普通物理学第7版-12

*§12-1几何光学简介§12-2相干光§12-3双缝干涉§12-4光程与光程差§12-5薄膜干涉*§12-6迈克耳孙干涉仪§12-7光的衍射现象惠更斯–菲涅耳原理§12-8单缝的夫琅禾费衍射第十二章光学§12-9圆孔的夫琅禾费衍射光学仪器的分辨本领*§12-11X射线的衍射§12-12光的偏振状态§12-13起偏和检偏马吕斯定律§12-14反射和折射时光的偏振*§12-15光的双折射*§12-16偏振光的干涉人为双折射*§12-17旋光性*§12-18现代光学简介§12-10光栅衍射返回退出*§12-1几何光学简介一、光的传播规律•三条实验定律1.光的直线传播定律2.光的独立传播定律在均匀介质中，光沿直线传播。光在传播过程中与其他光束相遇时，各光束都各自独立传播，不改变其传播方向。3.光的反射定律和折射定律光入射到两种介质分界面时，一部分反射，另一部分折射。返回退出（1）共面性：（3）入射角i和折射角r满足折射定律：（2）反射角等于入射角：i=i'n21为第二种介质相对第一种介质的折射率2112sinsinnnnrin2n1ii'rrninsinsin21反射光线和折射光线都在入射光线和界面法线构成的平面内。返回退出在反射和入射定律中，光线如果沿反射和折射方向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向，即光路是可逆的。•光路可逆原理光在两点间传播的实际路径是光程（nl）为极值的路径。•费马（Fermat）原理极值BAlnd由费马原理可导出光的直线传播定律和反射定律和折射定律。在均匀介质中，两点间光程最短的路径是直线——光的直线传播定律。返回退出设光线从A点经P点反射后射向B点，其光程为2222)(xdbxal0)(2])([21)2()(21dd21222122xdxdbxxaxl2222)(xdbxdxaxiisinsin即ii——反射定律ABii'abxdP返回退出设光线从介质1中A点发出，经P点折射后进入介质2射向B点，其光程为PBnAPnl21222221)(xdbnxan0)(2])([21)2()(21dd2122221221xdxdbnxxanxl2222)(xdbxdxaxrninsinsin21——折射定律ABiabxdPrn1n2返回退出二、全反射当n1n2时，折射角大于入射角。当入射角增大到某一角度（ic）时，折射角等于90º，此时，折射光完全消失，入射光全部被反射，叫做全反射（totalreflection）。入射角i≥ic时，发生全反射。ic为全反射临界角由折射定律12carcsinnni水到空气:49ci玻璃到空气:42~30ci返回退出•按波动理论：第二种介质中有隐失波（evanescentwave）•光导纤维利用全反射使光线沿弯曲路径传播内层材料折射率约1.8外层材料折射率约1.4应用：光导通信、医学内窥镜等。讨论返回退出三、光在平面上的反射和折射1.平面镜返回退出2.三棱镜（prism）偏向角：)()(irriδ又riααriδ时，或riri产生最小偏向角min2sin)2sin(minαδαn色散（dispersion）：)(λnn主截面：垂直于棱边的平面。可以证明返回退出四、光在球面上的反射和折射顶点：O曲率中心：C曲率半径：r主光轴：CO物点：S像点：I物距：p像距：p'1.正负号法则a.以反射（或折射）面为界分两个区A区：光线发出的区B区：光线通过的区对反射镜，A、B区重合；对折射面和透镜，A、B区在表面的两侧。返回退出b.由A区决定的量物距p：物体在A区为正（实物）；物体在A区的对面为负（虚物）。c.由B区决定的量像距p'：像在B区为正（实像）；像在B区的对面为负（虚像）。曲率半径r：曲率中心在B区为正；曲率中心在B区的对面为负。焦距f：焦距在B区为正；焦距在B区的对面为负。返回退出2.球面反射的物像公式θφβθαφ由图φβα2又)(tanδphα)(tanδphβ)(tanδrhφ傍轴光线：、很小时rhφphβphα,,返回退出rpp2112rpp，平行于主光轴的光线会聚于球面的焦点F。傍轴光线近似2rffpp111（傍轴光线近似）焦距f焦平面返回退出横向放大率：ppSSIImppmm0正立像；m0倒立像。返回退出返回退出3.作图法三条特殊光线：(1)平行于主光轴的光线(2)通过曲率中心的光线(3)通过焦点（或延长线通过焦点）的光线作图：任意选取两条光线即可得到物像关系。fp2fp2f返回退出pf返回退出例12-1一曲率半径为20cm的凸面镜，产生一大小为物体1/4的像，求物体与像的距离。解：cm102202Rf41ppmfpp111cm5.7cm30pp物体与像的距离：cm0.37ppl返回退出4.光在球面上的折射rnnpnpn1221设n2n1βθφφαθ21,由折射定律：2211sinsinθnθn傍轴光线：、、、1、2很小2211θnθnφnnβnαn)(1221rhφphβphα,,且返回退出rnnpnpn1221傍轴光线球面折射物像公式：球面折射的横向放大率为pnpnm21上述两式同样适用于凹折射球面，但须注意正负号法则。返回退出rnnnf122像方焦点与像方焦距Ff返回退出物方焦点F与物方焦距frnnnf12112nnff返回退出5.共轴球面系统成像对于多个球面组成的共轴球面系统，其物像关系可以通过对每个球面依次运用成像公式来计算：第一个球面的像将作为第二个球面的物依此类推。注意：要考虑每个球面对应的各量的正负号法则。要注意一些特别情形，如图中P3点既是球面3的实像，又是球面4的虚物，对于虚物，物距应取负值。共轴球面系统的横向放大率为：321mmmm返回退出例12-2折射率为1.6的玻璃圆柱，长20cm，两端为半球面，曲率半径为2cm，若在离圆柱5cm的轴上有一光点，求像的位置和性质。解：设光点在圆柱左端，圆柱左端的折射面相当于凸球面。6.1,1cm,2cm,52111nnrp1121211rnnpnpncm161pI1点为实像返回退出圆柱右端的折射面相当于凹球面，I1为它的物点。1,6.1cm,2cm,4cm)1620(2122nnrp2122221rnnpnpncm102p负值表示最后成像于右端折射面的左侧I2点，为虚像。返回退出例12-3一玻璃圆球，半径为10cm，折射率为1.5，放在空气中，沿直径的轴上有一物点，离球面距离为100cm，求像的位置。解：设物点在球的左侧。5.1,1cm,10cm,1002111nnrp1121211rnnpnpncm5.371p返回退出对右侧球面，I1点为虚物。1,5.1cm10cm,5.17cm)205.37(2122nnrp2122221rnnpnpncm35.72p像距物点的距离为cm35.127221prpl返回退出五、薄透镜由两个折射曲面为界面组成的透明光具组称为透镜（lens）。凸透镜（会聚透镜）：双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜凹透镜（发散透镜）：双凹透镜、平凹透镜、凸凹透镜返回退出薄透镜（thinlens）：透镜的厚度远小于两球面的曲率半径。薄透镜的符号：O凸透镜凹透镜O返回退出1.傍轴光线条件下的薄透镜物像公式图中O点称为薄透镜的光心。设轴上物点S距光心p1，对第一折射面，有11111rnnpnpnn透镜材料的折射率。返回退出对第二折射面，有：22222rnnpnpn显然，有12pp22112211rnnrnnpnpn令：物距1pp像距2pp221121rnnrnnpnpn傍轴条件下的薄透镜物像公式返回退出22112rnnrnnnf,p物点位于物方焦点F，物方焦距为22111rnnrnnnf,p平行光束将会聚于像方焦点，像方焦距为F返回退出)11)(1(121rrnff若薄透镜处于空气中，则121nn磨镜者公式空气中薄透镜物像公式成为fpp111薄透镜的放大率：ppmmm21m0，为直立的像；m0，为倒立的像。透镜的光焦度：fP1单位：屈光度（D）通常眼镜的度数是屈光度的100倍。返回退出2.薄透镜成像的作图法三条特殊光线：(1)平行于光轴的光线(2)通过物方焦点的光线(3)（若物像两方折射率相等）通过光心的光线作图：任意选取两条光线作图，出射线的交点即为像点。返回退出例12-4一会聚透镜，两表面的曲率半径为r1=80cm，r2=36cm，玻璃的折射率为1.63，一高为2cm的物体放在透镜的左侧15cm处，求像的位置及大小。解：121cm025.0)11)(1(1rrnfcm,15pfpp111cm24p返回退出在光源同侧正立的虚像。放大率：6.1ppmcm2.3mhh像高：返回退出例12-5透镜1是会聚透镜，焦距为22cm，一物体放在透镜的左侧32cm处，透镜2是发散透镜，焦距为57cm，位于透镜1的右侧41cm处。两表面的曲率半径为r1=80cm，r2=36cm，求最后成像的位置并讨论像的性质。解：先求透镜1成的像cm22cm,3211fp111111fppcm701p透镜1的像位于透镜2的右侧(70﹣41)cm=29cm处返回退出对透镜2，透镜1的像是透镜2的虚物cm57cm,2922fp222111fppcm592p最后成像在透镜2右侧59cm处，为倒立的实像，大小是物体的4.5倍。放大率：5.4))((221121ppppmmm返回退出六、光学仪器1.眼睛•晶状体——全自动变焦镜头，呈双凸透镜。通过睫状肌调节曲率，物体成像在视网膜上。看远时，睫状肌放松；看近时，睫状肌收缩，晶状体曲率增大，焦距缩短。•远点和近点•明视距离：l0=25cm返回退出•视角：物体对眼睛中心的张角。•光线聚焦在视网膜之前称为近视眼；矫正：戴凹透镜的眼镜•聚焦在视网膜之后称为远视眼；矫正：戴凸透镜的眼镜返回退出2.放大镜焦距很短的会聚透镜，（明视距离）0lf物体（高h）放在明视距离处，00/lhθ放大镜的使用：物体放在放大镜和物方焦点之间靠近焦点处，则在明视距离处成一正立、放大的虚像，对眼所张的视角为fhθ/返回退出视角放大率：fflθθMcm2500一般，放大镜的放大率只有几倍，要获得更高的放大倍数，需采用复合透镜，如显微镜和望远镜中的目镜。返回退出3.显微镜物镜LO和目镜LE是两个短焦距的会聚透镜。物体放在物镜的物方焦点外侧附近，成像于目镜的物方焦点附近靠近目镜的一侧，通过目镜后成一放大倒立的虚像。返回退出显微镜的放大率：E0O21flfLMMML为物镜的像方焦点和目镜的物方焦点的距离，称为显微镜的光学筒长。fO与fE为物镜和目镜的焦距。返回退出4.望远镜望远镜的放大率：EOffθθM一般民用望远镜的物镜直径不大于25mm，放大率为10倍左右；哈勃望远镜的物镜直径为5m，放大率为2000倍以上。返回退出光源：发光的物体类型：·普通光源(自发辐射)·激光光源(受激辐射)热（辐射）光源非热辐射光源（冷光源）气体放电管、日光灯、萤火虫返回退出激发态寿命10-11～10-8s自发辐射产生一定频率、振动方向，长度有限的光波列原子的发光模型：E1E2基态激发态能级原子光波列tcxΔΔ普通光源如白炽灯、太阳大量原子和分子持续、随机地发射的光波列两个特点：间歇性、随机性§12-2相干光一、普通