第三章 光线力学
大学物理(第三版)光学第3章
光学平板玻璃
待测平面
b
a
h
ek
e k 1
e
h
a b
e k : k级条纹对应的正常空气膜厚度
由相似三角形关系
h e a b
e k 1 : k+1级条纹对应的正常空气膜厚度
b是条纹间隔 a是条纹弯曲深度 e 表示相邻两条纹对应的空气膜厚度差
h 为纹路深度
对空气膜 e / 2 a h 则 2b
2.光程差
光程差为两束光的光程之差。
L 2 - L1
3.光程差与相位差的关系
光程差每变化一个波长,相位差变化 2 光程差为 ,相位差为 ; 光程差与相位差的关系为:
2
则相位差为: 2
四 、干涉加强减弱条件 两束单色光相干时,光程差满足:
高能级E2 低能级E1 光子
注意
1.原子发光是断续的、随机的,每次发光持 续约10-8秒。产生长度有限的一个波列。 2.各原子发光相互独立,振动方向和初相各不 相同,各波列之间不相干。
两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象, 即使是同一个单色光源的两部分发出的光,也 不能产生干涉。
无干涉现象
1. 普通光源:自发辐射
2 n 2 d cos r
2 k
( k 1 ,2 )
加强
第四节 等厚干涉 劈尖、牛顿环
等厚干涉:在同一干涉条纹下薄膜厚度相 同。
一、劈尖 用单色平行光垂 直照射玻璃劈尖,由 于在同条纹下的薄膜 厚度相同,形成干涉 条纹为平行于劈棱的 一系列等厚干涉条纹。
很小
一束光线经过介质薄膜的反射与折射, 形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅 法。如薄膜干涉、等厚干涉等。
最新【物理课件】第三章 几何光学PPT课件
n1 x x1 2 y12 n2 x2 x2 y22
由费马原理有:
d n1x x1 n2 x2 x 0
dx
x x1 2 y12
x2 x2 y22
x x1 0 必有x2 x 0 x2 x
故 : x1 x x2 即: 折射线、 入射线分居法线两侧
Y
Ax1, y1
同理:也可证 明反射定律。
n1 A 'C AC
n 2 CB CB
'
n1 sin
i1 n 2 sin
i2
0
n 2 sin i2 n 2 sin i1
由于反射、折射定律是实 验定律,是公认的正确的 结论,所以,费马原理是
Y
Ax1, y1
M
O n1 A’
i1 Cx,0 B‘
i2
P O’ X
正确的。
Z
若光线实际发自于某点,则称该点为实发光点;
若某点为诸光线反向延长线的交点,则该点称为虚发光点。
2、单心光束:只有一个交点的光束,亦称同心光束。
该唯一的交点称为光束的顶点。
发散单心光束
会聚单心光束
3、实像、虚像
• 当顶点为光束的发出点时,该顶点称为光源、物点。
• 当单心光束经折射或反射后,仍能找到一个顶点,称光束保持了其
n2
B x2,y2
§3.3 单心光束 实像和虚像
成像问题是几何光学研究的主要问题之 一。光学元件质量的高低是 以成像质量来衡量的。为学习研究成像规律,首先介绍几个基本概念。
一、单心光束、实像、虚像
1、发光点:只有几何位置而没有大小的发射光束的光源。
它也是一个抽象概念,一个理想模型,有助于描述物和像的 性质。点光源就是一个发光点。
光线方程
物质方程为
r r D = εE r r B = µH
由于光纤为无磁性介质,所以µ= µ0 µ 考虑到 所以
∂ = iω ∂t
r r r −ik φ ∇ × E = −iωµH = −ik 0 cµ 0 H 0 e 0 r r r −ik φ ∇ × H = iωµE = ik 0 cεE0 e 0
设光波在各向同性介质中 传播,坡印亭矢量S和k同 方向,令s为光纤上某一 点量起的弧长,ds为光线 上一微分段,r为光线上任 一点的矢径,则光线上任 一点的切线方向的单位矢 单位矢 量为
r r dr τ = ds
由于τ垂直于等相面,所以应与∇φ(r)平 τ 行,由程函方程得
∇φ ( r ) τ = n( r ) r
光线方程
根据折射率分布,可由程函方程求出光程函数, 光程函数, 光程函数 进而由φ(r)=常数 常数,确定等相位面。于是光线轨迹 常数 就可确定了。但程函方程不能直接确定 不能直接确定光线轨迹 不能直接确定 的数学表达式,可以从光线轨迹的微分方程来解 决这个问题。
各向同性介 质中光线轨 迹的示意图
程函方程
• 在几何光学中,光线 光线定义为等相面的法线,光 光线 线有时也称为射线,其方向为光的传播方向, 射线的长短称为光程,用φ(r)表示 射线的长短称为光程
φ (r ) = ∫ n(r )ds
令(r,t)表示时空坐标,则电场和磁场的表达式为
r r i ( ωt − k φ ) 0 E = E0 e r r i ( ωt − k φ ) 0 H = H 0e
表明,∇φ,E0,H0互相垂直,所以
r E0 • ∇ φ = 0
(∇φ ) = c εµ 0 =
2 2
1
ε 0 µ0
物理光学与应用光学第三章PPT课件
空气平板出射d n 面G的光线投射高度h2
B dF D
•再从G点以d后n 的光路全部加l上轴向平 移量 l(11)d ,即可得到实际光路。
n
AE
G
B dd n F
.
第三节 反射棱镜
反射镜可以改变光轴方向,减小长度,转像、倒像等。但
1、镀膜,不耐久 2、光能损失 3、装校不便。
一、反射棱镜的类型
反射棱镜:把多个反射面做在同一块光学材料(如玻璃) 上的光学零件。
.
第一节 平面镜成像
平面镜 —— 唯一能成完善像的光学元件
A
N
B
B1
A
P
Q
P
Q
O
O1
A
(a)实物—— 虚像
A
(b)虚物—— 实像
.
3
一、平面镜成像
球 面 镜 成 像 :112 l l r
r
l l
1
★ 性质分析: 物像相对于平面镜对称分布、虚实相反。
.
采 用
y
P
右
手
坐 标
z
x
O
法
则
Q
y'
x'
.
二、平行平板的“等效空气层” 1)近轴光线(I较小)
S
A EC
sA E
P
H
G
P G
B dF D
dn
l
B dd n F
A
平行平板玻璃的折射
l' d1 1 n
等效空气层
dd n
.
凡在光路中有平行平板玻璃(如反射棱镜)时
•首S先用厚A度为
dE n
的C等效空气平板
取代厚度为d的平板玻H璃,算出等效
经典光线力学与量子光线力学
经典光线力学与量子光线力学1.经典光线力学根据费马原理()21,,p p n x y z ds =⎰极值 (1)采用直角坐标系描述光传输线元ds =z 轴传输。
这样有关系式:ds =。
其中,','dx dy x y dz dz==。
传输介质折射率为n 。
将ds 带入费马原理公式之中,可以得到:()21,,',',p p L x y x y z dz =⎰极值 (2)其中()(,,',',,,L x y x y z n x y z =(2)式与经典力学中的哈密顿最小作用原理形式上相同。
区别只是在用dz 代替了dt 。
(2)式称为经典光线力学的哈密顿最小作用原理。
为了建立光线力学的哈密顿方程,引入广义坐标和广义动量: ,''x y dL dL P P dx dy ==。
(3) 定义光线力学的哈密顿函数为(),,,''x y x y H x y P P P x P y L =+- (4) 这样可以建立光线哈密顿正则方程:x y dx H dz P dy H dz P ∂⎧=⎪∂⎪⎨∂⎪=⎪∂⎩,x y dP H dz x dP H dz y ∂⎧=⎪∂⎪⎨∂⎪=⎪∂⎩。
(5) 求得哈密顿函数为H = (6) 这个函数恰好与静止质量0m 的粒子的相对论能量E = (7) 相似。
考虑到近轴条件'1,'1x y ,或,x y P P n ,通过级数展开(6)式简化为2202x y P P H n n +=- (8)比较 2222x y z P P P H V m ++=+ (9) 十分相似。
可见在光线力学中与质点力学中的非相对论近似相应的理论是旁轴近似理论。
比较(8)和(9)式可以看到光线力学比质点力学低了一维。
粒子势能V 为折射率n 所替代。
在旁轴条件下折射率可以表示为0n n n =-∆,带入(8)式则连势能项的符号都一致。
中考物理光力学知识点解析
中考物理光力学知识点解析
中考复习最忌心浮气躁,急于求成。
指导复习的教师,应给学生一种乐观、镇定、自信的精神面貌。
要扎扎实实地复习,一步一步地前进,下文为大家准备了中考物理光力学知识点解析。
弹力定义:发生形变的物体由于要恢复原状对跟它接触的物体会产生力的作用,这种力叫弹力。
1)形变:物体的形状或体积的改变,叫做形变。
①任何物体都能发生形变,不过有的形变比拟明显,有的形变及其微小。
②弹性形变:撤去外力后能恢复原状的形变,叫做弹性形变,简称形变。
2)弹力:发生形变的物体由于要恢复原状对跟它接触的物体会产生力的作用,这种力叫弹力。
①弹力产生的条件:接触;弹性形变。
②弹力是一种接触力,必存在于接触的物体间,作用点为接触点。
③弹力必须产生在同时形变的两物体间。
④弹力与弹性形变同时产生同时消失。
3)弹力的方向:与作用在物体上使物体发生形变的外力方向相反。
4)大小:弹簧在弹性限度内遵循胡克定律F=kx,k是劲度系数,表示弹簧本身的一种属性,k仅与弹簧的材料、粗细、长度有关,而与运动状态、所处位置无关。
物体的弹力应根据运动情况,利用平衡条件或运动学规律计算。
希望这篇中考物理光力学知识点解析,可以帮助更好的迎接即将到来的考试!。
光力学中的光学力学效应探索
光力学中的光学力学效应探索光力学(optomechanics)是指光与物质之间相互作用的领域,研究光入射到物质中后所产生的力学效应。
光学力学效应涵盖了一系列现象,如光致发声效应、光致振动效应、光压效应等。
本文将探索光力学中的光学力学效应,深入分析其物理原理、应用以及最新的研究进展。
1. 光致发声效应光致发声效应是指当光照射到物质表面时,由于光的吸收或反射,物质表面会产生声音。
这一现象的产生可以通过热传导引起的瞬时膨胀来解释。
当光能被物质吸收时,光子能量会转化为物质内部的热能,导致局部温度升高。
由于物质的热膨胀系数不一致,会导致局部区域的膨胀或收缩,从而产生声波。
2. 光致振动效应光致振动效应是指当光束入射到介质中时,由于光在介质中的传播速度和介质的折射率变化,产生了机械振动效应。
这一效应主要通过光压效应来解释。
光压是指光对物体施加的压力,当光束照射到物体上时,光的动量被传递给物体,导致物体产生微小的运动和振动。
光致振动效应在科学研究和工程应用中有着广泛的应用。
例如,在超精密测量中,通过测量物体在光照射下的微小振动,可以得到非常精确的位移和形变信息。
此外,在光学陷阱和操控领域,利用光致振动效应可以对微米级尺寸的物体进行精确操控。
这些应用为相关领域的发展提供了新的思路和方法。
3. 光压效应光压作为光学力学效应中的重要现象,是指光对物体表面施加的力,其大小与光的光强、入射角等因素有关。
光压效应广泛存在于天文学、光学工程、光化学等领域。
典型的光压效应包括光敏催化反应、光动力学效应等。
光压效应在天文学中有着重要的应用,例如光压效应可以解释彗星尾巴的形成机制。
当彗星靠近太阳时,由于太阳辐射的光压效应,彗星尾巴的物质被推离,并形成漂亮的尾巴。
此外,在光学工程领域,光压效应可以应用于精确定位和操控微米级尺寸的物体。
最新的研究进展显示,通过探索新的光学材料和改进现有光力学装置的设计,光学力学效应的研究正朝着更高效、更精确的方向发展。
光力学原理及测试技术
光力学原理及测试技术
哎呀呀,要说光力学原理及测试技术啊,这可真不是个能轻松说清楚的事儿呢!就说我那次去参观科技馆吧,那里面有个关于光力学的展示区域。
我一进去呀,就看到各种奇奇怪怪的仪器和装置。
有个东西,它上面有个小镜子,还有一束光打在上面。
我就在那琢磨,这是干啥的呀?后来听讲解员说,这就是在演示光力学原理呢!我当时就想,哇塞,原来光还能这么玩呢!然后我就凑近了仔细看,看着那束光在镜子上反射来反射去,感觉好神奇呀!讲解员还说可以通过一些测试技术来测量光的各种参数啥的,我虽然听不太懂,但就觉得好厉害的样子。
我在那看了好久,越看越觉得光力学真的好有意思。
虽然我对那些专业的知识还是一知半解的,但就是被这种神奇的现象给吸引住了。
从那以后呀,我每次想到光力学,就会想起那次在科技馆看到的场景,真的是让我印象深刻呢!
嘿嘿,这就是我关于光力学原理及测试技术的一次体验啦,虽然我讲得不太专业,但真的是我亲身经历的呢!。
光线力学书籍
光线力学书籍Title: Light Mechanics TextbookChapter 1: Introduction to Light Mechanics1.1 Definition and scope of light mechanicsLight mechanics is a branch of physics that deals with the study of light and its interactions with matter.It encompasses various phenomena such as reflection, refraction, absorption, and emission of light.This chapter provides an overview of the basic concepts and principles underlying light mechanics.1.2 The nature of lightLight can be defined as a form of electromagnetic radiation that is visible to the human eye.It consists of photons, which are particles of energy.The properties of light, such as its color, intensity, and polarization, can be explained by the wave-particle duality of light.1.3 Photon and light propagationA photon is a quanta of light or electromagnetic radiation.It is a massless particle that travels at the speed of light in a vacuum, which is approximately 299,792 kilometers per second.The propagation of light can be described as the wave motion of the electromagnetic field.Chapter 2: Reflection and Refraction2.1 Reflection of lightReflection is the bouncing back of light when it strikes a smooth surface.The angle of incidence, which is the angle between the incident light and the normal to the surface, is equal to the angle of reflection, which is the angle between the reflected light and the normal to the surface.2.2 Refraction of lightRefraction is the bending of light as it passes from one medium to another with a different refractive index.The refractive index is a measure of how much the speed of light changes when passing through a medium.The phenomenon of refraction can be explained using Snell"s law.Chapter 3: Absorption and Emission of Light3.1 Absorption of lightAbsorption occurs when light is absorbed by a material and converted into another form of energy, such as heat or electricity.The absorption of light can be described by the absorption spectrum, which shows the amount of light absorbed at different wavelengths.3.2 Emission of lightEmission occurs when a material emits light as a result of its internal energy being converted into electromagnetic radiation.The emission of light can be described by the emission spectrum, which shows the wavelengths of light emitted by a material.Chapter 4: Polarization of Light4.1 Definition and types of polarizationPolarization refers to the orientation of the electric field vector of a light wave.Linearly polarized light has its electric field vector oscillating in a single plane, while circularly polarized light has its electric field vector oscillating in a circle.4.2 Polarization filters and polarizersPolarization filters and polarizers are devices that can selectively block or transmit light waves based on their polarization.Polarizers are commonly used in photography and sunglasses to reduce glare and increase contrast.Chapter 5: Applications of Light Mechanics5.1 Optics and optical devicesOptics is the branch of physics that deals with the study of light and its applications.Optical devices, such as lenses, mirrors, and telescopes, are used in various fields, including astronomy, medicine, and telecommunications.5.2 Photovoltaic cells and solar energyPhotovoltaic cells, also known as solar cells, convert sunlight into electricity.They are used in solar panels to generate renewable energy.The principles of light mechanics play a crucial role in the efficiency and functionality of photovoltaic cells.5.3激光技术激光是一种高度集中的光束,具有广泛的应用领域,如切割、焊接、医疗手术、通信等。
第三章 几何光学--------大学物理
·B 由两点之间直线最短这一几何公理知,光线
必沿直线传播。
·
A
光的直线传播定律是费马原理的直接结果。
六安市长安小学
2、反射定律
·A
·B
n1
i1 i2
E
n2 D’ D
B’
ADB= AD + DB= AD + DB’= ADB’
给定点A和B: 光路ADB遵守反射定律 光路AD’B不遵守反射定律
从B点向分界面引垂线BEB’ 令 B’E= BE DB= DB’ , D’B= D’B’
§3—1 几个基本概念 费马原理
一、光线与波面
光线的概念 波面的概念
在各向同性介质中的关系
光线 波面
六安市长安小学
球面波
平面波
二、几何光学的基本实验定律 1、光在均匀介质中的直线传播定律 2、光通过两种介质界面时的反射定律和折射定律 3、光的独立传播定律和光路可逆原理
六安市长安小学
三 费马原理
无论对于凹球面还是凸球面,无论S、S’、f’的数值大小、是正的还是 负的,只要在近轴光线的条件下,上式都是球面反射成像的基本公式。
二、 球面反射对光束单心性的破坏 在右图中,从点光源P发出的光波在凹 球面镜上A点反射, 在P’点与主轴相交。 通过计算PAP’的光程,然后应用费马原 理可得到如下公式:
六安市长安小学
1 1 1 (s' s) l' l r l' l
显然S’将随着所取入射线的倾斜角u(亦即 角)的变化而变化。这就是说,从物点发出的 单心光束经球面反射后,将不再保持单心性!
费马原理:光在指定的两点之间传播,光沿光程为最大、 最小或恒定的路程传播。(光程---教材P15页)
物理光学第三章 梁铨廷
I
4I0
cos2 ( )
2
4I0
2 cos2 (
2
)
4I0
c os2
r2
r1
对于整个屏幕,当一些点满足 m 时,I 4I0 为光强最大值。
当一些点满足 m 1 时,I 0 为光强最小值。
2
其余点的光强在0和4I0之间。
3.4.1 光源大小的影响
第三章 光的干涉和干涉仪
当光源为理想的点光源时,产生的干涉条纹中暗条纹的强度 为零,所以K=1,条纹对比度最好。 但实际光源不可能是一个单一发光点,它是很多发光点的集 合体,每一个点光源都会形成一对相干光源,产生一组干涉条 纹。
由于各点光源位置不同,形成的干涉条纹位置也不同,干涉 场中总的干涉条纹是所有干涉条纹的非相干叠加。
IM、Im分别是条纹光强的极大值和极小值。
从定义式来看,条纹的对比度与亮暗条纹的相对光强有关。 当Im=0时,K=1,对比度最好,称为完全相干; 当IM= Im时,K=0,条纹完全消失,为非相干。 条纹的对比度取决于以下三个因素: 光源大小、光源的非单色性、两相干光波的振幅比。
3.4.3 两相干光波振幅比的影响
记此时的扩展光源宽度为临界宽度bc(=2a)。
3.4.1 光源大小的影响
第三章 光的干涉和干涉仪
1 光源的临界宽度
d / 2 bc / 2
l2
l1
l
l1
l2
bc 2
d 2
1
bc d
2l
S `S 2
S `S1
物理光学 第三章
第三章 高斯光束基本理论激光由于其良好的方向性、单色性、相干性和高亮度在军事中在已经有了很多应用,激光器发出的光束是满足高斯分布的,因而本章将对高斯光束的基本特性和一些参数进行简单地理论描述。
高斯光束及基本参数激光器产生的光束是高斯光束。
高斯光束依据激光腔结构和工作条件不同,可以分为基模高斯光束、厄米分布高阶模高斯分布、拉盖尔分布高阶模高斯分布和椭圆高斯光束等。
激光雷达常常使用激光谐振腔的最低阶模00TEM 模。
高斯光束的分布函数:)ex p(),(220ar I a r I -= (3-1)从激光谐振腔发出的模式辐射场的横截面的振幅分布遵守高斯分布,即光能量遵守高斯分布,但是高斯光束不是严格的电磁场方程解,而是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解,它可以很好地描述基模激光光束的性质。
稳态传输电磁场满足赫姆霍兹方程:()0,,),,(2=+∇z y x E k z y x E (3-2)式中),,(z y x E 与电场强度的复数表示),,,(t z y x E 间有关系:)exp(),,(),,,(t i z y x E t z y x E ω= (3-3)高斯光束不是式子(2-3)的精确解,而是在缓变振幅近似下的一个特解。
得到220U(,)exp()11r U r z izizZ Z ω=--- (3-4)是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解 ,它可以变形为基模高斯光束的 场强度复振幅的表达式:2222002(x,y,z)exp exp (z)(z)(z)2(z)x y x y U U i k z R ωϕωω⎧⎫⎡⎤⎡⎤⎛⎫++⎪⎪=-+-⎨⎬⎢⎥ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭ (3-5) 其中的(z)ω为振幅衰减到中心幅值1/e 时的位置到光束中心的距离,称为光束在该平面上的光斑半径,(z)R 为平面球面波的曲率半径。
光斑半径最小的平面称为激光光束的束腰,束腰半径为0w 。
假设激光束的波长为λ,以束腰位置作为z 轴方向的参考面,则沿光传播方向上不同截面上光斑半径表示为:222200(z)(1)z z ωω=+ (3-6)2(z)z[1()]R R z z =+ (3-7)球面的曲率半径得到:∞→=R z ,0等相面为平面z Z R Z z 200~,<<等相面亦可近似视为平面 002,Z R Z z =±=取极小值z R Z z →>>,0在远场可将高斯光束近似视为一个由0=z 点出发,半径为z 的球面波。
光的力学效应
光的力学效应及光阱PN力的测量摘要:利用光镊技术直观地演示了光的力学效应,介绍了光镊原理,装置和光阱力的测量方法。
一.科学背景与实验目的光具有能量和动量,光的动量是光的基本属性。
携带动量的光与物质相互作用,它们间会有动量的交换,从而表现为光对物体施加一力,作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的改变。
并由此可引起的物体的位移,速度状况的变化,我们称之为光的力学效应。
显然,研究光的力学效应对认识光的基本属性以及如何运用光的力学效应具有重要的学术意义。
但是,由于单个光子动量很小,普通光源的力学效应微乎其微,人们研究光的力学性质受到了很大限制。
历来的物理学教科书对光具有动量这一重要属性仅作简短的知识介绍,也一直没有一个合适的教学实验,来演示光具有动量这一基本属性,来展示光的力学效应和它的应用前景。
从对光的认识和物理教学体系来讲这无疑是一个非常大的缺憾。
60年代初激光的发明,使人类将光的利用推到一个崭新的阶段。
有了激光这种高亮度的新光源,光的力学效应开始显示其强大的生命力。
人们开始对光的辐射压力和光的力学效应进行全面和深入的研究。
70年代,朱棣文等人利用光压原理发展了用激光冷却和幽禁原子的方法,获得了1997年度诺贝尔物理学奖。
这一研究成果也为荣获2001年度诺贝尔物理学奖的玻色-爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段。
与此同时,人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应。
1986年,A.Ashkin等成功地利用一束强汇聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获。
这一发明被形象地称为光阱或光镊。
成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段。
十多年来,光镊不但在生命科学领域,在其它涉及微小宏观粒子的研究领域都取得了重要应用。
光的力学效应的研究又有了新的突破。
激光力学应用非常之广,涉及到物理、化学、材料、机械、生物、医药等领域。
激光力学已成为多学科交叉的基础。
利用光的力学效应,开拓学科交叉,也是21世际跨学科研究的前沿领域。
《大学物理教程》郭振平主编第三章光的干涉知识点及课后习题答案
《大学物理教程》郭振平主编第三章光的干涉知识点及课后习题答案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第三章 光的干涉一、基本知识点光程差与相位差的关系:2c L v λφπ∆=∆光的叠加原理:在真空和线性介质中,当光的强度不是很强时,在几列光波交叠的区域内光矢量将相互叠加。
相干叠加: 当两列光波同相时,即2k φπ∆=,对应光程差L k λ∆=,0,1,2,k =±±,则合振幅有最大值为max 12A A A =+,光强也最大;当两列光波反相时,即()21k φπ∆=+,对应光程差()212L k λ∆=+,0,1,2,k =±±,则合振幅有最小值为min 12A A A =-,光强也最小。
这样的振幅叠加称为相干叠加。
光的干涉:振幅的相干叠加使两列光同时在空间传播时,在相交叠的区域内某些地方光强始终加强,而另一些地方光强始终减弱,这样的现象称为光的干涉。
产生干涉的条件: ① 两列光波的频率相同;② 两列光波的振动方向相同且振幅相接近; ③ 在交叠区域,两列光波的位相差恒定。
相干光波:满足干涉条件的光波。
相干光源:满足干涉条件的光源。
获得相干光的方法:有分波阵面法和分振幅法。
分波阵面法: 从同一波阵面上分出两个或两个以上的部分,使它们继续传播互相叠加而发生干涉。
分振幅法: 使一束入射光波在两种光学介质的分界面处一部分发生反射,另一部分发生折射,然后使反射波和折射波在继续传播中相遇而发生干涉。
杨氏双缝干涉:图3-1杨氏双缝干涉实验装置如图3-1所示,亮条纹和暗条纹中心分别为D x ka λ=±,0,1,2,...k =:亮条纹中心 ()212D x k a λ=±-,1,2,k =:暗条纹中心 式中,a 为双缝间距;D 为双缝到观察屏之间的距离;λ为光波的波长。
杨氏双缝干涉条件:a ≈λ;x <<D 。
光学 力学世界 (3)
11:416Fra bibliotek1.4 光度学基本概念
常用的照明广有连续的光谱,若在波长为至+d 区间中的光功率为P()d,则总的光功率为 P = ∫P()d
因此,光通量为 = ∫ KM V()P()d
11:41
7
§1.4 光度学基本概念
ⅳ° 照度
一个被光照射的面,其照明的情况用照度描述。
照度(lx)
1lx=1lm/m2
视见函数
V()
光通量
光视效能
(lm)
光功率 (W)
13
第二章 几何光学
几何光学又叫射线光学,是光学的重要 组成部分,也是光学的基础。
它采用几何方法研究光在均匀介质中的 传播及应用,不涉及光的本质问题。
其基础是光波长趋于零。
11:41
14
§2.1 几何光学的基本定律
§1.4 光度学基本概念
ⅰ° 光功率
光波是光能流。 若空间有一指定的面积为
ΔA的截面,每秒射到ΔA 的光能,叫做作用于ΔA的 光功率。
光功率的单位是W(瓦)。
ΔA
光
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1
§1.4 光度学基本概念
ⅱ° 视见函数
人类的眼睛对色彩的感觉是视觉对光波的波长的响 应;而亮度则是视觉对通过瞳孔的光功率的响应。
1. 三个基本定律
ⅰ° 光线在均匀介质中按直线传播,称直线传播定律。 ⅱ° 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,这就是光的独立传播定律。 ⅲ° 光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折
射。即一部分光能量反射回原介质,另一部分光能量折射入 另一介质。
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物理实验器光力计算公式
物理实验器光力计算公式光力计算公式。
光力计算公式是用来计算光线对物体施加的力的公式。
在物理实验中,光力计算公式可以帮助我们理解光线对物体的影响,以及在实验中如何测量光线对物体施加的力。
光力计算公式的推导。
在物理学中,光力是指光线对物体施加的力。
光线可以通过反射、折射或散射等方式对物体产生力的作用。
光力的大小和方向取决于光线的强度和入射角度等因素。
在实验中,我们可以使用光力计来测量光线对物体施加的力。
光力计通常由一个悬挂在弹簧上的镜子和一个刻度盘组成。
当光线照射到镜子上时,镜子会受到光线的压力而产生位移,从而可以通过刻度盘来测量光线对镜子施加的力。
光力计算公式可以通过光线的光强和反射角度来推导。
根据光学原理,光线对物体产生的力可以表示为:F = P / c。
其中,F表示光线对物体施加的力,P表示光线的光强,c表示光线的速度。
在实验中,我们可以通过测量光线的光强和反射角度来计算光线对物体施加的力。
通常情况下,光线的光强可以通过光度计来测量,而反射角度可以通过光线的入射角度和折射角度来计算。
光力计算公式的应用。
光力计算公式在物理实验中有着广泛的应用。
通过测量光线对物体的力,我们可以研究光线对物体的影响,以及光线在物体上产生的压力和位移等现象。
在光学实验中,光力计算公式可以帮助我们理解光线对物体的作用。
通过测量光线对物体的力,我们可以研究光线的光强和反射角度对光线产生的力的影响,从而进一步了解光学原理。
在材料科学中,光力计算公式也可以用来研究光线对材料的影响。
通过测量光线对材料的力,我们可以研究光线对材料的压力和位移等现象,从而进一步了解材料的光学性质和力学性质。
总结。
光力计算公式是用来计算光线对物体施加的力的公式。
在物理实验中,光力计算公式可以帮助我们理解光线对物体的影响,以及在实验中如何测量光线对物体施加的力。
通过测量光线对物体的力,我们可以进一步研究光线的光强和反射角度对光线产生的力的影响,从而深入了解光学原理和材料的光学性质和力学性质。
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由相似性如何建立新的几何光学体系呢?
费马原理与哈密顿原理
相似性的启发
费马原理和哈密顿原理都是变分原理,分析力学中的一套 研究质点运动轨迹的方法,如拉格朗日方程,哈密顿正则 方程,都可以引入到光学中来。
用类比的方法,可由费马原理推出描述光线传播路径的光 学拉格朗日方程,光线方程和光学哈密顿正则方程。
另外,经典力学是量子力学的德布罗依波长趋于零的极限 性况,而几何光学也是光波长趋于零的极限情况,我们可 以据此思路将光线力学量子化。
§3.2 哈密顿原理和费马原理
一、 分析力学中的哈密顿原理 力学系统从时刻 t1 的t2一切可能运动中,使作用量
L(q1, q2 , qs , q1, q2 , , qs , t) dt
• 力学系统从 t1 t2时刻的一切可能运动中,真实运动轨迹取
作用量极小值:
L(q, q, t )dt 0
t1 t2
式中 q 为广义坐标,q为广义速度, L 为拉格朗日函数。
比较费马原理与哈密顿原理,可看出它们是何等相似!
n(x, y, z)ds 0 AB
费马原理与哈密顿原理
相似性的启发
但是,这种相似性在很长一段时间里并未引起人们更深入的 思考。
这是因为以Maxwell方程组为基础的波动光学,是一个成熟 的理论,用它几乎可以处理现代光学中的所有问题。
七十年代以来,随着纤维光学的发展,人们在处理介质中的 光传播和发射问题时发现,只考虑波动光学不仅会使问题带 来局限性,而波动方程的求解相当麻烦,有时甚至没有解析 解。
费马原理的证明
下面讨论这三个定律为何可概括成费马原理: 1、光在均匀媒质中沿直线传播
显然是时间取最小值。 2、反 射 定 律:
反射光线、入射光线和法线在同一平面上; 反射光线和入射光线分居在法线两侧; 反射角等于入射角。
反 射 定 律 (平 面 镜)
不遵守反射定律
A
B
物点A于水平镜面成像
于A ′;
于是,人们想起来了前面提到的相似性。
费马原理与哈密顿原理
相似性的启发
这种相似性促使人们用力学的框架建立起来了现代几何光学 的力学图象,又称之为哈密顿光学。
随后,D.Marcuse 等人又进一步提出了光线光学的量子理论,
并逐步形成了一门所谓“光线力学”的体系。 因此,我们可以将哈密顿光学称之为“经典光线光学”,而
• 就是说:
• 若光在折射率为n 的媒质中传播长度为 l ,则相同时间间隔里 ,在真空中传播长度为 n l 。
• 此时再问时间是否取极值,就只要看对应的光程是否取极值 即可。
再回到折射问题 A
光路 APB 的光程 L 为
d
1
L n1
d12 x 2
1 2
n2
d
2 2
(b
x) 2
1 2
M
d 2
实际光线传到B点
P Q
比较路径长短就是比 较 A′PB 和 A′QB 之长短;
由 于 A′PB 肯 定 为 直 线 ,
故而此种情况相当于时
A
间取最小值。
椭圆面反射镜
每条光线都满足反 射定律,且光线的 路 径 保 持 为 const, 也就是说不随点位 置而改变,故此时 时间取稳定值。
S
S’
c为曲率中心 , A、B 连线过c 点,APB为满 足反射定律的光线。
光程取极值的条件为
1 P
x 2
b
n 1
nN 2
B
dL 0
dx
即
dL dx
n1
x d12 x 2
1 n2
2
bx
d 2 2 (b x) 2
1 2
0
故有
n1sin1 n2 sin 2
这就是说,满足折射定律
n1sin1 n2 sin 2
的实际光路的光程 A P B
取极值;
又因为
d 2L dx2
折射定律
设光线从 A→B 的实际光程
A
APB 满足折射定律
d 1
M
d 2
1 P
x
2
b
n
1
N
n 2
B
n1sin1 n2 sin 2
APB所花时间是否取极 值呢?
光程的引入
前面讨论中看实际光程所费时间是否取极值,只要看实际 光路的路程是否极值即可 ― 因为同种媒质中光速相同;
现在有两种媒质,对应不同光速,则比较路程长短不能反 应时间长短,为此
第三章
光线力学
光线力学光线力学光线力学光线力学
§3.1 引言:光线力学的产生背景
一、费 马 原 理
众所周知,几何光学有三条基本定律: 1.光在均匀媒质中沿直线传播 2.反射定律 3.折射定律 1650年,费马将它们概括成:
光从某点传播到另一点所取的路径花费的时间为极值。
(极值包括极大、极小和稳定值)
ds
(dx) 2
(dy) 2
(dz) 2
1 2
dz(1
x2
y2 )
1 2
其中 x dx , y dy
dz
dz
于是费马原理可写作:
1
n(x, y, z)(1 x2 y2 ) 2 dz 0 A B
把光速为v 的媒质中光传播的路程折算为相同时间里光在
真空中传播的路程——光程。
光程的引入
• 把光速为v 的媒质中光传播的路程折算为相同时间里光在真 空中传播的路程―光程(即 l c/v ),就好比较了。 • 因为 n = c/v , • 所以光程 l c/v = n l ,“ n l ” 叫做光程。
0
故为极小值。
再回到折射问题
A
d 1
M
d 2
1 P
x
2
b
n 1 N
n 2
B
费马原理的数学表达式
根据上述讨论,费马原理还可以说成: 光的实际路径的光程为极值。
数学表达式为
n(x, y, z)ds 0 AB
(由 L = n l 而来)
二、费马原理与哈密顿原理
相似性的启发
• 分析力学中的哈密顿原理指出:
t1t2
取极值的运动才是实际发生的运动。即满足式
L(q, q, t)dt 0 t1 t 2
L T V 拉格朗日函数
二、费马原理的数学表达式的改写
已知
n(x, y, z)ds 0 A B
为费马原理的数学形式,现在作如下的改写
设 z 为系统光轴(传播方向),则光线元 ds 相对于任意坐 标系可写作:
为 考 察 APB 是 否 为 极 ,设一条光路AQB; 以A、B为两焦点,过P 点 作 一 椭 圆 , AQ 延 长 线交椭圆于R点。
椭圆性质表明 AP+PB=AR+RB 因为在△RQB中, RQ + RB >QB
球面反射镜
A
P
C
Q
B
R
故光程 APB比邻近的任意 一条光线路程都长,即时间 为最大值。