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区为伪本影区图5－2图5－1 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 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．7.68×108mC．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”。
图5－3 （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、600 B．900、30 0 C．00、600 D． 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5－4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．平面镜图5－7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图5－6 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 ）图5－8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； （4）比较物点、像点到镜面的距离是否相等，或镜与物像连线的交点是否位于连线的中心判定成像图正确与否的一种简便方法是：将纸按界面折叠，观察物与像是否“重合”在一起 图5－9 【例13】 在图5－9中，AB是物，M是平面镜若平面镜沿逆时针方向转过900，物在镜中的像将转过（ C ）A．450 B． 900 C．1800 D．3600【例14】 某人身高为 L，要购买一块穿衣镜。
为了让他能看到自己在镜子中的全身像，这面穿衣镜至少应当有多高？【例15】某平面镜的前面15cm处有一物体，该物体的像与物体之间的距离为 ，若将平面镜移至此时像所在的位置，像移动的距离为 例16】人们在照镜子时，为了看清楚自己的脸部情况，应当靠近平面镜去看脸部的像， 当人们靠近平面镜时（ ）A．平面镜所成的像会变大，人看到的像也会变大B．平面镜所成的像会变大，人看到的像大小不变C．平面镜所成的像大小不变，人看到的像会变大D．平面镜所成的像大小不变，人看到的像也大小不变【例17】 图5－10为A、B、C、D四位同学画出的平面镜所成手表的像已知手表所示的时间是4时45分，正确画出该手表像的是（ ） 图5－104．平面镜对光路的控制平面镜能够改变光的传播方向．在光学仪器中，常用平面镜控制平行光的传播方向（即控制光路）我们可以根据反射定律或平面镜的成像特点，确定平面镜的放置位置图5－11【例18】 一束平行光，从A点垂直于平面镜方向入射，平面镜水平放置在地面上方3 m处，若将平面镜沿水平轴转动300，在地面上的光斑距A点多远？【例19】太阳光沿与地面成300角的方向射向地面。
欲使太阳光改变方向，沿水平方向射向墙壁，平面镜应当如何放置？【例20】某光线射向互相垂直的两个平面镜，反射的出射光线沿什么方向？【例21】 为什么万花简里有那么多雪花图案？【例22】 如图5－11所示，游乐厅里的哈哈镜表面呈波浪形，使人像变形，令人发笑，其原因是（ ）A．表面凸的部分把人像拉长了 B．表面凹的部分把人像拉长了C．表面凸的部分把人像变短了 D．表面凹的部分把人像变短了 三、光的折射光从一种介质射入另一种介质时，光的传播方向一般都会发生变化，这种现象称为折射现象1．折射定律光在发生折射时，折射光线与入射光线、法线在同一平面上；折射光线和入射光线分居在法线的两侧；入射角α的正弦与折射角β的正弦成正比，为 式中n为第二种介质对第一种介质的折射率例23】井口的面积为S，一只青蛙在井底中心处关于青蛙在井中看到天空的大小，下列说法中正确的是（ ）A．在没有水时，看到天空的大小为S 图。