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003 几何光学的基本概念

2009-11-13 16:10:38 来源:网络作者:大红鹰【大中小】浏览:53589次评论:0条

光是一种电磁波，具有波动和微粒两重性。几何光学是撇开光的波动性，仅以光的直线传播性质为基础，研究光在透明介质中的传播间题。
基木概念
一、光的基本性质
(一)发光体和发光点
所有本身能发光的物体，称为发光体或光源。如太阳、电灯。不考虑发光体的大小时，可将其视为发光点或点光源，以下讨论中提到的光源，即常指点光源。
(二)光波和光速
光作为一种电磁波，有一定的波长，故又称光波。人眼可见的光波称为可见光，其波长范围为380~760nm，在电磁波谱中的位置见图
1-2-1。

在可见光区域之外的两端为紫外光区(小于380nm一端)和红外光区(大于760nm一端)，人眼不能见。单一波长的光具有特定的颜色，称为单色光。几种单色光混合后产生的光称为复色光。阳光即是一种复色光。
不同波长的光波在真空中均以完全相同的速度传播，每秒为30万千米。光波在不同密度介质中的传播速度不同，均比在真空中要小。如空气中的光速较小，但近似于真空中的光速。
(三)光线和光束
几何光学在研究光的传播时，并不把光当作电磁波来研究波动的能量传播间题，而只看作是简单的光线传播，即把“光线”看成是无直径、无体积、有一定方向的几何线条，用来表示光能传播的方向。
有一定关系的一些光线集合起来，称为光束。由一发光点发出的光束，称为发散光束。所有光线会聚于一点的光束，称为会聚光束。发光点或会聚点在无穷远时，光束中的所有光线互相平行，称为平行光束。这些都属于同心光束。而当光束中的光线既不相交于一点又不互相平行时，称为像散光束。见图1-2-2。

二、光的基本定律和原理
(一)直线传播定律
1．定律:在均匀介质中，光是沿着直线传播的。
2．注意:本定律只在一定条件下成立，如:在不均匀的介质中光线将发生弯曲;光线遇到直径接近光波波长的小孔时将发生衍射现象而偏离直线。
(二)独立传播定律
1．定律:来自不同方向的光线相遇时互不影响，仍朝各自的方向前进。
2．注意:本定律只适用于不同光源发出的光。如光线自同一光源发出后分为两束光，传播后相交，可发生干涉现象。
(三)反射定律和折射定律
1．名词解释:
(1)入射光线:指从光源投向分界面上光线投射点之间的一段光线。
(2)反射光线:指一束光线到达两种介质的分界面时，从分界面反射回到原来介质的一部分光线。
(3)折射光线:指一束光线到达两种介质的分界面时，通过分界面射入第二种介质的一部分光线。
(4)法线:在光线投射点与分界面垂直的直线。
(5)入射角:指入射光线与法线之间的夹角。
(6)反射角:指反射光线与法线之间的夹角。
(7)折射角:指折射光线与法线之间的夹角。见图1-2-3。

2．反射定律:入射光线与反射光线分居法线两侧，且与法线在同一平面内，入射角等于反射角。即
I=I’ (1-2-1)
3．折射定律:入射线、折射线与法线在同一平面内，入射角正弦与折射角正弦之比，等于第二种介质的折射率(n')与第一种介质的折射率(n)之比。即，
sinI/sinI’=n’/n (1-2-2)
(四)光路可逆原理
沿着一定线路传播的一条光线，可以沿原路从相反方向返回通过发光点。

三、符号规则
(一)符号
两个相交的球面分别以C1和C2为中心，以r1和r2为半径，通过C1和C2的连线称为光轴，球面与光轴在A1和A2点相交，称A1为前顶点，A2为后顶点。A1至A2的距离即该透镜的中心厚度t。见图1-2-4。

(二)光学符号规则
本书采用卡笛生系统(cartesian)，假定所有光线从左至右进行。
1．所有光线自透镜向左度量的距离为负，向右度量的距离为正。
2．所有光线自光轴向下度量的距离为负，向上度量的距离为正。
3．所有角度自光线转向光轴度量，顺时针为负，逆时针为正。见图 1-2-5。

思考题
1．何为法线、入射光线、反射光线和折射光线?
2．简述光线的反射定律和折射定律。
3．试述光线的符号规则。

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责任编辑：peijingshi

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