高中物理光学讲座

1.4、光在球面上的反射与折射1.4.1、球面镜成像（1）球面镜的焦距球面镜的反射仍遵从反射定律，法线是球面的半径。一束近主轴的平行光线，经凹镜反射后将会聚于主轴上一点F（图1-4-1），这F点称为凹镜的焦点。一束近主轴的平行光线经凸面镜反射后将发散，反向延长可会聚于主轴上一点F（图1-4-2），这F点称为凸镜的虚焦点。焦点F到镜面顶点O之间的距离叫做球面镜的焦距f。可以证明，球面镜焦距f等于球面半径R的一半，即2Rf（2）球面镜成像公式根据反射定律可以推导出球面镜的成像公式。下面以凹镜为例来推导：（如图1-4-3所示）设在凹镜的主轴上有一个物体S，由S发出的射向凹镜的光线镜面A点反射后与主轴交于S点，半径CA为反射的法线，S即S的像。根据反射定律，ACSSAC，则CA为SSA角A的平分线，根据角平分线的性质有CFO图1-4-1图1-4-2SCCSSAAS①由为SA为近轴光线，所以OSSA，SOAS，①式可改写为SCCSSOOS②②式中OS叫物距u，SO叫像距v，设凹镜焦距为f，则fuOCOSCS2fSOOCSC2代入①式ffuu22化简fu111这个公式同样适用于凸镜。使用球面镜的成像公式时要注意：凹镜焦距f取正，凸镜焦距f取负；实物u取正，虚物u取负；实像v为正，虚像v为负。fu111上式是球面镜成像公式。它适用于凹面镜成像和凸面镜成像，各量符号遵循“实取正，虚取负”的原则。凸面镜的焦点是虚的，因此焦距为负值。在成像中，像长和物长h之比为成像放大率，用m表示，uhhm由成像公式和放大率关系式可以讨论球面镜成像情况，对于凹镜，如表Ⅰ所列；对于凸镜，如表Ⅱ所列。表Ⅰ凹镜成像情况物的性质物的位置像的位置像的大小像的正倒像的虚实实物同侧f缩小倒实～2f同侧f～2f缩小倒实2f同侧2f等大倒实2f～f同侧f～2f放大倒实f放大f～0异侧～0放大正虚虚物异侧0～f缩小正实表Ⅱ凸镜成像情况物的性质物的位置像的位置像的大小像的正倒像的性质实物f～同侧0～f缩小正虚虚物～2f同侧f～2f缩小倒虚2f同侧2f等大倒虚f～2f同侧～2f放大倒虚ff～0异侧～0放大正实（3）球面镜多次成像球面镜多次成像原则：只要多次运用球面镜成像公式即可，但有时前一个球面镜反射的光线尚未成像便又遇上了后一个球面镜，此时就要引进虚像的概念。如图1-4-4所示，半径为R的凸镜和凹镜主轴相互重合放置，两镜顶点O1、O2相距2.6R，现于主轴上距凹镜顶点O1为0.6R处放一点光源S。设点光源的像只能直接射到凹镜上，问S经凹镜和凸镜各反射一次后所成的像在何处？1OS2S1S2O图1-4-4S在凹镜中成像，Ru6.01，Rf211111111fuRR216.011可解得R31ROO6.221,根据题意：所以凹镜反射的光线尚未成像便已又被凸镜反射，此时可将凹镜原来要成像1S作为凸镜的虚物来处理，RRRu4.0)36.2(2，22Rf222111fuRR214.012可解得R22说明凸镜所成的像2S和S在同一位置上。1.4.2、球面折射成像（1）球面折射成像公式（a）单介质球面折射成像如图1-4-5所示，如果球面左、右方的折射率分别为1和n，S为S的像。因为i、r均很小，行以nririsinsin①因为i，r代入①式可有)(nr②对近轴光线来说，α、θ、β同样很小，所以有ux，Rx，x代入②式可得Rnnu11iuSO1rvnCS图1-4-5当u时的v是焦距f，所以nnRf1（b）双介质球面折射成像如图1-4-6所示，球形折射面两侧的介质折射率分别n1和n2，C是球心，O是顶点，球面曲率半径为R，S是物点，S是像点，对于近轴光线2211inin1i，2i，uA0，RA0，vA0联立上式解得rnnvnun1221这是球面折射的成像公式，式中u、υ的符号同样遵循“实正虚负”的法则，对于R；则当球心C在出射光的一个侧，（凸面朝向入射光）时为正，当球心C在入射光的一侧（凹面朝向入射光）时为负。若引入焦点和焦距概念，则当入射光为平行于主轴的平行光（u=∝）时，出射光（或其反向延长线）的交点即为第二焦点，（也称像方焦点），此时像距2i2iO图1-4-6即是第二焦距2f，有1222nnRnf。当出射光为平行光时，入射光（或其延长线）的交点即第一焦点（即物方焦点），这时物距即为第一焦距1f，有1211nnRnf，将1f、2f代入成像公式改写成121ufuf反射定律可以看成折射定律在12nn时的物倒，因此，球面镜的反射成像公式可以从球面镜折射成像公式中得到，由于反射光的行进方向逆转，像距υ和球面半径R的正负规定应与折射时相反，在上述公式中令12nn，，RR，即可得到球面镜反射成像公式Ru211，对于凹面镜0R，221Rff，对于凸面镜0R，221Rff，厚透镜成像。（C）厚透镜折射成像设构成厚透镜材料的折射率为n，物方介质的折射率为1n，像方介质的折射率为2n，前后两边球面的曲率半径依次为1r和2r，透镜的厚度为too，当物点在主轴上的P点时，物距OPu，现在来计算像点P的像距。POS，首先考虑第一个球面AOB对入射光的折射，这时假定第二个球面AOB不存在，并认为球AOB右边，都为折射率等于n的介质充满，在这种情况下，P点的像将成在P处，其像距PO，然后再考虑光线在第二个球面的折射，对于这个球面来说，P便是虚物。图1-4-71hAPPOO1r2ruuut因此对于球面AOB，物像公式为1112rnnunvn对于球面AOB，物像公式为222rnntunvn这样就可以用二个球面的成像法来求得透镜成像的像距u。（2）光焦度折射成像右端仅与介质的折射率及球面的曲率半径有关，因而对于一定的介质及一定形状的表面来说是一个不变量，我们定义此量为光焦度，用φ表示：rnn它表征单折射球面对入射平行光束的屈折本领。φ的数值越大，平行光束折得越厉害；φ＞0时，屈折是会聚性的；φ＜0时，屈折是发散性的。φ=0时，对应于r，即为平面折射。这时，沿轴平行光束经折射后仍是沿轴平行光束，不出现屈折现象。光焦度的单位是[米-1]，或称[屈光度]，将其数值乘以100，就是通常所说的眼镜片的“度数”。hiiu2C60cm30cm图1-4-8（3）镀银透镜与面镜的等效有一薄平凸透镜，凸面曲率半径R=30cm，已知在近轴光线时：若将此透镜的平面镀银，其作用等于一个焦距是30cm的凹面镜；若将此透镜的凸面镀银，其作用也等同于一个凹面镜，其其等效焦距。当透镜的平面镀银时，其作用等同于焦距是30cm的凹面镜，即这时透镜等效面曲率半径为60cm的球面反射镜。由凹面镜的成像性质，当物点置于等效曲率中心时任一近轴光线经凸面折射，再经平面反射后将沿原路返回，再经凸面折射后，光线过点，物像重合。如图1-4-8所示。ini，iui，iun1。依题意，60hu，30hi，故5.1n。凸面镀银，光路如图1-4-9所示。关键寻找等效曲率中心，通过凸面上任一点A作一垂直于球面指向曲率中心C的光线。此光线经平面折射后交至光轴于BC，令rOCB则ini，Rhi，rhi，得cmnRr20。由光的可逆性原理知，BC是等效凹面镜的曲率中心，f=10cm。例1、如图1-4-10所示，一个双凸薄透镜的两个球面的曲率半径均为r，透镜的折射率为n，考察由透镜后表面反射所形成的实像。试问物放于何处，可使反射像与物位于同一竖直平面内（不考虑多重反射）。解:从物点发出的光经透镜前表面（即左表面）反射后形成虚像，不合题意，无须考虑。ihhiCBCA图1-4-9物像图1-4-10从物点发出的光经透镜前表面折射后，再经透镜后表面反射折回，又经前表面折射共三次成像，最后是实像，符合题意。利用球面折射成像公式和球面反射成像公式，结合物与像共面的要求。就可求解。球面反射的成像公式为：fvu111，其中反射面的焦距为2Rf（R为球面半径），对凹面镜，f取正值，对凸面镜，f取负值。球面折射的成像公式为：Rnnvnun1)(2121。当入射光从顶点射向球心时，R取正值，当入射光从球心射向顶点时，R取负值。如图1-4-11甲所示，当物点Q发出的光经透镜前表面折射后成像于Q，设物距为u，像距为v，根据球面折射成像公式：Rnnvnun1)(2121这里空气的折射率11n，透镜介质的折射率nn2，入射光从顶点射向球心，R=r取正值，所以有rnvnu11（1）uvQQn1图1-4-11甲这是第一次成像。对凸透镜的后表面来说，物点Q经透镜前表面折射所成的风点Q是它的物点，其物距vu1（是虚物），经透镜后表面反射后成像于1Q，像距为1v（如图1-4-11乙所示），由球面反射成像公式rfvu2111211将前面数据代入得rvv2111（2）这是第二次成像。由透镜后表面反射成的像点1Q又作为透镜前表面折射成像的物点2Q，其物距12vu（是虚物），再经过透镜前表面折射成像于2Q，像距为2v，1u11vu1Q)(Qn11Q图1-4-11乙2P12PPn12Q)(12QQ图1-4-11丙（见图1-4-11丙所示），再由球面折射成像公式Rnnvnun1)(2121这时人射光一侧折射率，折射光一侧折射率(是空气），入射光由球心射向顶点，故R值取负值。所以可写出rnvun1)1(122代入前面得到的关系可得rnvun1121（3）这是第三次成像，由（1）、（2）两式可解得rnvnu1311（4）再把（4）式和（3）式相加，可得rnvu)12(2112（5）为使物点Q与像点2Q在同一竖直平面内，这就要求12vu代入（5）是可解得物距为12nru说明由本题可见，观察反射像，调整物距，使反射像与物同在同一竖直平面内，测出物距P，根据上式就可利用已知的透镜折射率n求出透镜球面的半径r，或反过来由已咋的球面半径r求出透镜的折射率n。例2、显微镜物镜组中常配有如图1-4-12所示的透镜，它的表面是球面，左表面1S的球心为1C，半径为1R，右表面2S的球心为2C，半径为2R，透镜玻璃对于空气的折射率为n，两球心间的距离为nRCC221。在使用时，被观察的物位于1C处，试证明1、从物射向此透镜的光线，经透镜折射后，所有出射光线均相交于一点Q。2、22nRQC。解:首先考虑1S面上的折射，由于物在球心处，全部入射光线无折射地通过1S面，所以对2S来说，物点就在1C处。再考虑到2S面上的折射。设入射光线与主轴的夹角为θ，入射点为P，入射角为i，折射角为r，折射线的延长线与主轴的交点为Q如图1-4-13，则由折射定律知1C2C1S2S透镜主轴图1-4-12inrsinsin在PCC21中应用正弦定理得sinsin221PCiCC已知nRCC221由此得sinsin/22RinRrinsinsinsin所以r设CP与主轴的夹角为α，则有iri显然，θ≠0时，r＜α，因此出射线与主轴相交之点Q必在透镜左方。θ为PQC1的外角iirrQPC)(.1在PQC2中应用正弦定理，得O1C2Cir图1-4-13sinsin22RrQC222sinsinnRirRQC2QC的数值与θ无关，由此可见，所有出射线的延长线都交于同一点，且此点与2C的距离为2nR。例3、有一薄透镜如图1-4-14，1S面是旋转椭球面（椭圆绕长轴旋转而成的曲面），其焦点为1F和2F；2S面是球面，其球心C与2F重合。已知此透镜放在空气中时能