光的传播

第五讲光的传播

光学和几何学、天文学、力学一样，是一门有悠久历史的学科，重点研究光的发生、光的本性、光的传播规律、光与物体间的相互作用，以及这些知识在生产和生活中的应用。在讨论光的传播路径时使用了很多的几何知识和方法，所以常将这部分光学称为几何光学。

一、光的直线传播规律

1．光源

我们周围的大多数物体自己不发光，但能反射从别处射来的光．有些物体，像太阳、恒星、蜡烛、白炽灯、荧光灯、霓虹灯和激光器等，能够发光。这种发光的物体叫做光源。其中，太阳和恒星是天然光源，其他是人造光源。无论哪种光源，发光时都要消耗其他能量．光源是把其他能量转化为光能的物体或装置。只要这种转化过程不停止，光源就不断地把光辐射出去。

【例1】能够发光的物体叫做光源。下面的8种物体中，

一定是光源的有

；

一定不是光源的有；可能是光源的有。

A．太阳；B．月亮；C．星星；D．流星；E．钻石；F．蜡烛的火焰；G．发光的电灯；H．打开的电视机。

2．光的直线传播现象

光能够在真空中或空气、水等透明的物质（称为介质）中传播。大量事实说明光在同一种均匀介质中沿直线传播。在光学中，常用一条线说明光的传播情况，这条线叫做光线，在光线上用箭头表示光的传播方向。在同一种均匀介质中的光线为带箭头的直线。小孔成像和影都是光的直线传播所形成的有趣现象。

从光源发出的光，照射到不透明的物体上时，会在物体的后面形成一个光线照射不到的黑暗区域，这就是物体的“影”。图5－1为点光源所形成的影；图5－2则为较大光源所形成的影，1区为本影区、2区为半影区、3区为伪本影区。

光沿直线传播是有条件的，这个条件就是“介质是均匀的”。折射率是表示物质光学性质的物理量；两种介质是否均匀的标志，是它们的折射率是否相同。如果介质不均匀，光就会沿弯曲的路径传播。

声音只能在介质中传播。与声音不同，光除了在介质中传播外，还能够在真空中传播。在真空中，光也沿直线传播。

【例2】有关小孔成像的下列说法中，正确的是（Ａ、Ｃ）

A．小孔所成的像可以是彩色的B．像的清晰程度跟小孔的大小无关

C．将照相底片放在光屏处可以拍摄到像D．成像用的小孔必须是圆形的

【例3】将一根蜡烛点燃，放在具有针孔的纸板前面，在纸板后面屏幕上，可以看见一个倒立的蜡烛像。试用光的直线传播规律解释这个现象。

【例4】用光的直线传播规律，说明日食、月食的形成。

【例5】一根50cm长的木棍，竖直地立在水平地面上，影子的长度是40cm。与此同时，一根旗杆的影长为16m。由此可知这个旗杆的高度为。

3．光的速度

图5－1 图5－2

与声音一样，光传播也需要时间，也具有传播速度，只是光传播的速度很快。光在真空中的速度为3.0×108m/s，常用字母c表示，即c＝3.0×108m/s。光在空气中传播的速度接近光在真空中传播的速度，可近似认为也等于 3.0×108m/s。光在气体、液体和固体中传播的时候，光在气体中的传播速度最大，在固体中传播的速度最小。

通常，把光传播速度较大的介质，叫做光疏介质；光传播速度较小的介质，叫做光密介质。光疏介质和光密介质是相对而言的。

【例6】在不是真空的某种透明介质中，光的传播速度( C )

A．大于3.0×10 8m /s B．等于3.0×10 8 m /s

C．小于3.0×10 8m /s D．无法判断

【例7】现在已经可以用激光测量月亮与地球之间的间距。如果从地球向月亮发射一束激光信号，经过月亮的反射后返回地球，历时2.56s。由此可知，月亮与地球的间距为（ D ）A．7.68×105m B．7.68×108m

C．3.84×105m D．3.84×108m

【例8】科学家测定牛郎星与织女星相距1.32×1014km。这个距离合多少光年？

二、光的反射

1．光的反射定律

光照射到两种介质的界面上，有一部分光要返回原介质的现象叫光的反射，反射时遵循反射定律。反射定律的内容是：反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。理解反射定律时，要注意下列5点：

（1）定律研究光的传播问题，说明光在界面处反射后传播的路径。

（2）定律分为三个层次，逐渐确定了反射光线的位置。不能简单地认为“反射角等于入射角”就是反射定律。不难看出，符合这一条件的光线有很多条。以法线为轴线、以入射光线为边转动一周所形成的圆锥，圆锥上所有边与轴线的夹角都等于入射角(图3－2)。

（3）定律中的各个概念，如法线、入射光线、反射光线、入射角、反射角，都有明确的意义，不要搞错。

（4）定律含有因果关系，只能是“反射角等于入射角”，而不能认为“入射角等于反射角”。

（5）定律适用于任何情况的反射。无论是何种物体的界面，也无论物体表面是何种状况，反射定律都是适用的。

【例9】在图5－3中，甲、乙两条光线射至界

面且在界面反射。由图可知，甲、乙两条光线的反

射角分别为（）

A．900、600B．900、30 0

C．00、600D．00、30 0

2．镜面反射和漫反射

有一些物体的表面，如镜面、高度抛光的金属表面、平静的水面等，它们在受到平行光的照射时，反射光也是平行的。这种反射叫做镜面反射，如图5－4所示。

大多数物体的表面是粗糙的、不光滑的，在受到平行光的照射时，出现了向各个方向反射的反射光。这种反射叫做漫反射，如图5－5所示。

图5－3

图5－4 图5－5

【例10】 在暗室的白墙上挂着一面小平面镜。用手电筒发出的光，沿斜向照射这面小平面

镜和它周围的白墙，位于正面的观察者，所看到的现象是（ ）

A ．墙是白的、镜子是亮的

B ．墙是白的、镜子也是白的

C ．墙是白的、镜子是黑的

D ．墙是黑的、镜子也是黑的

【例11】 雨后的晚上，天刚放晴。地面较凹部分残留了少量的水，形成一些小水坑。为了

不致踩在水坑里，下面的判断正确的是（A 、D ）

A ．迎着月光走时，地面上发亮处是水坑

B ．迎着月光走时，地面上暗处是水坑

C ．背着月光走时，地面上发亮处是水坑

D ．背着月光走时，地面上暗处是水坑

3．平面镜

平面镜的表面是一个平面。在光学中，平面镜起着很重要的作用。许多光学仪器使用平面镜

控制光路和成像。平面镜所成的像是正立的，与物等大的虚像，像与物以镜面为对称。

根据反射定律我们可以做出物点S 发出的光线经过平面镜反射的光路图3－7。

从图5－6可知，所有从点S 发出的光，经过平面镜反射后，都好象是从S ’发出的，我们

把点S ’称作点S 的像。

像S ’在镜面的后方，位于由S 向镜面所做垂线的延长线上，它与镜面的距离等于S 与镜面

的距离。也就是说，点S 和它的像S ’，对于平面镜来说是对称的。

在镜前方的观察者看来，虽然好像在镜子后面S ’处有一个发光点，但是实际上这样的发光

点并不存在，所以这个像叫虚像。把平面镜所成的像称为虚像，是因为在像的位置处没有光线通过．这个像只能用眼睛或仪器观察，不能在观察屏上显示。

根据同样的推理，可以求出有一定大小的物体在平面镜中的像。图5－7为物体AB 在平面镜中的像A ’B ’。因为物体的每一点跟它的像的位置都是对称的，所以像的大小也跟物体的大小相同。

像和物体的不同点是左右相反。当你举起右手的时候，镜中的像却举起了左手。

画虚像时，应当用虚线表示．

【例12】 在图5－8中，正确的平面镜成像图是（ C ）

判断平面镜的成像图是否正确可按下列步骤进行：

（1）观察各像点之间是否用虚线连接；

（2）确定物体和像是否等大，像是否是正立的；

（3）连接对应的物点与像点，观察它们的连线是否与镜面垂直；

图5－7 图5－6 图5－8