的平面反射镜 棱镜 (Prisms)  棱角 偏向角 入射光线 出射光线 色散 当 时： 装校方便，反射率恒定，常可代替45°安放的平面反射镜

A dispersive device

To effect a change in the orientation of an image or in the direction of propagation of a beam

Rainbows The colors of a rainbow result from dispersion in the reflection of light from individual water droplets in the air.

After two internal reflection The disks overlap, so it is relatively brighter below the primary rainbow and above the secondary rainbow, but darker between them.

不同颜色（波长）的光在介质中的传播速度v不同 折射定律的讨论： 棱镜与色散（Dispersion） 介质的折射率: 因为 不同颜色（波长）的光在介质中的传播速度v不同 不同波长光的折射率不同 一束白光入射时，不同波长的折射角不同 色散

折射定律的讨论: 牛顿的色散实验 平行的日光光束经三棱棱折射后，因对玻璃折射率不同而分散成红、橙、 棱镜与色散（Dispersion） 牛顿的色散实验 　平行的日光光束经三棱棱折射后，因对玻璃折射率不同而分散成红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫等七色光的现象称光之色散。 红光经棱镜，偏向最小,其折射率亦小，紫光最大，折射率亦大。

折射定律的讨论: 自然界的色散现象 彩虹

3、透镜对光的作用 性质 能成实象和虚象 只能成虚象 名称 形状 凸透镜 中间厚边缘薄 对光线起会聚作用，有实焦点 凹透镜 中间薄边缘厚 特点 凸透镜 中间厚边缘薄 对光线起会聚作用，有实焦点 能成实象和虚象 凹透镜 中间薄边缘厚 对光线起发散作用，有虚焦点 只能成虚象

1、下列现象属于光的折射的是（ ） A、同学甲从平面镜看到同学乙 B、探照灯将夜间的云层照亮 C、太阳光从云缝里射出来 D、戴近视眼镜后看清了黑板上的字 2、潜水员在水中看岸边景物的高度（ ） A、比实际高 B、比实际矮 C、和实际高度一样 D、无法判断 D A

3、把下列各个光学原理（成因）的序号，正确地填到相对应的光学现象右侧空格上。 光学原理：A、光直线传播 B、光的反射 C、光的折射 光学现象： （1）白雪耀眼 ，（2）花港观鱼： ，（3）瞄准靶心： ，（4）湖面映月： ，（5）近视者戴眼镜： ， （6）照相机摄景： 。 C B A B C C

4、眼睛——视力的矫正 对远处平行光 会聚情况 矫正的镜片 __ __视 _____镜 近视 凹透 远视 凸透

四、光的可逆性 在反射和入射定律中，光线如果沿反射和折射方向反向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射 光的方向逆向返回,既光路是可逆的。 O

1、光学器件对光的作用及应用 小结 改变光路 反射定律 潜望镜 穿衣镜 会聚作用 折射定律 照相机 幻灯机 放大镜 老花镜 光学元件 照相机 幻灯机 放大镜 老花镜 光学元件 对光的作用 遵循规律 应用 平面镜 凸透镜 凹透镜 发散作用 近视镜 缩小镜

2、光学成像 成像原理 倒立正立 大小 虚像实像 决定像的大小的因素 像物到镜的距离 小孔成像 平面镜 凸透镜 光的直线传播 倒立 可大 可小 实像 像的大小由物和光屏到孔的距离决定 平面镜 光的反射 正立 等大 虚像 像的大小由物的大小决定 等距 凸透镜 光的折射 缩小 像的大小由物体到透镜的距离与焦距的关系确定 像距小于物距 放大 像距大于物距

练习 1、下图中属于光的反射现象的是： 2、下图的四种情景中，由于光的直线传播形成的是： 3、下图中的现象，由于光的折射造成的是：

4、“影”是我们日常生活中常见的现象，如做光学游戏形成的“手影”；民间皮影戏的“皮影”；湖岸景色在水中形成的“倒影”；春游时的“摄影”等，以下列出的“影”与物理知识对应关系不正确的是： A、手影---光的直线传播 B、皮影---光的反射 C、倒影---平面镜成像 D、摄影---凸透镜成像 5、目前光污染越来越严重，白亮污染是较普遍的一类光污染，建筑物的玻璃墙，釉面墙、磨光大理石和各种涂料，都能造成白亮污染，形成白亮污染的主要原因是： A、光的反射 B、光的射 C、光具有能量 D、光沿直线传播

6、如图所示，表示平面镜和凸透镜成像情况的图中正确的是： 7、一只小猫在平面镜前欣赏全身像，此时，它所看到的全身像是： 8、如图的漫画说明了一个什么问题

9、光纤在科学上有重要的应用，例如：医学上用光纤 制成胃镜，医生将胃镜的探头（含光纤的一端）送入人 体内的胃部，只通过在体外的光纤就强以观察到胃的内 壁的情况了，这是因为（ ） A、光在光纤这种特殊物质中是沿曲线传播的 B、光在光纤中经多次反射从一端到达另一端 C、光在光纤中经多次折射从一端到达另一端 D、光在光纤中经多次反射和折射从一端到达另一端

10、小华参观展览会，在一个小展室里可见一个女导游在介绍商品，试着与她握手，却发现是一个虚拟导游，可望而不可及，发现这个导游只是在一个玻璃屏风后倒立的电视机屏幕上经过处理的一个形象而已。则这个玻璃屏风是一个_______镜，这个虚拟导游是_____像（填“虚”、“实”），电视机屏幕与屏风的距离应满足的条件是___________。

C、小黑斑是水星在太阳上形成的像 11、当太阳、水星、地球运行到一条直线上时，在地球 上可以观察到太阳上有一个小黑点在缓慢移动，这种 现象称为“水星凌日”，是难得的天文奇观。下列关于 该现象的几种说法，正确的是（ ） A、小黑斑是水星在太阳上形成的影子 B、小黑斑是由于水星挡住了太阳射向地球后部分光而 形成的 C、小黑斑是水星在太阳上形成的像 D、小黑斑是地球在太阳上形成的像

光的颜色 1、光是由7种颜 色的波组成的

光的颜色 1、人眼的视觉解析（三原色） 在前面的内容中，我们已经了解到色彩其实是由 可見光波波长和频率，而人的眼睛之所以对色彩 有反应？通过医学解剖发现，人的眼睛视网膜是 由两种不同的细胞所组成：『柱状 - ROD』细胞 负责感光，『锥状– cone』细胞负责感色。其中 锥状细胞有3种不同受体，即对红色（R）、绿色 （G）和蓝(B）色敏感。后來，這三色被定义为 三原色。

光的颜色 1、人眼的视觉解析（三原色） 视网膜细胞结构

光的颜色 颜色的表示方法（色度图） １、色调 ２、饱和度 ３、明亮度

从 RGB 到 HSV(HSB) 的转换: 从 HSV(HSB) 到 RGB 的转换:

光的颜色 色温 『色温』的概念，由19世级英国物理学家威 廉·汤姆逊·凯尔文（William Thomson Baron Kelvin 1824-1907）制定，方法为量测一黑 体（如低温铁块）不断升温后所呈现出的颜 色。此一概念的想法是热量（能量）以『光』 的形式释放出来时，不同温度高低将形成不 同的颜色。凯氏经过不断的实验发现，光源 颜色确实与该黑体所受之温度是对应的，因 此色温亦以凯尔文(K)为单位表示绝对温度高 低。 例子:在打铁的过程中，黑色的铁在火炉中逐 渐变成红色，或者火焰随着温度升高而变成 『青蓝色』（此所谓：炉火纯青）。色温的 应用在日常生活中是很广泛的，如日光灯与 钨丝灯照明颜色不同，在摄影及显微摄影中， 色温也是需要经常需要了解和注意的概念。

光现象 知识结构 光 的 发 生 光源 影的 形成 在同种 物质中 直线传播 (规律) 平 面 镜 改变光路 针孔 成象 光 现 象 光现象 知识结构 光 的 发 生 光源 影的 形成 在同种 物质中 直线传播 (规律) 平 面 镜 改变光路 针孔 成象 光 现 象 成象(规律) 光 的 传 播 反射 (定律) 应用 面镜 球 面 镜 凸面镜 发散光线 在两种 物质界面 凹面镜 会聚光线 会聚光线 凸透镜 成象(规律) 折射 (规律) 应用 透镜 凹透镜 眼球 折光 系统 及其 调节 发散光线 近视眼 成因预防及矫正 远视眼 矫正

2.2 光学系统

透镜分为了二类： 一类中间厚边缘薄的叫凸透镜 一类中间薄边缘厚的叫凹透镜

主光轴：透镜中连接两侧面球心的直线叫透镜的主光轴

光心：在透镜的主光轴上有个特殊的点经过它的光线传播方向不发生改变

凸透镜对平行于主光轴的平行光线行有会聚作用

焦点、焦距 焦点 焦距

凹透镜对平行于主光轴的平行光线行有发散的作用

虚焦距、虚焦点 虚焦点 虚焦距

理想光学系统 第一节 基本概念 理想光学系统：对任意大的空间范围，用任意宽的光 束都能得到完善像的光学系统。 理想光学系统物像关系：点对点、线对线、面对面。 （物像空间、有且仅有）

理想光学系统——实现同心光束变换的光学系统 1. 性质: (1) 物空间一个点对应像空间的一个点; (2) 物空间的一条直线对应于像空间的一条直线; (3) 物空间的一个平面对应于像空间的一个平面。 点—点 线—线 面—面 共轭性

共轴球面系统的成像特性（常用）： ①位于光轴上的物点，其对应的像也一定位于光轴上； ②物为垂直于光轴的线段时，其像也一定垂直于光轴； ③物为垂轴平面，则对应的像也一定是垂轴平面； ④位于光轴某一截面的物点，其对应的像点也一定位于这个平面内， 同时过光轴的任意截面的成像性质都是完全一样的； ⑤位于垂直于光轴的物体所对应的像，其几何形状物体完全相似， 也就是说在整个无平面上无论什么位置，物和像的大小之比始终 为常数。 理想光学系统可以由一个折射或反射面组成；也可以是k个折 射、反射球面（或平面）组成；还可以由几个理想光学系统组成， 只要满足共线成像关系。

第二节 理想光学系统的基点、基面 能表征光学系统特性的点、面称为基点、基面 1.焦点和焦平面 焦面：过焦点的垂轴平面。 第二节 理想光学系统的基点、基面 能表征光学系统特性的点、面称为基点、基面 1.焦点和焦平面 焦面：过焦点的垂轴平面。 （物方焦点、像方焦点、物方焦面、像方焦面）

系统焦点和焦面的特性： ①物方平行于光轴的入射光线，经过光学系统后，起出射光线必 定通过像方焦点F’与物方无限远的光轴上的一点共轭； ②通过物方焦点F入射的光线，经过系统后，在像空间其出射光线 必定平与光轴，即物方焦点与像方无限远光轴上一点共轭； ③一个光学系统的物方焦点F和像方F’焦点不是一对共轭点； ④自物方无限远的轴外点发出的入射光线，经光学系统后，在像 空间必定通过像方焦平面上轴外某一点； ⑤自物方焦平面上轴外点发出的入射光线，经光学系统后，其出 射光线应为一束与光轴有一定倾斜角的平行光束。

2、主点、主面和焦距 横向放大率为+1的一对共轭平面为光学系统的主面，主面与光 轴的交点成为主点。包括物方主点（面）和像方主点（面）。 将光线的多次实际偏折等效于在主平面上的一次偏折来代替。 自光学系统的物方主点到物方焦点的距离成为光学系统的物方焦 距，以f表示； ………………像方主点到像方焦点…………………………像方焦 距，以f’表示。 焦距的符号以主点为原点来确定。 光学系统的像方焦距f’›0时，称为正光组（或称会聚光组），像方焦距f’‹0时，称为负光组（或称为发散光组）。

当光学系统处于同种介质，，节点和主点重合 3、节点 节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。（物方节点，像方节点） 位置关系： 当光学系统处于同种介质，，节点和主点重合 性质：凡通过物方节点J入射的光线，其出射光线一定通过像方节点J’，其方向与入射光线平行

第三节 理想光学系统的成像 一、利用光学系统的基点、基面的性质，作图求像 1.平行光线法：将特征光线适用于主轴处物点 2.倾斜光线法：副轴：过焦平面和光心的直线物方焦平 面性质：

例1：已知焦点F、F’，主点H、H’，图中f’>0,求AB的像 Q Q’ B y F F’ H H’ A’ A -y’ B’ R R’ -x -f x’ -l l’

例2：已知焦点F、F’，主点H、H’，图中f’>0,求A的像。 R R’ B Q Q’ F F’ H H’ A’ A -x -f x’ -l l’

例3：已知焦点F、F’，主点H、H’，以及焦距f、f’图中f’<0,求AB的像 P’ B B’ R R’ M’ y y’ F’ F H H’ A A’ -f’ f

例4：已知焦点F、F’，主点H、H’，以及焦距f、f’图中f’>0,求虚物AB的像 P’ B M’ y R B’ R’ y’ H H’ A F A’ F’ -f f’

作图求像的基本规律： ①从物点发出的与光轴平行的入射光线，射向光学系统的方主面，利用主 面上横向放大率β=+1的性质，可以得到在像方主面上同侧等高的一点 为出射光线的出发点，出射光线从该点出发并且经像方焦点F’。 ②从物点发出的通过物方焦点F的入射光线（或入射光线的延长线通过物 方焦点和虚物点），利用平面上β=+1的性质，得到出射光线在像方主 面上的出发点，然后从该点出发并且平行于光轴出射。 ③若已知节点，也可以利用从物点发出并通过物方节点的入射光线，其出 射光线应从像方节点出发，并与入射光线平行。 ④上述三条特殊光线中，任意两条的出射光线的交点即为像点。 ⑤若物体为垂轴线段，则像也应是垂轴线段。若物体为任意线段，则应用 上述方法，求出线段两端的像点，则两像点构成的线段即为物体的像。