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1、第十三章 光学知识网络：第一单元 光的传播 几何光学一、光的直线传播 1、几个概念光源：能够发光的物体点光源：忽略发光体的大小和形状，保留它的发光性。 （力学中的质点，理想化）光能：光是一种能量，光能可以和其他形式的能量相互转化（使被照物体温度升高，使底片感光、热水器电灯、蜡烛、太阳万物生长靠太阳、光电池）光线：用来表示光束的有向直线叫做光线，直线的方向表示光束的传播方向，光线实际上不存在，它是细光束的抽象说法。 （类比：磁感线 电场线）实像和虚像点光源发出的同心光束被反射镜反射或被透射镜折射后，若能会聚在一点，则该会聚点称为实像点；若被反射镜反射或被透射镜折射后光束仍是发散的，但这光束的反向
2、延长线交于一点，则该点称为虚像点实像点构成的集合称为实像，实像可以用光屏接收，也可以用肉眼直接观察；虚像不能用光屏接收，只能用肉眼观察2光在同一种均匀介质中是沿直线传播的注意前提条件：在同一种介质中，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质） ；“海市蜃楼”现象（介质不均匀） 。点评：光的直线传播是一个近似的规律。当障碍物或孔的尺寸和波长可以比拟或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向。【例 1】如图所示，在 A 点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源 S。 现将小球从 A 点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前， 球抛出后做平抛运动
3、，时间 t 后水平位移是 直位移是 h= 据相1似形知识可以由比例求得 ，因此影子在墙上的运动是匀速运动。2【例 2】某人身高 1.8 m，沿一直线以 2 m/s 的速度前进，其正前方离地面 5 m 高处有h 用光的传播光在同种均匀介质中 光在两种介质的界面上光的直线传播 光的反射 光的折射小孔成像本影半影日食月食镜面反射漫反射全反射 棱镜 透镜放大镜照相机 幻灯机一盏路灯，试求人的影子在水平地面上的移动速度。解析：如图所示，设人在时间 t 内由开始位置运动到 G 位置，人头部的影子由 D 点运动到 C 点。三角形 因为三角形 以有由以上各式可以得到 G即 = 解得 S 影 =。见影的速度为
4、s 。二、反射 平面镜成像1、反射定律光射到两种介质的界面上后返回原介质时，其传播规律遵循反射定律反射定律的基本内容包含如下三个要点： 反射光线、法线、入射光线共面； 反射光线与入射光线分居法线两侧； 反射角等于入射角，即 212平面镜成像的特点平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面对称3光路图作法根据成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补画光路图。4充分利用光路可逆在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。 （眼睛在某点 A 通过平面镜所能看到的范围和在 A 点放一个点光源，该点光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。 ）5利用边缘光线作图确定范围【例 3】 如图所示，画
5、出人眼在 S 处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。解：先根据对称性作出人眼的像点 S /，再根据光路可逆，设想 S 处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。图中画出了两条边缘光线。【例 4】如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到整像的范围。解：先根据对称性作出 像 A/B/，分别作出 A 点、 B 点发出的光经平面镜反射后能射到的范围，再找到它们的公共区域（交集） 。就是能看到完整像的范围。三、折射与全反射1折射定律 (荷兰 斯涅尔)光射到两种介质的界面上后从第一种介质进入第二种介质时，其传播规律遵循折射定律折射定律的基本内容包含如下三个要点： 折射光
6、线、法线、入射光线共面； 折射光线与入射光线分居法线两侧； 入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数，即 n21射定律的各种表达形式： ( 1为入、折射角中的较大者，C 为全反射时的临界角。)M 射光路是可逆的。n1介质确定，n 确定。 （空气 水 n酒精 n（不以密度为标准）光密介质和光疏介质（1）与密度不同(2)相对性 （ 3）n 大角小，n 小角大2全反射现象（1）现象：光从光密介质进入到光速介质中时，随着入射角的增加，折射光线远离法线，强度越来越弱，但是反射光线在远离法线的同时强度越来越强，当折射角达到 90 度时，折射光线认为全部消失，只剩下反射光线全反射。（2）条件：光从光密介质射向
7、光疏介质； 入射角达到临界角，即 C1（3）临界角: 折射角为 900（发生全发射）时对应的入射角, 例 5】 直角三棱镜的顶角 =15， 棱镜材料的折射率 n=细束单色光如图所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。解：由 n=临界角大于 30小于 45，边画边算可知该光线在射到 A、 B、 C、 D 各点时的入射角依次是 75、 60、 45、 30， 因此在 A、 B、 C 均发生全反射，到 D 点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。3光导纤维，海市蜃楼和内窥镜全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤） 。光纤有内、外两层材料，其中内
8、层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。【例 6】如图所示，一条长度为 L=光导纤维用折射率为 n= 的材料制成。一2细束激光由其左端的中心点以 = 45的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：该激光在光导纤维中的速度 v 是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：由 n=c/v 可得 v =08m/s由 n=得光线从左端面射入后的折射角为 30，射到侧面时的入射角为 60，大于临界角 45，因此发生全反射，同理
9、光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面。由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为s=2L/ ，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是3t=s/v=0、棱镜和玻璃砖对光路的作用1棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折，虚像向顶角偏移。【例 7】 如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点 M，若用 a 红光， b 蓝光 D. n1a 蓝光， b 红光 解：由图可知， b 光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。2全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱
10、镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转 90o（右图 1）或 180o（右图 2） 。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。 8】 如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是 （ C ）的右表面发生全反射 3光的折射和色散一束白光经过三棱镜折射后形式色散，构成红橙黄绿蓝靛紫的七条彩色光带，形成光谱。光谱的产生表明白光是由各种单色光组成的复色光，各种单色光的偏转角度不同。红 紫偏转角 小 大折射率 n 小 大同介质速率 v 大 小频率 小 大波长 大 小4玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：射出光线和入射光线平行；各种色光在第一次入射后就发生色散；射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。【例 9】 透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足 的任意值 ：从图中可以看出，为使上表面射入的光线经两次折射后从右侧面射出， 1和 2都必须小于临界角 C，即 145， n=1/，选B 答案。 1 2红紫
