大学物理-几何光学.pdf

光学
引言：光学的起源和光的本质

我国早在春秋时代《墨经》中记载了许多光学现象，
如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方
面长期在世界居于领先地位。

近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历
了几个时代：

古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）
十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立

以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线
飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解
释干涉、衍射、偏振1
惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质
中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。

托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）透过实验和进一
步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干
涉、衍射。
波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中
传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了
“以太”，但找不到。
十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言
电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波

的速度等于光速，认为光是电磁波。

科学家们认为光的本质研究已完成---光是一种电磁波

2
随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，
康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出
量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效
应。

目前关于光的本质（光是什么）只能讲：

光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。

3
光在某些条件下表现出粒子性，在另一些条件

下表现出波动性，而两种性质虽寓于同一体中，

却不能同时表现出来。

例如：

少女？

老妇？

两种图象寓于

同一幅画中；

但两种图象不会同时

出现在你的视觉中。

4
第16章几何光学
光学的理论体系
几何光学：以光的直线传播为基础，采用几何方法研究
光在透明介质中的传播问题。
其基础是光波长趋于零（<<a）
以光的波动性为基础，研究
波动光学：
光的传播及其规律。
物理光学
量子光学：以光和物质相互作用时所显示
出的粒子性为基础，研究光的
一系列规律。
非线性光学集成光学
现代光学信息光学
统计光学

激光光谱学……….
5
16.1几何光学的基本定理
一、直线传播定律
在均匀各向同性介质中，
光沿直线传播。
如：针孔成像就是光沿直
线传播的结果。

针孔成像
光阑

2009.7.22四川省遂宁市6
大英县观察到的日全食
2.光的独立传播定律：

来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持

原来的传播方向继续传播。

7
3、反射定律：
入射光线、反射面的法线和
反射光线三者处在同一平面上，
入射光线和反射光线分居于入射
点界面法线的两侧，入射角等于
反射角。

en
ii''
SiiR

界面


漫反射
光的反射

光路可逆性原理8
4、折射定律

入射光线、折射光线和分界

面的法线en三者同处在一个平面
上，入射角i和折射角有下述关
系：
sinin
2入射光线e
n21n
sinn1
i入射角
分界面n1

其中：n21称为介质2相对n2
于介质1的相对折射率折射角
折射光线

9
物质相对于真空的折射率称为绝对折射率（简称折射
率），其定义为：
c光在真空中的传播速度
n
v光在介质中的传播速度
两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的
传播速度小，称为光密介质；折射率小的介质，光在

其中的传播速度大，称为光疏介质。

n21v
n21
n12v
折射定律也可表示为：
n12sininsin

斯涅耳定律（）
Snell’sLaw10
5、全反射
n2
n12sininsin
当Ai
n1n2eni
有i
n1
临界角A：
相应于折射角为°的入射角。
90旋转反射镜
n2
sinA（n1＞n2）
n1

全反射：当入射角i大于临界角A时，将不会出现

折射光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。

11
全反射的应用

光导纤维的光路

内窥镜12
12
16.2共轴理想光学系统的成像
一、光程
光在均匀介质走过的几何路程r与
介质折射率n之乘积。用l表示。即：l=nr
光程的物理意义：表示光在介质中通过真实路程所需时
间内,在真空中所能传播的路程。
介质中：
r
折合到真空中：
nr

n
S

光程LSnds13
二、费马原理
光从一点传播到另一点将循着这样
一条路径，光沿所需要时间为极值（可
以是极大值、极小值，也可以是常量）
的路径传播。
即：光沿着光程为极值的路径传播。
1
所用时间为：tnds
cS
时间t有极值的条件是:
1
δtδ[nds]0或δLδ[nds]0
cSS

14
光线沿光程为平稳值的路径而传播