物理光学第一章第一节-邓冬梅1

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物理光学第一章光的电磁理论2讲学课件

rs
rp
n1 n1
n2 n2
ts
tp
2 n1 n1 n2
tp
n2
2cos1 n2
n12 cos1 n2
n1
n1 2 sin2 1
8
1.3.2 菲涅耳公式
由菲涅耳公式可绘出了在n1＜n2和n1＞n2 两种情况
下，反射系数、透射系数随入射角1 的变化曲线，
如图所示。(t为正，投射光与入射光同相）
光波从光疏媒质正入射或者掠入射到光密媒质，反射波与入射波之间有半波损失。例1 增透射膜（消反射膜）
镀膜使 n0n1n2 ,
无半波损
例2、增反射膜
n1n2且n1n0，
则有半波损
14
1.3.3 反射率和透射率
设单位时间投射到界面单位面积上的能量为Wi （能流）, 反射光和透射光的能量分别为Wr、Wt，则定义反射率、透射率分别为 R Wr Wi T Wt Wi 不计吸收、散射等能量损耗，能量守恒有 W i W r W t， R T 1
只考虑光波的时间变化，可以把电矢量表示为时间函数E(t)，根据傅里叶变换，可以展成如下形式：
E t F 1 E E e x p i2 td
式中，exp(-i2t)为频率为的一个基元成分，取实部后得cos(2t)。因此，将exp(-i2t)视为频率为
的单位振幅简谐振荡。
rp n2 n2
n1 2 cos1 n1 2 cos1
n2 n1 2 sin2 1 n2 n1 2 sin2 1
tp
n2
2cos1 n2 n1
n1 2 cos1 n2 n1 2 sin2 1
由菲涅耳公式可得知反射波和透射波的振幅、光强、能流分配、相位变更和偏振态变化的主要性质。

3.1光波的标量衍射理论-邓冬梅

2
2
z12
= z1
( x x1 ) + ( y y1 ) +
2
2
2 z1
[( x x1 ) + ( y y1 ) ]2 + .... 3 8 z1
2 2
r ≈ z1
(x x1 )2 + ( y y1 )2 +
2 z1
C
y1 x1 Q z1 K r
y P x
近似条件: [( x x1 ) + ( y y1 ) ] z >> 4λ
一,光的衍射现象
'光线'拐弯了! 光线'拐弯了! 光线
S
?
衍射现象:光波偏离直线传播而出衍射现象: 现光强不均匀分布的现象
E
E
S
S
圆孔衍射
Diffraction pattern of an icosahedral quasicrystal
12
光孔尺寸与衍射
衍射效应很弱,光线几乎直线传播直线传播. 一,ρ>1000λ时,衍射效应很弱,光线几乎直线传播. λ 但在影界边缘,衍射现象仍不可忽略. 但在影界边缘,衍射现象仍不可忽略. 二,1000λ >ρ> λ时,衍射现象显著,出现了与光孔衍射现象显著现象显著, λ ρ 形状对应的衍射图样. 形状对应的衍射图样. 衍射效应过于强烈,只看到干涉干涉. 三,ρ ~ λ 衍射效应过于强烈,只看到干涉. 过渡. 四,ρ<λ 向散射过渡. λ 散射过渡其中:光孔线度ρ,波长λ
π
( n,l ) ( n,r ) ∑
θ
l
r P
K一般在0-1之间,特别地, 光线正入射时:
R

物理光学第一章

空间周期性与时间周期性之间通过传播速度相联系。任何时间周期性和空间周期性的破坏都意味着光波单色性的破坏。
例：平面电磁波可以表示为： E y 2 cos 2 1014 z t
Ex Ez 0

c

2
写出（1）该电磁波的频率、波长、振幅和原点初相位？（2）波的传播方向和电矢量的振动方向
光波---电磁波 ---光波场描述---反射、折射---吸收、色散
前言
§1 麦克斯韦电磁场理论与电磁波
§2典型光波—平面电磁波、球面波、柱面波 §3辐射能与电偶极子辐射电磁波 §4光在两电介质分界面上的反射和折射 §5光在金属表面的反射和透射 §6光的吸收、色散、散射
前言
• 十九世纪中叶，麦克斯韦（Maxwell）在电磁学理论研究基础上，推测光的传播是一种电磁现象，是电磁振动在空间的传播。２０年后赫兹（Hertz）第一次在实验上证实了光波就是电磁波。从而产生了光的电磁理论。
中紫外 300nm-200nm
真空紫外 200nm-10nm
第二节典型光波——平面电磁波、球面波、柱面波
一、平面电磁波
求解波动微分方程可得 E、B 的多种形式解：
平面电磁波：在与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波
x
等相面
平面波球面波柱面波
v
等相面：波在某个时刻位相为常数的位置的轨迹
o y
沿+z方向传播的平面波
z
特点：其等相面（波阵面）为无限大平面
最简单的平面波是简谐波平面波对于沿Z轴正向传播的简谐平面波可用余弦函数表示为： 2 2 cos[ E A cos[ ( z t )] B A ( z t )] λ 其中：A和A´分别是电场和磁场的振幅矢量是平面波在介质中的传播速度，λ是波长

《物理光学》第一章绪论

17世纪中叶至19世纪的认识

光的电磁理论的提出、主要贡献和问题。 19世纪60 年代,麦克斯韦建立电磁理论,预言了电磁波的存在,并根据电磁波的速度与光速相等的事实,麦克斯韦确信光是一种电磁现象, 1888年赫兹实验发现了无线电波,证明了麦克斯韦电磁理论的正确性. 特殊弹性媒质“以太”始终未能找到
17世纪中叶至19世纪的认识

波动说的内容、贡献、存在的主要问题。胡克明确主张光由振动组成,每一振动产生一个球面并以高速向外传播,此为波动说的发端; 1690年惠更斯在其著作<<论光>>中提出光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械纵波. 19世纪初,托马斯.扬和菲涅耳等人的工作将波动说大大推向前进,解释了光的干涉和衍射现象,根据光的偏振现象确认光为横波; 用波动说研究光的折射定律时,得出了光在水中的速度比空气中小的结论,并于1862年被傅科的实验所证实. 特殊弹性媒质始终未能找到.

主要参考书: 赵凯华，钟锡华，光学，北京大学出版社， 1984 母国光、战元龄，光学，人民教育出版社， 1979 廖延彪，物理光学，电子工业出版社， 1986 严瑛白，应用物理光学，机械工业出版社， 1990 梁铨廷，物理光学理论与习题，机械工业出版社， 1985 石顺祥等,物理光学与应用光学,西安电子科技大学出版社,2000.8 蔡履中等,光学(修订版),山东大学出版社,2002.8
物
理光绪论
学
教材:<<物理光学>> 梁全廷机工版教学时数:56学时课程性质:学位课考核方式:闭卷
讲述提纲

物理光学第一章第五节光波的叠加-邓冬梅

2
2 表示单个光波在P点的强度表示单个光波在P
) = 4I0 cos
2
δ
2
δ = α 2 α1 表示两光波在P点的相位差表示两光波在P 点叠加的合振动的光强I取决于两光波在叠加点的相位差. 在P点叠加的合振动的光强I取决于两光波在叠加点的相位差.
δ=±2mπ (m=0,1,2… ) P点光强有最大值, I 点光强有最大值, 点光强有最大值
表示从S 点的光程之差. 表示从S1和S2到P点的光程之差. 所谓光程, 所谓光程,就是光波在某一种介质中所通过的几何路程和这介质的折射率的乘积.采用光程概念的好处是, 这介质的折射率的乘积.采用光程概念的好处是,可以把光在不同介质中的传播路程都折算为在真空中的传播路程, 光在不同介质中的传播路程都折算为在真空中的传播路程, 便于进行比较. 便于进行比较.
A = a + a2 + 2a1a2 cos(α2 α1)
2 2 1 2
a1 sin α1 + a2 sin α2 tgα = a1 cosα1 + a2 cosα2
o
a2
A a1 x α2 α α1
13
驻波
产生条件:两个频率相同,振动方向与大小相同而传播方向相反的单色波的叠加. 实现情况:光波垂直入射到反射比很高的介质分界面一,驻波的波函数: 两束反向传播的源光波的波函数: p[ E = E ex i(kz ωt +10 )] 1 10 E = E exp[i(kz ωt + )] 20 20 2 设定E10=E20 ,则合成波为: i(10 +20 ) 20 10
E(z, t) = 2E10 cos(kz 2 ) exp[ 2
]exp(iωt)14

物理光学第一章第四节光的吸收色散和散射-邓冬梅

dI = α dx I
I0
I dx x l
I-dI x+dx
成立, 成立,
积分可得通过厚度为L的介质后的光强积分可得通过厚度为的介质后的光强 I ,
X
∫
I I0
dI = α I
∫
l 0
dx
I = I0e
αl
这就是布格尔定律或朗伯定律. 布格尔定律或
α —— 吸收系数, 单位长度上的光强吸收率吸收系数
玻璃之所以透明,是因为能被312nm - 1050nm 电磁波透过,312nm -1050nm 的电磁就是我们人眼可见的光;铁板之所以是不透明的, 是因为其不能被312nm - 1050nm 电磁波透过,但是波长更短的电磁波却可以透过它,比如X射线,对于X射线来说,铁板其实就是透明的,如果我们人眼能够接收X射线的话,那对于大多数物质来说就是透视眼了.但是对于很厚的铅板,又不是透明的了.所以透明是一个相对的概念.是由其内部原子结构和电磁波穿透力决定的.
α = βC
I = I 0e
β Cl
为与溶液浓度无关的常数, 式中β 为与溶液浓度无关的常数,反映了溶液中吸收物质分子的特征. 物质分子的特征. 仅适用于稀释溶液. 仅适用于稀释溶液.
(二) 吸收的波长选择性二选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律,由于选择吸收, 选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限,这一点对于制作分光仪器中的棱镜,透镜材料选取显得非常重要.
布格尔定律或朗伯定律,它是布格尔布格尔定律或朗伯定律,它是布格尔 ( P. Bouguer, 1698 – 1758 ) 在1729年发现的,朗伯 ( J.H. Lambert, 年发现的, 年发现的 1728 –1777 )在1760年重新作了表述. 年重新作了表述. 在年重新作了表述 ( 极强光,α 不再是常数,以上的布格尔定律不成立.) 极强光, 不再是常数,以上的布格尔定律不成立. 布格尔定律不成立自变透明现象,自变吸收现象自变透明现象,自变吸收现象: 非线性效应比尔定律比尔( 年从实验上证明, 比尔(A. Beer)于1852年从实验上证明,稀释溶液 ) 年从实验上证明的吸收系数a 正比于溶液的浓度C 的吸收系数正比于溶液的浓度

第一课物理光学绪论

5 主要内容
第一章电磁场理论光波表达式反射和折射
振动频率第二章从振动方向两方面考虑
光波的叠加第三章 Fra bibliotek涉单色光干涉白光干涉
分波面干涉 (杨氏干涉等)
双光束干涉分振幅干涉
多光束干涉
（等倾）
等倾干涉
等厚干涉 FP 薄膜
精品课件！
精品课件！
第四章衍射夫琅和费衍射菲涅耳衍射衍射光栅第五章光的偏振与晶体光学基础偏振光双折射晶体光学器件偏振光干涉
• 师生的任务和职责 • 互动讨论 • 波动光学很重要！很容易!
1 光学发展历史回顾
1.萌芽时期 • 公元前4世纪,在中国和希腊已有关于光学现象
的记录 • 约100年后，欧几里得(Euclid,约前330-275
年)提出反射定律 • 沈括（公元1031－1095）：深入研究直线传
播、球面镜成像
2.几何光学时期
3.波动光学时期
• 1801-1803杨氏双缝实验成功地观察到了干涉现象。
• 菲涅耳：惠更斯-菲涅耳原理成功解释了衍射现象。
• 麦克斯韦(1831一1879)在1865年的理论研究指出，光是一种电磁现象。这个理论在 1888年被赫兹(1857一1894)用实验证实。
4.量子光学时期
• 19世纪到20世纪:深入研究光与物质相互作用，发现光的电磁理论的局限性。
• 普朗克1900年提出量子假说
• 1905年爱因斯坦提出光子的概念,成功预言了光电效应,建立了光子学说
• 1924年德布罗意提出物质波，由电子通过金属箔的衍射实验证实
• 20年代中期,薛定谔、海森伯等人建立量子力学—波动性和粒子性在新的形式下得到统一。

物理光学课件-叶玉堂

物理光学
光电信息学院
1.1.2 电磁场基本方程
积分形式:
+ S
D

d
S
=+
V
ρ
dV
+ B d S =0 S
B
+CE d l = +S t d S

D
+C H d l =+S J + t d S
物理光学
光电信息学院
1.1.2 电磁场基本方程
2. Material equation
物理光学
光电信息学院
(B). 数学表达式
f = f ( k r , t )
1.2.2 时谐均匀平面波
沿 k 传播
f(z,t)
沿 z 传播
f(z±υt) 以υ沿z传播
f (kz ± ωt )
物理光学
光电信息学院
1.2.2 时谐均匀平面波
假设均匀平面波沿+z 方向传播，即 E 和 H 仅是 z 和 t 的函数，波动方程简化为
1.2.2 时谐均匀平面波
对应频率为时谐均匀平面的特解为
Z
E( z, t) = E 0 cos (t υ±
)
+0
f (kz
±
ωt
)
H
(
z,
t)
=
H
0 cos

(tυZ±

) +K0 = ω / υ
式中，矢量 E0和 H0的模分别是时谐电场和时谐磁场的振幅，矢量 E0和 H0的方向分别表示时
物理光学
光电信息学院
各向同性、均匀介质
1.2.1 波动方程
D = 0

八年级物理光学第一章知识点

八年级物理光学第一章知识点一、光的概念及性质光是人们能够直接感知到的一种电磁波辐射，它具有波粒二象性。

光的电磁波理论是最基本的光学理论，它把光视为一种电磁波，它的速度是固定且非常快的。

光的性质有：直线传播、折射、反射、干涉、衍射和偏振。

其中，折射是光线通过介质表面时方向发生改变的现象，反射是指光照射到物体表面时，一部分光线返回原来的方向的现象。

干涉和衍射是光学的现象，后者指光线传播时会弯曲绕过障碍物，前者是指两个或多个波面干涉所产生的互相强化或互相抵消的现象。

光的偏振是指光波中的电场向量只在某个平面内振动的现象。

二、光的传播与光线光的传播是指光从一处到另一处的过程，可以分为直线传播和曲线传播两种形式。

在物理学中，常说的“光线”并不是真正的光线，而是表征光传播方向的一条射线。

光线只是人为的虚构概念，它并不存在于真实光学中。

三、光线的反射与折射光线的反射是指光线照到物体上，并且回弹到原来入射的方向的现象。

在反射光线照到物体表面时，可以得出反射定律。

光线的折射是指光线穿过介质，方向发生了改变的现象。

当光线从一种介质到另一种介质时，可以得出折射定律。

四、光的波动模型光学传统的观点认为光是以波动形式传播的，这种观点依据于被物体表面反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象所证明。

在光的波动模型中，光的波长、频率和速度之间存在着一定的关系，即“光速不变理论”。

五、光学仪器光学仪器分为常用光学仪器和专用光学仪器两大类。

常用光学仪器包括显微镜、望远镜、透镜、反射镜、棱镜等；专用光学仪器包括激光器、光电子显微镜、红外光谱仪等。

通过对光学仪器的研究和利用，可以加深对光学的理解和应用。

光学作为应用广泛的一个学科，涉及到工业、医药、通讯、交通等各个领域。

八年级物理光学第一章的知识点涵盖了光的概念、性质、传播、反射、折射、波动模型和光学仪器等方面的内容，是打好光学基础的重要一步。

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② 可以简化运算。
三维简谐波的复指数表示
复振幅：
下面讨论一下平面简谐波投射在一个平面上，这个平面上
的光场分布。
x
波矢k的方向余弦为
在z=0（XOY）平面上光场复振幅：
O
z
这表明，z=0平面上任意两点的位相差仅仅由Δx来决定。
如图所示： x
O
z 4π
2π
0 -2π
可以利用复振幅方便-4地π 求光强度，
• 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学; • 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅
速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就; • 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合
可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生.
2. 物理光学的应用
测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。
• 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技术的发展；
• 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程，形成了光学信息处理的内容．
• 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学领域；
• 非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混频,自聚焦等;
• 基本问题：在各种条件下的传播问题。 • 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 • 波前：原为等相面，现泛指波场中的任一曲面，
更多的是指一个平面。
• 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录和再现波前，构成了波动光学的主要方法。
量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。
• 把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。

物理光学第一章-2

1.3光波的辐射
2 p 0 sin i ( kr t ) E e 2 4 r 2 p 0 sin i ( kr t ) B e 2 4 r r是电偶极子到P点的距离是r与电偶极子轴线之间的夹角。式中＝ 1 是电磁波的传播速度子的振荡角频率相同是波的角频率与电偶极
第一章光的电磁理论
物理光学
湖北工业大学理学院
1.3光波的辐射

主要内容
一．光源概述二．电偶极子辐射模型三．辐射能四．对实际光波的认识
1.3光波的辐射

光源
概念：任何发光的物体称光源分类：热光源、气体放电光源、激光器、LED
1.3光波的辐射
电偶极子辐射模型：
光波是电磁波，光源发光就是物体的辐射电磁子发光的情况。经典电磁场理论认为：原子发光是原子内部运动过程形成的电偶极子的辐射。
最为简单的振荡电偶极子是电偶极距随时间作简谐变化的电偶极子，此时电偶极距 P 可表示为
p p0e

it
p0是振幅是角频率。
既然原子是一个振荡电偶极子，它必定在周围空间产生交变电磁场，即辐射出光波。
1.3光波的辐射
由图1.9所示，振荡电偶极子振动一个周期，称电磁场将向外传播一个空间周期，即电磁场分布有一定的空间周期，这就是电磁波的波长。振荡电偶极子辐射的电磁场：可由 MAXSWELL方程组计算，在经典的电动力学著作中均可找到，我们只给结果。作简谐振动的电偶极子在距离很远的P点辐射的电磁场的数值为：
I s
sdt
0
1

1.3光波的辐射
对于平面波而言，S及其平均值<s>有很简单的形式：

物理光学第一章节PPT

利用斯托克斯公式和高斯公式可以把麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式。（见郭硕鸿电动力学）
麦克斯韦方程组的微分形式
r r B E t r D r B 0 r r r D H J t
A dS AdV NhomakorabeaS V高斯公式
A dl ( A) dS
w D B E H t t t
对于各向同性介质
D 0 r E
B 0 r H
w d 1 1 d ( E D H B) ( we wm ) t dt 2 2 dt
为我们熟知的形式。四、波动方程当电磁波（也就是光波）在透明各向同性介质中的传播时
2. 球面波
现再给出波动方程的另一个简单解：球面波的解。球面波是指波面为一球面的波。一般从点光源发出的光波就是球面波。（当观察点到光源的距离比光源线度大十倍以上时，这光源就可看作点光源。）由于球面波的波面是球面，同一个球面上的 ˆ, t ), s ˆr ˆ 点有相同的振动状态。因此 f f (r s 波方程解的形式则为f = f ( r , t ) ， r=r (x ,y ,z )
w
单位体积内电磁场的能量单位时间内垂直通过单位面积的电磁能
能流密度 S
dW dP S dtd d
传输功率
dP Sd Sd cos S d

S d
单位时间内从封闭曲面向外流出的电磁能量
F q(E u B) dF dq(E u B) dV (E u B)
第1章光波的基本性质
光波是电磁波。因此要了解光波的基本性质，首先要知道电磁波的基本性质。
1.1 电磁场基本方程一、麦克斯韦方程组相互作用和交变的电场和磁场的总和，称为电磁场。交变的电磁场按照电磁定律的传播就形成了电磁波。电磁波用电场强度E和磁感应强度B、电位移矢量D和磁场强度H来描述，描述这四个量之间相互关系的就是麦克斯韦方程组。

物理光学第一章-1

V V 2 V
1.1麦克斯韦方程组
电磁场的普遍规律总结为麦克斯韦方程组，一组描述电场(E, D)、磁场(B, H)与电荷密度ρ、电流密度(j)之间关系的偏微分方程。它由四个方程组成：描述电荷如何产生
电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描
述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。它通常写成积分和微分两种形式。前两个方程描述静场，后两组引入时变电磁场。
k r
k
r
B E t E B t Fra bibliotek B t
D t
H j
1.2 波动方程
由以上方程组推导出波动微分方程：
以上波动微分方程是线性微分方程，它的通解是以速度v传播的各种形式波的叠加。
介质中的传播速度在真空的速度
v
c
1

1
0 0
A是电场振幅是波长
v是波速
2 ( z vt ) 0是初位相 0 是波位相，
某时刻位相相同的空间点轨迹的等相面——波面
1.2平面电磁波
引入参数
波矢量 k ：沿等相面法线方向（在各向同性介质中亦是波能量的传播方向）大小为
k
2

频率：（单位时间内场周期变化的次数） T为周期（场一次周期变化所需时间）
麦克斯韦方程组波动方程及其通解在简单介质结构中的传播基尔霍夫衍射积分特殊形状衍射
干涉理论
杨氏双光束干涉干涉器件多光束干涉论光的偏振特性偏振器件
衍射理论
衍射光栅
偏振理论
矩阵表示
第一章光的电磁理论

物理光学第一章第三节光在金属表面的反射和折射-邓冬梅

二,金属表面的反射
菲涅耳方程
适用于
电介质金属
ε
ε
~ n→n
相同形式的波动方程!
~ ~ k = kn = kn(1 + iκ )
c n ≡ n + inκ ≡ (+iκ) ≡ n1 v
用复折射率 n 代替实折射率n,折射角变成复数形式, 即
= 1 sin θ sin θ2 1 n
改写后的菲涅耳公式 r = sin(θ1 θ2 ) = r eiδ s s ) sin( 1 +θ2 θ tg( 1 θ2 ) θ iδ rp = = rp e tg( 1 +θ2 ) θ 其反射比表示式为: (n cosθ1)2 + n2κ 2 2 ρs = rs = (n + cosθ1) + n2κ 2 1
当σ很大时,κ很大,ρ很大所以光洁的金属表面几乎可以把光全部反射. . ω 越小(λ 越大),R 越接近1. 越小( 越大), 越接近1 ),R
微波或无线电波的频率很小,一般金属均可近似看作理想微波或无线电波的频率很小, σ >>),电磁波近似全部反射(如微波炉). 1 电磁波近似全部反射( 导体( ),电磁波近似全部反射如微波炉). 导体(
复介电常数的引入
E 2E E σ ε 2 = 0 t t ~ E(r, t) = E1 (r) ex iωt) p(
2
波动方程时空分离
E i 2E = t ω t 2
2E σ 2 E = ε 电介质 ε = ε + i = ε0εr 2 t ω σ = ε + i ,实部对应位移电流的贡献,不引起实部对应位移电流的贡献, 对复电容率 ε ω 电磁波功率耗散;虚部是传导电流的贡献,引起能量耗散. 电磁波功率耗散;虚部是传导电流的贡献,引起能量耗散.

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Ei dS
s
S
qi

i (内）

S
Ei dS
i（外）

S
Ei dS 0
i（外）

Ei dS
Φe
i（内）

S
1 Ei dS
0
i (内）
q
i
35
1 高斯定理 Φe E dS
S
0
q
统
、光的衍射、傅里叶光学、光的偏振和晶体光学基础、导波光学基础、光子学基础．本书下篇可作为高等学校仪器仪表类、光电信息科学与工程及其相近专业的教材,亦可作为物理和光学专业的选修教材或参考书，也是从事光电
信息技术科学、仪器科学与技术等工程科技人员的参考书．
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参考书：
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物理光学与应用光学，石顺祥等，西安电子科技大学出版社，2002 光学，王楚，汤俊雄，北京大学出版社， 2001 光学，赵凯华，钟锡华，北京大学出版社， 1984 Principles of Optics(7th edition)，M.Born， E.Wolf，世界图书出版社，2001
dΦ E1 dS1 0 1 dΦ2 E2 dS2 0
dΦ dΦ2 0 1
E2
q
dS 2
dS1
E1
E dS 0
S
34
由多个点电荷产生的电场
E E1 E2
S S i
q1
q2
E
dS
Φe E dS
26
电场线特性
1）始于正电荷,止于负电荷(或来自无穷远,去向无穷远).
2）电场线不相交.
3）静电场电场线不闭合.
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二
电场强度通量
通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面的电场强度通量.
均匀电场，E 垂直平面
Φe ES 均匀电场，与平面夹角 E Φe ES cos
+Q
–Q
' '
退极化场
注意：决定介质极化的不是原来的场 E 而是介质内实 0 际的场 E 。 E '又总是起着减弱总场 E 的作用，即起着减弱极化
的作用，故称为退极化场。
37
任一点的总场强为： E E E' 0
总结：在外电场 E 作用下，电介质发生极化；极化强 0 度矢量 P和电介质的形状决定了极化电荷的面密度，而又激发附加电场 E E ，又影响电介质内部的总电场 E ，而总电场又决定着极化强度矢量 P 。各物理量的 E Pn p e 0 E 0
S
q 4π 0r
dS
Φe
q
0
32
点电荷在任意封闭曲面内
dΦe
q
2
4π 0r q dS＇ 2 4π 0 r
dS cos
+
dS ＇ d S
其中立体角
dS＇ dΩ 2 r q q Φe dΩ 0 4 π 0
r

dS ＇
dS
33
点电荷在封闭曲面之外
介质中的高斯定理
建立电位移线： 1）线上每一点的切线方向为该点电位移矢量的方向； 2）通过垂直于电位移矢量的单位面积的电位移线数目应等于该点电位移矢量的大小。 D D dS 称为穿过闭合面S的电位移通量。
介质中的高斯定理： D dS q0
S

介质中的高斯定理物理意义：通过任一闭合曲面的电位移通量，等于该曲面内所包围的自由电荷的代数和。 40
该点电场强度的大小.
E E dN / dS
E
S
21
点电荷的电场线
正点电荷负点电荷
+
22
一对等量异号点电荷的电场线
+
23
一对等量正点电荷的电场线
+
+
24
一对不等量异号点电荷的电场线
2q
q

25
带电平行板电容器的电场线
+ + + + + + + + + + + +

其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。
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波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。

其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。
关系如下：
E E0 E '
E'
在电介质中，电位移矢量、极化电荷、附加电场和总场强这此量是彼此依赖、互相制约的。为了计算它们当中的任何一个量，都需要和其它量一起综合加以考虑。这种连环套的关系太复杂，在实际计算中比较繁琐。物理学追求“和谐、对称、简洁！ 38
二、介质中的高斯定理电位移矢量
1 Φe E dS
S
请思考：1）高斯面上的 E 与那些电荷有关？ 2）哪些电荷对闭合曲面 s的 Φ 有贡献 e
0
q
i 1
n
i
？
31
高斯定理的导出
库仑定律电场强度叠加原理
高斯定理
点电荷位于球面中心
E
q 4π 0r
S
2
r
2
dS
+
Φe E dS
S
S
介质中的高斯定理： D dS q0
说明：
S S
•介质中的高斯定理不仅适用于介质，也适用于真空。
•高斯面上任一点D是由空间总的电荷的分布决定的，不能认为只与面内自由电荷有关。
2.电位移矢量 •电位移矢量是为消除极化电荷的影响而引入的辅助物理量，它既描述电场，同时也描述了介质的极化。方向：与介质中的场强方向相同。单位：库仑/米2，
π 1 , 2
为封闭曲面
dS1
dΦe1 0
E2
1
E1
29
dΦe2 0
dS 2
闭合曲面的电场强度通量
Φe E dS E cos dS
S S
dΦe E dS
E
S
dS

E
30
三
高斯定理
在真空中,通过任一闭合曲面的电场强度通量, 等于该曲面所包围的所有电荷的代数和除以 0 . （与面外电荷无关，闭合曲面称为高斯面）
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其次，它又是一门朝阳学科。自1960年激光问世以来，光学渗透到了各个领域，并出现了交叉分支。人们对光学的科学研究集中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点――微粒说和波动说。
10

微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。
量子光学电磁光学波动光学几何光学
7
在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的相互作用时，有如下几种处理方法：经典方法:麦克斯韦方程描述场 + 用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用。半经典方法：麦克斯韦方程描述场 + 量子力学方法处理原子与光场的相互作用。（如最常用的MaxwellBlocth方程）。
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在光学发展过程中，曾出现过令物理学家大为困惑的，极力寻找和证实的物质―― 以太(ether)。
既然光是一种波，那么，它赖以传播的介质是什么？

这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H. A. Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使以太论最终抛弃。
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至此，人们以为最终认识了光的本质。
S
E
en

S
Φe E S

E
28
非均匀电场强度电通量
dS dS en dΦe E dS
en
E
2
E
dS

E
Φe dΦe E cosdS s Φe E dS s
S
π 2 , 2
1.介质中的高斯定理
q 真空中的高斯定理 E dS
S
在介质中，高斯定理改写为：
总场强自由电荷
0
1 E dS
S
0
(q
S
0
q )
'
束缚电荷
1 E dS
S
0
q
S
0

1
0
S
P dS
S
' P dS q
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课程要求:
课堂笔记 • 平时作业 • 考试成绩 • 严肃纪律
•
最后成绩: 平时作业(25%) 考试成绩(70%) 课堂表现(5％)
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电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论，它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、光子统计和激光线宽等问题。