大学物理第十九章资料

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作业： 19－3 19－6
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d
n1 sin i n2 sin r
斯涅尔定律
光路可逆
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19-1几何光学的基本定律
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三、全反射（ Total Internal Reflection）
n1 n2
n1 sin i n2 sin r
ri
n1 sin c n2 sin 900
n2 c sin n1
大学物理甲 第十九章几何光学
王业伍yewuwang@ 浙江大学物理系
2018年10月23日
光学：研究光的本性、光的发射、传播和吸收
的规律，光和物质的相互作用。
光学的发展可分为三个阶段：几何光学、波动光学和 量子光学。现代光学的发展已经有许多分支：激光物理、 集成光学、傅立叶光学、纤维光学和非线性光学等。 几何光学：以光的直线传播性质为基础，研究光在透 明介质中的传播。 （第19章） 波动光学：以光的波动性质为基础，研究光的干涉、衍 射、偏振等现象。（第16、17、18章） 量子光学：以光的粒子性为基础，研究光和物质的相 互作用。 （第20章）
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光的本性
17世纪 牛顿----微粒说：按惯性直线运动的微粒流。 惠更斯----波动说：在特殊介质中传播的机械波。
19世纪
光的干涉、衍射和偏振
波动说 电磁波
爱因斯坦----光子说：具有波粒二象性的光量子。
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本章教学基本要求
1、了解费马原理 2、理解光学成像原理 3、理解薄透镜和其它光学器件的成像原理
S ' 18(cm)
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§ 19-4 薄透镜
薄透镜：由两个彼此紧靠的曲率半径相同的球形折 射面组成，厚度可以忽略。两球曲率中心的连线是 主光轴，有两个焦点。
一、正透镜和负透镜
正透镜、会聚透镜
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负透镜、发散透镜
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2018/10/219-2 反射成像 一、平面镜反射成像
虚像
S S'
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19-2 反射成像
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二、球面镜反射成像
光轴：球面顶点和曲率中心的连线。 傍轴（近轴）光线：与 光轴靠的很近的光线
P点发出的傍轴光线全部 反射到P’点成为P的像
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例 19.2
1 1 1 ' S1 S1 f
1 1 1 ' 18 S1 12.6
' S1 42cm
1 1 1 ' ' S2 S2 f 1 1 1 ' 16 S2 34
' S2 30.2cm
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§ 19-5 光学器件
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光纤
由两种同轴均匀透明介质组 成，内部是折射率为n1 的圆柱体 （芯线），外层是折射率为n2 的 1 n 2 c sin 圆筒（包线） 。芯线的折射率 n1 大于包线的折射率，当光线在芯 线和包线界面处的入射角大于临 界角，在芯线内发生全反射，使 光线由一端传输到另一端。
fo s1 m s1 fo
f o 25cm M m m fo fe
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三、望远镜
物镜第二焦点F2与目镜第一焦点F1′重合。远处物体的平 行光线经物镜在焦点F2处成倒立实像，经目镜后于无限 远处成倒立虚像。
角放大率
e fo M o fe
焦点
S , S' R/2 f
1 1 1 ' S S f
平面镜
R , S' S
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成像公式对凸面镜也成立:
1 1 2 ' S S R
19-2 反射成像
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符号规则
物距：物与入射光线在反射表面同侧，物距为正，反之为负。 像距：像与出射光线在反射表面同侧，像距为正，反之为负。 球面曲率半径R,焦距 f：曲率中心与出射光线在反射表面 同侧， R 和f为正，反之为负。 垂直于轴的线段：由 轴计起，在光轴之上 为正，在光轴之下为 负。
一、放大镜
凸透镜是最简单的放大镜，用于放大物对人眼的张角。 人眼的近点约在距眼睛25cm处——明视距离
y 25cm
y f
25cm 角放大率 m f
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二、显微镜
——可获得较大的放大率以观察微小物体的双会聚透镜系统。
其中物镜横向放大率 故有，显微镜放大率
19-2 反射成像
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作图法 横向放大率 从Q点发出的典型光线
• 平行光线 • 过焦点的光线 • 球心的光线 • 射到顶点的光线
这些光线汇聚到Q’
PQC 与 P'Q'C 相似
P 'Q' y ' S' m PQ y S
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参赛报名费30元/人，报名截止时间11月28日！
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§ 19-3 单球面折射成像
1 , 2 n1 sin 1 n2 sin 2
傍轴成像
n1 sin 1 n2 sin 2
n11 n2 2
l l l , , ' S R S
n1 n2 (n2 n1 )
n1 n2 n2 n1 ' S S R
符号规则与球面镜反射成像类似
19-3 单球面镜成像
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例 19.1
n1 n2 n2 n1 ' S S R 1.33 1.52 1.52 1.33 ' 9 S 3
（2）光线通过焦点F1，经透镜透射（凹面镜反射）后，透 射（反射）光平行于光轴。
（3）光线通过光心，经透镜透射（凹面镜反射）后，沿原 路直射（反射） 。
F2 F2 F1 F1
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对于多个透镜组成的近轴光具组，实物对于透镜 所成的像可以视为下一个透镜的物。如果该像位 于下一个透镜的物距为正的区域，其物距等于该 像到下一个透镜的距离；如果该像位于下一个透 镜的物距为负的区域，其物距须加上负号。有关 这个系统的成像处理，是先从离物最近的透镜开 始，按照上述符号规则逐级成像。
ndr 0
A
B
19-1几何光学的基本定律
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反射定律:
A i a i i’ i’ b B
l a 2 x 2 b 2 (d x) 2
x d
P
d-x

dl 0 dx x a x
2 2

dx b 2 (d x) 2
sin i sin i '
透镜工作在空 气或真空中
' S2 S1
1 n n 1 ' S1 S1 R1 n 1 1 n ' ' S1 S2 R2
书上132页 公式有误
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1 n n 1 ' S1 S1 R1 n 1 1 n ' ' S1 S2 R2
最后焦距表达式：

i i'
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19-1几何光学的基本定律
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折射定律:
A n1 n2 a i x P r b B i
l n1 a 2 x 2 n2 b 2 (d x ) 2 dl 0 dx n1x a2 x 2


n2 ( d x ) b 2 (d x) 2
1 1 1 1 ' (n 1)( ) S1 S2 R1 R2 1 1 1 1 ' (n 1)( ) S S R1 R2 1 1 1 (n 1)( ) f R1 R2
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四、薄透镜作图法
（1）光线平行于光轴，经透镜透射（凹面镜反射）后，透 射（反射）光经过焦点F2。
成虚像
19-2 反射成像
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由省物理学会与省物理教指委共同举办的第七届“2015年浙江 省大学生物理创新竞赛”（详细通知可以查看浙大本科生院通知 或浙江省物理学会网站－－)，理论竞 赛将于2015年12月12日（周六）上午8：30至11：30举行，根据 参加理论竞赛的人数和竞赛成绩评出一、二、三等奖。获奖比例 为参赛人数的5％、15％、30％，对获奖者颁发省级获奖证书！ 并可以申请第二课堂的相关学分! 根据关于上一届竞赛时全体大学物理任课教师会议讨论结果， 对参赛及获奖同学进行课程平时成绩的奖励，具体奖励办法：获 一、二、三等奖分别加6分、4分与3分，其它参赛同学根据比赛 成绩加0～2分，平时总成绩累计不超过30分。
光纤通讯：通讯容量大、能耗小、抗干扰性强、 频带宽、保密性好
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2009 年的诺贝尔物理学奖授予“光在纤维中的 传输以用于光学通信方面” 取得了突破性成就 的高锟以及发明了半导体成像器件 —— 电荷耦 合器件(CCD) 图像传感器的博伊尔和史密斯。 1965 年，经过无数实验研究，高锟发表一篇论文 提出：用玻璃纤维进行长距离信息传递，将带来 一场通讯事业的革命，并提出当玻璃纤维损耗率 下降到 20分贝 / 公里时，光纤通讯即可成功。他的 研究为人类进入光导新纪元打开了大门。