光的反射和折射定律
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❖ 作业：~ 40%；考试：~ 60%
对平时作业的要求： ❖ 独立完成； ❖ 按时交作业。 声明： 1.作业迟交超过一周，助教有权拒收； 2.不接受任何人以任何理由在考试前或期
末补交作业。
绪论
一、关于物理学
❖ 物理学是一门自然科学，我们反复学习、 必须学习。这是为什么？
❖ 说明物理学在我们的人生中是十分重要的 ❖ 物理学有多么重要？“物理照耀世界” ❖ 王婆卖瓜？ ❖ 计算机、手机正在改变着人们的生活。 ❖ 计算机是集合了最先进科技成果的产品。
二、物理学的研究方法
1．物理学是一门实验科学
一切结论都来自于实验，一切结论都要经过 实验的检验。
2．物理学的理论体系
《自然哲学的数学原理》
Newton著
物理的研究对象——自然的原理 物理学的理论体系——数学，用严格的数 学理论阐述、推导和研究物理学的规律。
或者说， 物理学就是将自然界的原理用数学理论加 以阐述的科学体系。
几何光学的物理模型：光是“光线” 物理光学的物理模型：光是“波与粒子”
《光学》在大学物理中的地位
❖ 无可否认的事实：最先进的科学仪器几乎都 离不开基于几何光学的光路系统和基于波动 光学的分析系统。
❖ 光学有独特的研究方法：不能将光学纳入力 学或电磁学的范畴。
❖ 光学是经典物理学向近代物理学过渡的桥梁 和纽带：黑体辐射导致量子论，迈克尔逊测 量光在“以太”中的传播导致相对论。
3．物理模型
❖ 为了概括对象的本质和特征，需要建立研究 对象的物理模型。
❖ 所谓模型，就是模拟真实的一种形象化的构 型。 从模型可以得出新的结论。
❖ 结论必须同实验结果进行对比，“自洽”。 ❖ 新模型的建立，标志着新理论的建立，模型
被修正，标志着物理学有了新的发展。
三、大学《光学》课程的内容
几何光学、波动光学、光的量子性 核心是波动光学
同的性质。 ❖ 可以用不同的物理模型对光进行描述。
一、光的宏观表现 (与大尺度相互作用)
v 传播定律：均匀介质中，光沿直线 传播
v 反射定律：i’=i v 折射定律：nsini=n’sini’
光线模型
二、光与小尺度物体的作用
❖ 1801年，T．Young在光通过双孔的实 验中，首次观察到了光的干涉现象。
直线、独立传播定律; 光的反射和折射定律; 光的可逆性原理。 费马原理：光从空间一点到达另一点是沿 着光程为极值的路径传播的。 它可以描述光在均匀和不均匀介质中的传播
物理光学 1）波动光学：以光的波动性为基础研究光
传播、光和物质的相互作用的规律
2）量子光学：以光的量子性为基础，研究光 发射以及光与物质相互作用的某些问题
❖ 1808年，Malus观察到了光的偏振现象， 说明光是横波。
❖ 1865年，Maxwell提出电磁波理论，后 来赫兹证实光是电磁波。 光的电磁波模型
三、在原子尺度上的表现
❖ “紫外灾难”，1900年由Plank用能量分立的 谐振子模型假设解决。
❖ 1905年，Einstein用光量子模型假设成功解 释光电效应。
线，即“光线”。 4、“光线”模型来自于物理实验。
几何光学的局限性
❖ 几何光学是关于光的唯象理论。
❖ 不涉及光的物理本质。
唯象理论是实验现象更 概括的总结和提炼，但 是无法用已有的科学理 论体系作出解释
❖ 对于光线，是无法从物理上定义其速度的。
❖ 在几何光学领域，也无法定义诸如波长、 频率、能量、相位等物理量。
CP U 内存 主板
IC
材料 半导体 量子力学
制备 光刻 Laser, X ray 量子力学
磁盘 磁学
量子力学，固体物理学
光盘 光电子学
显示器
CRT 液晶
扫描电子束 电磁学
荧光粉
固体物理学
固体物理学
等离子 等离子体物理、电磁学、固体物理学
与其说是计算机改变了我们的社会，不如 说是量子力学，或者Einstein改变了这一切。
❖ 光具有波粒二象性，光量子模型。这也是一 切量子现象的基本属性。
❖ 波：几率波 ❖ 粒：分立的能量子，E=hν
与几何光学时期的波动性和粒子性根本不同
§ 1.2 几何光学的基本定律
一、几何光学的基本概念
1、它是关于物体所发出的光线经光学系统后 成像的理论。
2、它是建立在实验的基础之上的。 3、几何光学中，光的物理模型是几何学上的
从波动光学可以向另两部分扩展和延伸 但决不是简单的方法和内容的扩展
而是物理模型和物理思想的革命
Baidu Nhomakorabea
光学是物理学的组成部分，其研究 对象是光
❖ 研究内容包括： 光的本性； 光的发射； 光的传播； 光的接收； 光与物质的相互作用和应用。
❖基础光学的分类（现象－观点，方法）： 几何光学与物理光学两部分
几何光学：光－直线传播为基础，研究光在 透明媒质中的传播问题，内容包括：
第一章 几何光学
几何光学的基本定律 费马原理 惠更斯原理
§ 1.1 光是什么？
❖ 上帝说：“要有光”，于是就有了 光。……这是头一日。——《圣经·创世纪》
❖ 察其言而观其行，方能知其人。 ❖ 研究光的本质，必须从其现象开始。 ❖ 现象，则表现在光与物质的相互作用中。 ❖ 光在与不同物质的相互作用中，表现出不
❖ 如果介质是非均匀的，则光的传播将会发 生偏折，即不再沿着一条直线传播。
❖ 但是，总可以设法发现光传播的路径，这 条路径是折线或曲线。
❖ 根据这一事实，也可以得出这样的结论： 既然在媒质中，光总是沿直线、折线、或 曲线传播，那么就可以用一条几何上的线 来描述和研究光的传播。
光学适用几何的条件
1). 光学系统尺度远大于光波的波长。 2). 介质是各向同性的。 3). 光的强度不是很大。
二、几何光学的实验定律
1． 光的直线传播定律
❖ 在均匀媒质中，光沿直线传播。
P
Q
❖ 由于光的直线传播，人们习惯于抽象地 用一条有方向的几何直线来描述光的传 播——“光线”。
❖ 光线的概念：森林中的旅行者；窗户上 的小孔；探照灯；激光束；小孔成像； 日食月食……..。
吴 强《光学》
❖ 科学出版社 ❖ 21世纪高等院校教材 ❖ 2006年1月第一版 ❖ 33万字
赵凯华 钟锡华《光学》
❖ 北京大学出版社 ❖ 1984年1月第一版 ❖ 上、下册 ❖ 53万字
教学参考书推荐
❖ 崔宏滨 李永平 段开敏 《光学》
科学出版社 2008年7月 第一版
课程考核方式及作业要求
对平时作业的要求： ❖ 独立完成； ❖ 按时交作业。 声明： 1.作业迟交超过一周，助教有权拒收； 2.不接受任何人以任何理由在考试前或期
末补交作业。
绪论
一、关于物理学
❖ 物理学是一门自然科学，我们反复学习、 必须学习。这是为什么？
❖ 说明物理学在我们的人生中是十分重要的 ❖ 物理学有多么重要？“物理照耀世界” ❖ 王婆卖瓜？ ❖ 计算机、手机正在改变着人们的生活。 ❖ 计算机是集合了最先进科技成果的产品。
二、物理学的研究方法
1．物理学是一门实验科学
一切结论都来自于实验，一切结论都要经过 实验的检验。
2．物理学的理论体系
《自然哲学的数学原理》
Newton著
物理的研究对象——自然的原理 物理学的理论体系——数学，用严格的数 学理论阐述、推导和研究物理学的规律。
或者说， 物理学就是将自然界的原理用数学理论加 以阐述的科学体系。
几何光学的物理模型：光是“光线” 物理光学的物理模型：光是“波与粒子”
《光学》在大学物理中的地位
❖ 无可否认的事实：最先进的科学仪器几乎都 离不开基于几何光学的光路系统和基于波动 光学的分析系统。
❖ 光学有独特的研究方法：不能将光学纳入力 学或电磁学的范畴。
❖ 光学是经典物理学向近代物理学过渡的桥梁 和纽带：黑体辐射导致量子论，迈克尔逊测 量光在“以太”中的传播导致相对论。
3．物理模型
❖ 为了概括对象的本质和特征，需要建立研究 对象的物理模型。
❖ 所谓模型，就是模拟真实的一种形象化的构 型。 从模型可以得出新的结论。
❖ 结论必须同实验结果进行对比，“自洽”。 ❖ 新模型的建立，标志着新理论的建立，模型
被修正，标志着物理学有了新的发展。
三、大学《光学》课程的内容
几何光学、波动光学、光的量子性 核心是波动光学
同的性质。 ❖ 可以用不同的物理模型对光进行描述。
一、光的宏观表现 (与大尺度相互作用)
v 传播定律：均匀介质中，光沿直线 传播
v 反射定律：i’=i v 折射定律：nsini=n’sini’
光线模型
二、光与小尺度物体的作用
❖ 1801年，T．Young在光通过双孔的实 验中，首次观察到了光的干涉现象。
直线、独立传播定律; 光的反射和折射定律; 光的可逆性原理。 费马原理：光从空间一点到达另一点是沿 着光程为极值的路径传播的。 它可以描述光在均匀和不均匀介质中的传播
物理光学 1）波动光学：以光的波动性为基础研究光
传播、光和物质的相互作用的规律
2）量子光学：以光的量子性为基础，研究光 发射以及光与物质相互作用的某些问题
❖ 1808年，Malus观察到了光的偏振现象， 说明光是横波。
❖ 1865年，Maxwell提出电磁波理论，后 来赫兹证实光是电磁波。 光的电磁波模型
三、在原子尺度上的表现
❖ “紫外灾难”，1900年由Plank用能量分立的 谐振子模型假设解决。
❖ 1905年，Einstein用光量子模型假设成功解 释光电效应。
线，即“光线”。 4、“光线”模型来自于物理实验。
几何光学的局限性
❖ 几何光学是关于光的唯象理论。
❖ 不涉及光的物理本质。
唯象理论是实验现象更 概括的总结和提炼，但 是无法用已有的科学理 论体系作出解释
❖ 对于光线，是无法从物理上定义其速度的。
❖ 在几何光学领域，也无法定义诸如波长、 频率、能量、相位等物理量。
CP U 内存 主板
IC
材料 半导体 量子力学
制备 光刻 Laser, X ray 量子力学
磁盘 磁学
量子力学，固体物理学
光盘 光电子学
显示器
CRT 液晶
扫描电子束 电磁学
荧光粉
固体物理学
固体物理学
等离子 等离子体物理、电磁学、固体物理学
与其说是计算机改变了我们的社会，不如 说是量子力学，或者Einstein改变了这一切。
❖ 光具有波粒二象性，光量子模型。这也是一 切量子现象的基本属性。
❖ 波：几率波 ❖ 粒：分立的能量子，E=hν
与几何光学时期的波动性和粒子性根本不同
§ 1.2 几何光学的基本定律
一、几何光学的基本概念
1、它是关于物体所发出的光线经光学系统后 成像的理论。
2、它是建立在实验的基础之上的。 3、几何光学中，光的物理模型是几何学上的
从波动光学可以向另两部分扩展和延伸 但决不是简单的方法和内容的扩展
而是物理模型和物理思想的革命
Baidu Nhomakorabea
光学是物理学的组成部分，其研究 对象是光
❖ 研究内容包括： 光的本性； 光的发射； 光的传播； 光的接收； 光与物质的相互作用和应用。
❖基础光学的分类（现象－观点，方法）： 几何光学与物理光学两部分
几何光学：光－直线传播为基础，研究光在 透明媒质中的传播问题，内容包括：
第一章 几何光学
几何光学的基本定律 费马原理 惠更斯原理
§ 1.1 光是什么？
❖ 上帝说：“要有光”，于是就有了 光。……这是头一日。——《圣经·创世纪》
❖ 察其言而观其行，方能知其人。 ❖ 研究光的本质，必须从其现象开始。 ❖ 现象，则表现在光与物质的相互作用中。 ❖ 光在与不同物质的相互作用中，表现出不
❖ 如果介质是非均匀的，则光的传播将会发 生偏折，即不再沿着一条直线传播。
❖ 但是，总可以设法发现光传播的路径，这 条路径是折线或曲线。
❖ 根据这一事实，也可以得出这样的结论： 既然在媒质中，光总是沿直线、折线、或 曲线传播，那么就可以用一条几何上的线 来描述和研究光的传播。
光学适用几何的条件
1). 光学系统尺度远大于光波的波长。 2). 介质是各向同性的。 3). 光的强度不是很大。
二、几何光学的实验定律
1． 光的直线传播定律
❖ 在均匀媒质中，光沿直线传播。
P
Q
❖ 由于光的直线传播，人们习惯于抽象地 用一条有方向的几何直线来描述光的传 播——“光线”。
❖ 光线的概念：森林中的旅行者；窗户上 的小孔；探照灯；激光束；小孔成像； 日食月食……..。
吴 强《光学》
❖ 科学出版社 ❖ 21世纪高等院校教材 ❖ 2006年1月第一版 ❖ 33万字
赵凯华 钟锡华《光学》
❖ 北京大学出版社 ❖ 1984年1月第一版 ❖ 上、下册 ❖ 53万字
教学参考书推荐
❖ 崔宏滨 李永平 段开敏 《光学》
科学出版社 2008年7月 第一版
课程考核方式及作业要求