高中物理竞赛光学讲义
高中物理竞赛辅导讲义2
高中物理竞赛辅导讲义第[2]讲几 何 光 学基本知识一、光在球面上的反射——球面镜反射面是球面一部分的镜叫做球面镜．用球面的内表面作反射面的叫做凹镜，用球面的外表面作反射面的叫做凸镜．1．成像公式如图所示，凹面镜中心点O 称为顶点，球面的球心C 称为曲率中心，球面的半径R 称为曲率半径，连接顶点和曲率中心的直线CO 称为主轴．发光点P 在主轴上，光线PA 反射后与PO 的交点P’为像点，AC 是∠PAP’的角平分线．由图中可知：β=α+θ，γ=β+θ．两式相减得：α+γ=2β．若考虑P 发出的光线靠近主轴(近轴光线)。
即α、γ都很小，PO=u 为物距，P’O=v 为像距．当u→∞时，2R v =，即沿主轴方向的平行光束入射经球面反射后，成为会聚的光束，其交点在主轴上，称为反射球面的焦点，焦点到顶点间的距离，称为焦距，以f 来表示，则2R f =，凹面镜成像公式为fv u 111=+ 用同样的方法可以证明：在近轴的条件下，对于凸面镜只要取2R f -=，上面的公式同样适用．2．符号规则成像公式中各量的符号规定如下：物距u ：实物为正，虚物为负；像距v ：实像为正，虚像为负；焦距f ：凹面镜为正，凸面镜为负．3．作图法球面镜成像，还可以用作图法来确定．作图时有三条特殊光线可以利用：(1)平行主轴的入射光线反射后过焦点F ，(2)过焦点的入射光线反射后平行主轴，(3)过曲率中心C 的入射光线沿原路反射．作图时只要取两条光线就可以确定一个像点．4．横向放大率如图所示，PQ 是垂直主轴的线状物，它的像也应是垂直主轴的，用作图法确定物的顶点Q 所对应的像点Q’，再过Q 作主轴的垂线P’Q’就行了．设物PQ 高度为y ，像P’Q’高度为y’，则横向放大率Ⅲ=卫．入射光线OO ，则反射光线为OQ’(图中未画出)，△POQ ∽△ POQ’，因此有：OPOP PQ Q P '''=，横向放大率uv y y m -=='物距、像距按符号规则代入计算，若m为正表示像正立，m为负表示像倒立．二、光在球面上的折射1．成像公式如图所示，设球形折射面两侧的折射率分别为n、n’)，O为球面顶点，球面曲率中心为C，半径为R．连线OC为主轴．主轴上的物点P发出的任意光线PA折射后和沿主轴的光线PO的交点P’为像点，PA与主轴的夹角为a，AP’与主轴的夹角为β，AC与主轴的夹角为θ，入射角为i，折射角为γ，则根据折射定律，得nsini=n’sinγ考虑到近轴光线，i、y都很小，有ni≈n’γ这就是球面折射的成像公式．如果R→∞就是平面折射的公式．平行于主轴的入射光线折射后和主轴相交的位置称为球面界面的像方焦点F’，从球面顶点O到像方焦点的距离称为像方焦距f’．由球面折射的成像公式可见，当u→∞时，即得如果把物点放在主轴上某一点时，发出的光折射后将成为平行于主轴的平行光束,那么,这例题分析1．与光轴平行的两条光线射到半径R=5cm的球面镜上．求从球面镜反射后的光线与光轴两个交点之间的距离△x．两条光线到光轴的距离分别为h1=0.5cm，h2=3crn．2．薄玻璃平板M1与曲率半径为20cm的凸面镜M2相距b=16cm，物点P放在玻璃平板前a远处(如图所示)，要使P在M1中的像与在M2中的像重合，a应取多大?0.1cm的物垂直置于棒轴上离棒的凸面顶点8cm处．求像的位置及大小，并作光路图．4．一半径为R ，折射率为”的透明球，其球心为C ．在一径向方向上取P 、Q 两点，使CP=n R ， CQ=nR ．试证，从P 点发出的光，经界面折射后，总是像从Q 点发出的．5．如图所示，有一半径为R=0.128m 的玻璃半球，过球心O 并与其平面部分相垂直的直线为其主轴，在主轴上沿主轴放置一细条形发光体AB(B 离球心O 较近)，其长度为l =0．02m ．若人眼在主轴附近对着平面部分向半球望去，可以看到条形发光体的两个不很亮的像(此外可能还有亮度更弱的像，不必考虑)，当条形发光体在主轴上前后移动时，这两个像也在主轴上随着移动．现在调整条形发光体的位置，使得它的两个像恰好头尾相接，连在一起，此时条形发光体的近端B 距球心O 的距离为S=0.020m ．试利用以上数据求出构成此半球的玻璃的折射率”．(计算时只考虑近轴光线)同步练习1．两个焦距都是f的凸镜共主轴相对放置，如图所示，a为平行于主光轴的光线．问两镜之间的距离L满足什么条件时，光线a可形成循环光路?画出光路图．2．如图所示，凹球面反射镜中盛有一层清水，球心C到水面的垂直距离CP=40.0cm，从主光轴上物点Q发出的傍轴光线经折射和反射后所成的像点仍位于物点Q(即像点与物点重合)，并已知QP=30.0cm．试求水的折射率n．3．一凹面镜所成的像，像高为物高的1/4，物与像相距l m，求凹面镜曲率半径．4．一种人眼的简化眼模型为：人眼的成像归结为只由一个曲率半径为5.70mm、介质折射率为1.33的单球面折射。
高中物理竞赛讲义 几何光学
专题十五 几何光学【扩展知识】一、光的独立传播规律当光线从不同方向通过透明媒质中一点时互不影响，不改变频率仍按原方向传播的规律。
二、折射率1．相对折射率：光从1媒质进入2媒质。
2．绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率。
三、发生全反射的临界角：n n n c 1arcsin arcsin12== 四、成像公式若u 为物距，v 为像距，而f 为焦距，则有： 放大率：物长像长==u vm （线放大率） 2⎪⎭⎫ ⎝⎛=u v k （面放大率） 说明：（1）上述公式适用范围：面镜，薄透镜。
（2）适用条件：近轴光线；镜的两侧光学媒质相同。
（3）符号规定：“实正、虚负”的原则。
五、球面镜的焦距可以证明，球面镜的焦距f 等于球面半径R 的一半。
且凹透镜的焦距为正值，凸透镜的焦距为负值。
六、光具组成像七、透镜成像的作图法1．利用三条特殊光线2．利用副光轴【典型例题】例题1：（第一届全国物理竞赛题）如图所示，凸透镜L 的主轴与x 轴重合，光心O 就是坐标原点，凸透镜的焦距为10cm 。
有一平面镜M 放在y =-2cm 、x >0的位置，眼睛从平面镜反射的光中看到发光点A的像位于A2处，A2的坐标见图。
（1）求出此发光点A的位置。
（2）写出用作图法确定A的位置的步骤并作图。
例题2：（第六届全国物理竞赛题）在焦距为f的会聚薄透镜L的主光轴上放置一发光圆锥面，如图所示。
圆锥的中心轴线与主光轴重合，锥的顶点位于焦点F，锥高等于2f，锥的母线与其中心轴线的夹角等于α，求圆锥面的像。
例题3：（第九届全国物理竞赛决赛题）在很高的圆柱形容器的上口平放一个焦距为90mm 凸透镜，在透镜下方中轴线上距透镜100mm处平放一个圆面形光源，如图所示。
（1）光源产生一个半径为45mm的实像，求此实像的位置。
（2）若往容器中注水，水面高于光源10mm，求此时像的位置。
（3）继续注水，注满容器但又恰好不碰上透镜，求此时像的大小。
例题4：（第十一届全国物理竞赛题）照相机镜头L前2.28m处的物体被清晰地成像在镜头后面12.0cm处的照相胶片P上，两面平行的玻璃平板插入镜头与胶片之间，与光轴垂直，位置如图所示。
高二物理竞赛课件：光学
非热辐射光源（冷光源） 气体放电管、日光灯、萤火虫
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•原子的发光模型
激发态寿命 10-11～10-8 s 自发辐射
能级
E2
激发态
原子发光——原子光波列： 一定频率、振动方向，长度有 限的光波列
普通光源发光：
E1
基态
原子光波列
大量原子和分子持续、随机地发 射的光波列
三.光的电磁说（19世纪的后半期---） 19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了
光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。 性质：电磁波在电磁以太中传播。
四.光的量子说（20世纪初---） 电磁波动说在解释“热幅射实验”及“光电效
应”等实验遇到困难。
1900年普朗克提出了“热幅射量子理论”，爱因 斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流与电磁 波动说相抗衡。
两个特点：间歇性、随机性
x ct
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二、单色光
单色光： 0, t 或 0, x
有限长的单色波列
x ct
：谱线宽度
普通单色光源： 0.1 ~ 103 nm
激光：
109 nm
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三、相干光
光波中的电场矢量 E 称为光矢量。
• 两同频单色光的叠加
E
E2
E1 E10 cos(t 10)
代表：牛顿 v水 v空气 对立面：惠更斯--波动说 v水 v空气
分歧的焦点：光在水中的速度
1850年傅科（Foucauld）测定 v水 v空气
微粒说开始瓦解
二.光的机械波动说（19世纪初--后半世纪）
英国人l)通过干涉、衍射、偏振等实验证明 了光的波动性及光的横波性。 性质：弹性机械波，在机械以太中传播。
高中物理竞赛讲座18(光学2word)
n0 n1 n2 ，两束相干光之间没有半波损失。对于接近正入射的情况，反射光相消干涉的
csg.竞赛.光学. 5 / 22
条件是 2m1d (2k 1)
4
，即薄膜厚度必须满足 n1d (2k 1)
4
式中： 为了减少薄膜对光能的吸收， 提高增透效果， 取k 0， n1d 称为薄膜的光学厚度。 得增透膜的光学厚度 n1d
csg.竞赛.光学. 3 / 22
6、对切双透镜
如下图，过光心将透镜对切，拉开一小段距离，中间加挡光板（图 a） ；或错开一段距 离（图 b） ；或两片切口各磨去一些再胶合（图 c） ，置于透镜原主光轴上的点光源或平行于 原主轴的平行光线，经过双切双透镜折射后，在叠加区也可以发生干涉。 7、牛顿环
2 2 2
2
因 R h ，得 h
r2 2R
由此得明环与暗环半径
csg.竞赛.光学. 4 / 22
1 r明 (k ) R , k 1, 2,3, （1） 2 （2） r暗 kR , k 0,1,2,
（2）式中对 k 0 应于中央的暗点 由上两式可知，圆环半径越大，同一干涉级次（K）,条纹间距越大。干涉级次越高， 条纹间距越大。干涉条纹圆环不是等距离的，离中心越远条纹越密。 8、半波损失： 当光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位要发生 的突变，相当于半个波长的 光程差，叫做半波损失。当光从光密介质射向光疏介质时，反射光相位不变。任何时候， 折射光相位都不突变。 9、薄膜干涉
4
。这时，波长 的反射光被大大减弱，但因两反射光的光强
并不相等，所以相消干涉时的光强不为零。通常入射光为白光，使对眼睛最灵敏的黄绿色 光 ( 555nm) 满足上述公式，则黄绿色光几乎不被反射，而其他波长的光仍有部分剩余 反射。这些光混合起来呈蓝紫色或琥珀色。我们常常看到照相镜头呈现紫色，就是这个原 因。 11、迈克耳孙干涉仪
高中物理竞赛讲义教程全集-10.5光学器件-渐变介质
10.5光学器件渐变介质一、放大率1、线放大率m（横向放大率）2、视角放大率M（一般显微镜、望远镜的放大率，默认都是指视角角放大率）视角放大率的定义为：仪器所成的像对人眼所成的张角α′除以物体直接对人眼所成的张角α。
二、几种常见的光学器件1、眼睛由眼睛的调节作用（或称调焦）所能看得清楚的最远和最近两点，分别叫做远点和近点.正常眼睛远点在无穷远处，近点约在10厘米处。
当物体在适当距离处，在视网膜上造成的像最清晰、最舒适且不易疲劳，这个距离称为明视距离，对正常视力的眼睛，明视距离通常为25cm．例1、装在门上的门镜(又称“猫眼”)由一个凹透镜和一个凸透镜组成．有一种门镜的凹透镜焦距为1.Ocm，凸透镜焦距为3.5cm，两透镜之间的距离为2.1cm，如图所示．试根据这些数据说明，人在室外看不清室内的景物，而在室内的人却能清楚地看见室外的人．2、眼镜在配制眼镜的工作中，习惯上不用焦距，像方焦距的倒数再乘以100就化成我们通常所说的度数。
例2、某人的眼睛的近点是10cm，明视范围是80cm(即能够看清的物体距眼睛的范围为10cm~90cm)，当他配上100度的近视镜后明视范围变成多少？【解析】在配置眼镜中，通常把眼睛焦距的倒数称为焦度，用D 表示.当焦距的单位用m 时，所配眼镜的度数等于焦度的100倍.本题中此人所配近视眼镜数是100度，此人眼睛的度数，所以1100100f -=⨯此近视镜的焦距为.1001.00100f m =-=-当此人戴上此眼镜看最近距离的物体时，所成的虚像在他能看清的近点10c m ，由：111f fs s '+='解得物距：11110.1s -+=-119s m=-因为此人的明视远点是:108090cm cm cm+=所以此人戴上眼镜以后在看清最远的物体时，所成的虚像在离他90cm 处，再根据透镜公式可解得他能看清的最远物距是：21110.9s -+=-29s m=所以，他戴上100度的近视镜后，明视范围是0.11m ~9.0m.3、放大镜如图所示，设人眼在E 点观察，则0''('")x L M f x x αα==+若人眼在焦点F 处观察，则上式简化为'L M fαα==4、显微镜显微镜包括一个焦距极短的凸透镜（目镜）和一个焦距较长的凸透镜（物镜）。
高中物理竞赛讲义：物理光学 原子物理
专题十六 物理光学 原子物理【扩展知识】一、光程光在介质中传播的路程L 与该介质的折射率n 的乘积nL 称为光程，即S =nL .光在传播过程中其位相变化ΔΦ与光程的关系是πλπλ22⋅=⋅=∆ΦSnL。
式中λ为光在真空中的波长。
在真空中或空气中n =1，光传播的路程就等于光程。
二、半波损失光由光疏介质射向光密介质在两介质分界面上发生反射时，光的相位要发生180°的变化，相当于有半个波长的光程差，称为半波损失。
反之，当光由光密介质射向光疏介质在分界面上发生反射时，其相位不发生变化，因此，这时没有半波损失。
三、玻尔的原子理论定态理论（量子化能级）：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。
跃迁假设：原子从一种定态（能量E m ）跃迁到另一种定态（能量E n ）时，要辐射（或吸收）一定频率的光子，光子能量（hv ）由这两个定态的能量差决定的。
即hv =E m -E n 。
轨道假设（量子化轨道）：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。
原子的定态（能量）是不连续的，与它相对应的电子轨道分布也是不连续的。
只有满足轨道半径跟电子动量乘积等于π2h 的整数倍，才是可能轨道，即：π2h n mvr = 其中n 是正整数叫做量子数。
玻尔模型中的氢和类氢原子半径和电子在每一个轨道上的总能量。
四、原子核的结合能和每个核子平均结合能 【典型例题】例题1：（第十三届全国物理竞赛初赛题）一台二氧化碳气体激光器发生的激光功率为N =1000W ，出射的光束截面积为A =1.00mm 2.试问:（1）当该光束垂直入射到一物体平面上时,可能产生的光压的最大值为多少?（2）这束光垂直射到温度T 为273K,厚度d 为2.00cm 的铁板上,如果有80%的光束能量被激光照射到的那一部分铁板所吸收,并使其熔化成为光束等截面积直圆柱形孔,这需多长时间?已知：对于波长为λ的光束,每一个光子的动量为k=h/λ,式中h为普朗克常量,铁的有关参数为:热容量C=26.6J/(mol·k),密度ρ=7.9×103kg/m3, 熔点T m=1797k, 熔解热L m=1.49×104J/mol,摩尔质量μ=56×10-3kg/mol。
高中物理竞赛课件;光学
2019/12/3
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解： 相邻两条明纹间的间距
l 4.295 mm 29
l sin sin D
2
L
D L
l2
D 0.05746 mm
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例 利用空气劈尖的等厚干涉条纹可以检测工 件表面
存在的极小的加工纹路， 在经过精密加工的工件表
(1) 劈尖
• 装置: 两光学平板玻璃一端接触，另一端垫一薄纸或细丝
L
S
劈尖角
T
M
D
n1
n
n1
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b
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劈尖干涉
• 明暗条纹条件:
2d
n22
n12
sin2
i
2
单色、平行光垂直入射
i 0
n1
n
n1
d
2nd
2
k
明 k 1、2 k 0?
k级暗纹中心:
asin=2k / 2
k级明纹中心:
asin=(2k+1) / 2
光栅衍射 光栅方程(垂直):
(a+b)sin=k
缺级: m a b
a
光栅分辨本领:
R=/=kN
光栅光谱(垂直入射)
完整清晰光谱: 完整光谱: 最高级次光谱:
sdidnssiiknn红22sinkkk紫 红1紫
2
k 0, 零级暗条纹
d
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2nd
2
k
(2k 1)
高中物理奥林匹克竞赛专题----几何光学(共38张PPT)
6.1 几何光学基本规律
几何光学：以光的基本实验定律为基础，研究光的 传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。 6.1.1 光的直线传播
光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播。 在描述机械波时，我们用波线表示波的传播方向， 这里，我们用光线表示光的传播方向。
6.1.2 反射定律和折射定律 光在传播的过程中遇到两种介质的分界面时，一部分 光改变方向返回原介质传播，这部分光称为反射光。 反射定律：反射光线总是位于入 射面内，且与入射光线分居在法 线的两侧，入射角等于反射角 。
p
p
物点在主光轴上离球面镜无穷远时，入射光线可看做 近轴平行光线，该物点的像点称为球面镜的焦点。 焦点到球面顶点的距离称为焦距，用f 表示，可知
R f 2
球面反射成像公式又可表示为
1 1 1 p p' f
设物体在垂直于主光轴方向上的高度为 高度为 y ,定义：
y' m y
y
，其像的
为球面反射成像横向放大率
由反射定律和几何关系可以证明
y' p' m y p
m0
表示像是倒立的， m 0 表示像是正立的；
m 1 表示成放大像， m 1 表示成缩小像。
6.3.3 球面反射成像作图法 球面镜成像作图法的三条特殊光线 (1) 平行于主光轴的近轴光线，经凹面镜反射后，反 射光线过焦点；经凸面镜反射后，反射光线的反向延 长线过焦点。 (2) 过焦点（延长线过焦点）的光线，经球面镜反射 后，反射光线平行于主光轴。 (3) 过球面曲率中心的光线，经球面镜反射后按原路 返回。
6.1.3 全反射
当光从光密介质入射到光疏介质的界面上，入射角 达到或大于
高中物理竞赛辅导讲义几何光学
几 何 光 学§1.1 几何光学基础1、光的直线传播：光在同一均匀介质中沿直线传播。
2、光的独立传播：几束光在交错时互不妨碍，仍按原来各自的方向传播。
3、光的反射定律：①反射光线在入射光线和法线所决定平面内；②反射光线和入射光线分居法线两侧；③反射角等于入射角。
4、光的折射定律：①折射光线在入射光线和法线所决定平面内； ②折射光线和入射光线分居法线两侧；③入射角1i 与折射角2i 满足2211sin sin i n i n =；④当光由光密介质向光疏介质中传播，且入射角大于临界角C 时，将发生全面反射现象（折射率为1n 的光密介质对折射率为2n 的光疏介质的临界角12sin n n C =）。
§1.2 光的反射1.2.1、组合平面镜成像：1.组合平面镜 由两个以上的平面镜组成的光学系统叫做组合平面镜，射向组合平面镜的光线往往要在平面镜之间发生多次反射，因而会出现生成复像的现象。
先看一种较简单的现象，两面互相垂直的平面镜（交于O 点）镜间放一点光源S （图1-2-1），S 发出的光线经过两个平面镜反射后形成了1S 、2S 、3S 三个虚像。
用几何的方法不难证明：这三个虚像都位于以O 为圆心、OS 为半径的圆上，而且S 和1S 、S 和2S 、1S 和3S 、2S 和3S 之间都以平面镜（或它们的延长线）保持着 对称关系。
用这个方法我们可以容易地确定较复杂的情况中复像的个数和位置。
两面平面镜AO 和BO 成60º角放置（图1-2-2），用上述规律，很容易确定像的位置：①以O 为圆心、OS 为半径作圆；②过S 做AO 和BO 的垂线与圆交于1S 和2S ；③过1S 和2S 作BO 和AO 的垂线与圆交于3S 和4S ；④过3S 和4S 作AO 和BO 的垂线与圆交于5S ，51~S S 便是SS S 2图1-2-1S 3图1-2-2在两平面镜中的5个像。
双镜面反射。
如图1-2-3，两镜面间夹角a =15º,OA =10cm ，A 点发出的垂直于2L 的光线射向1L 后在两镜间反复反射，直到光线平行于某一镜面射出，则从A 点开始到最后一次反射点，光线所走的路程是多少？如图1-2-4所示，光线经1L 第一次反射的反射线为BC ，根据平面反射的对称性,BC C B ='，且∠a C BO ='。
高中物理竞赛教程(超详细)第十一讲物理光学
就是与劈尖的一定厚度 h 相当。
任何两个相邻的明纹或暗纹之间的距离
l 由下式决定：
k 做相当，也
高中物理竞赛光学原子物理学教程 第二讲物理光学
l sin
hk 1 hk
1 (k 1) 2
1k 2
2
式中 为劈尖的夹角。显然，干涉条纹是等间距的，而且
θ 愈小，干涉条纹愈疏；
θ 愈大， 干涉条纹愈密。 如果劈尖的夹角 θ 相当大， 干涉条纹就将密得无法分开。 干涉条纹只能在很尖的劈尖上看到。
，这时，在两玻璃片之间形成的
空气薄膜称为空气劈尖。两玻璃片的交线称为棱边，在平行于棱边的线上，劈尖的厚道 度是相等的。
当平行单色光垂直（ i 0 ）入射于这样的两玻璃片时，在空气劈尖（
n2 1 ）的
上下两表面所引起的反射光线将形成相干光。如图
1-2-9 所示，劈尖在 C 点处的厚度为
h，在劈尖上下表面反射的两光线之间的光程差是
高中物理竞赛光学原子物理学教程 第二讲物理光学
示，两光线 a1 和 b1 的光程差的精确计算比较困难，但在膜很薄的情况下，
A 点和 B 点
距离很近， 因而可认为 AC 近似等于 BC ，并在这一区域的薄膜的厚度可看作相等设为
h，
其光程差近似为
2n2 hcos r
2
2
2
2h n2 n1 sin i
当 i 保持不变时，光程差仅与膜的厚度有
2-1-1 所示，
于是得到了与缝平行的彩色条纹；如果在双缝前放一
块滤光片，就得到明暗相同的条纹。 A、B 为双缝，相距为 d，M为白屏与双缝相距为
l ，DO
图 2-1-1
为 AB的中垂线。屏上距离 O 为 x 的一点 P 到双缝的距离
高二物理竞赛光学绪论课件
光子产业的内容和分类
科研 军事 能源 交通 工业 农业 医疗 环保 文娱
光子产业
光通信产业
光信息产业
激光产业
光学产业
光 纤 与 光 缆
光 无 源 器 件
光 有 源 器 件
光 通 信 测 试 设 备
光 通 信 系 统 设 备
激 光 器 与 发 光 管
光 盘 与 光 盘 机
显 示 器
打 印 光机 照与 明复 印 机
能像微粒似地以一定最小份额的能量程h (称为能 量子)发生。 其中h=6.55×l0-27尔格/秒，是普朗克 常数。我们可以说，常数h的出现是近代物理学区别
于旧物理学的标志。
3
光本质的再认识
爱因斯坦 (1879-1955) 爱因斯坦根据普朗克理论，于1905年使光的微粒理论在 一种新形式下复活起来。他假设，普朗克的能量量子作 为实在的光粒子而存在，这种光粒子叫做“光量子”或 “光子”。由此他成功地解释了当时在光-粒子能量转 换方面新发现不久的一些现象，它们用波动理论不能够 说明，其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。
数 码 相 机
图 像 扫 描 仪
图 像 传 感 器
光 电 探 测 器
太 阳 能 电 池
激 光 器 系 统 设 备
激 光 加 工 处 理 设 备
激 光 医 疗 设 备
激 全光 息雷 照达 相测 设距 备仪
光 学 材 料
光 学 零 件
真 空 镀 膜
光 学 仪 器
光 谱 仪 器
15
信 电子(electron)
息
载
体
光子(photon)
电子学 光子学
12
光子学与电子学的发展路线图
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⎰=A
B 极值
nds 光学讲义大纲
几何光学
§1基本概念及实验定律
一、光线与波面
二、基本定律（实验规律）
1、光在均匀介质中沿直线传播
2、光的独立性，光路可逆原理
3、光的反射和折射定律
4、全反射
入射角c i ：临界角
光学纤维
5、三棱镜
功能：偏向，色散（分光）
光线两次发生折射后，出射线和入射线
的夹角称为偏向角。
最小偏向角与材料折射率的关系
2
sin 2sin sin sin 021A A i i n +==θ三、惠更斯原理
四、费马原理
概括了光线传播所遵循的规律§2成像的基本概念及规律
一、成像的基本概念
二、球面折射成像的规律及公式
120
21arcsin 90sin sin n n i n i n c c ==
r
n n v n u n -'='+高斯公式
1='+v f u f 横向放大率u
n nv y y '-='≡β三、球面反射
211r v u =+2r f f =
='横向放大率
u v y y -='≡β四、平面折射
u n n v '-=五、平面反射u
v -=六、薄透镜成像
1、薄透镜物像公式
2
21121r n n r n n v n u n -+-=+高斯公式：
1='+v f u f 当121==n n ，)11)(1(121r r n f f --=
-='f
v u 111=+横向放大率
u
n v n y y 21-='≡β七、薄透镜的作图法求像
§3光学仪器
一、人眼
作为能量接收器，感知400—760nm ；只能辨别和比较，不能测量光强大小；有视觉暂留特性，1/16秒。
二、助视仪的放大本领
1、放大本领（视角放大率）
助视：放大视角放大本领：U
U U U l l M '='='= tan tan 2、放大镜（以凸透镜为例）
f
y f
y U U M 25
25//
=='=3、显微镜的放大本领
2
121212525f f f f l M M ∆
≈
≈⋅≈β4、望远镜的放大本领
（1）开普勒式望远镜
（2）伽利略式望远镜
2
1
f f
U U M ='=波动光学
§1光的干涉
一、光的相干性与非相干性
相干条件
两列光波在相遇区
（1）频率一致，相位差恒定
（2）振动方向在同一直线上。
（3）光程差不太大。
二、杨氏双缝干涉（单色光）
光程差：
空气中12r r -=δ相位差：)
(2212r r -==∆λπ
δλπϕ条纹位置：λd r j y 0=条纹间距：λd
r y y y j j 01=-=∆+平行光的干涉
α
λsin 2=∆y α为两平行光所夹角的一半。
半波损失：光从光疏介质进入光密介质时，在垂直入射（或掠入射）的情况下，
反射光相对入射光有π的相位突变。
三、薄膜干涉
1、等倾干涉
2、等厚干涉
2
sin 22cos 21221220202λ
λ
δ+-=+=i n n d i d n
)21
( 相消相干相长
相干λδλδ+==j j 3、薄膜干涉的应用、牛顿环
§2光的衍射
一、惠更斯—菲涅耳原理
惠更斯：任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波，在以后时刻，所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。
菲涅耳：波面上每个面元ds 都可看成是新的振动中心，它们又发出次波，在空间某一点p 的振动是所有这些次波在该点的相干叠加。
二、夫琅禾费单缝、圆孔衍射
（1）单缝衍射
第一极小位置公式
λ
θ=1sin b （2）圆孔衍射第一极小位置公式
D 1.22 61.0sin 1λ
λθ==R 三、平面衍射光栅
光栅方程
λ
θj d =sin λ
θθj d =+)sin (sin 0
λ
θθj d =-)sin (sin 0缺级
由⎩⎨⎧==单衍极小
主极大 sin sin λθλθk b j d 在θ上，本应出现j 级主极大，但出现了单衍极小，所以出现缺级现象。
四、人眼、望远镜、显微镜的分辨本领
1、瑞利判据中央亮斑：R λθ61
.01=（D
λθ22.11=）判据：一个物点的衍射图样中央极大与另一物点的衍射图样中央极大边的第一极小相重合时，此两物点刚能分辨。
2、人眼
分辨极限角（nm 550=λ最灵敏）
D n 1.22 22
.11'===λλθθD n 由折射定律θ
n nU '= D
n U λ
θ22.1 ='= 例如：mm
D 2= 1104.322.13'≈⨯==-rad D U λ3、望远镜分辨极限角
D
R U λλθ22.161.01===物镜孔径D 越大，分辨极限角越小，分辨本领越高。
4、显微镜分辩极限间距
u
n y sin 61.0 λ=∆波长越小，分辨极限间距越小，分辨本领越高。
§3光的偏振
一、偏振状态：自然光（非偏振光），线偏振光、部分偏振光
二、马吕斯定律
设入射自然光n I ，通过1p 后，2
n I I =，其振幅为A ，则通过2p 后，透振方向分量为θcos A ，即θcos 2A A =。
θ
θ2222cos cos I A I ==------马吕斯定律
θθ222cos 2cos n I I I ==三、反射光的偏振
1、偏振态
反射光中电矢量平行分量11s p A A ''小于，所以反射光是部分偏振光。
2、布儒斯特定律
:10i 全偏角（布氏角）
1
21010101010sin sin cos sin n n i i i i tgi ===布氏定律
例：玻璃
102157 5.1 ,1===i n n 四、透射光的偏振态
仍为部分偏振光，当以布氏角入射时，反射光为线偏光，这时透射光偏度最高。
为得到透射的线偏光，可利用多块玻璃。
光的量子性
一、光电效应
电子在光的作用下从金属表面发射出来的现象。
逸出的电子称光电子。
电子的最大速度、最大动能
g m eV mv =221g V 为遏止电压，加反向电场，使电流为零时的电压称为遏止电压。
爱因斯坦——光电效应方程
022
1νh mv hv +=光强与光子能量的关系
νNh I o =二、光子的质量、动量
三、康普顿效应
X 射线（X 光子）对金属发生波长改变的散射叫康普顿效应
物理机制：康普顿散射为X 光子与自由电子碰撞结果。
)cos 1(0ϕλλλ-=
∆=-'c m h 这个效应说明光子具有动量。
四、光的波粒二象性
λh p =。