第二章.几何光学详解

第二章几何光学知识光是一种电磁波，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问题。

第一节基本概念一、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2-1-1。

在可见光区域之外的两端为紫外光区（小于380 nm一端）和红外光区（大于760 nm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。

图2-1-1 可见光在电磁波谱中的位置联（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问题，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，称为散光束。

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。

二、光的基本定律和原理（一）直线传播定律1、定律：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。

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。

几何光学物理光学知识点光学是研究光的传播、反射、折射、干涉和衍射现象的学科。

几何光学是光学的一个分支，主要研究光的传播直线性质和光的反射、折射的基本规律。

以下是几何光学的一些重要的知识点。

1.光的传播直线性质：光的传播遵循直线传播定律，即光在一种介质中以直线传播，称为光的直线传播性质。

2.光的反射定律：光在光滑表面上发生反射时，入射角等于反射角。

3. 光的折射定律：光从一种介质进入另一种介质时，入射角、折射角和两种介质的折射率之间满足折射定律，即n1*sin(θ1)=n2*sin(θ2)，其中n1和n2分别为两种介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角。

4.球面镜和薄透镜的成像公式：对于球面镜，成像公式为1/f=1/v+1/u，其中f为焦距，v为像距，u为物距。

对于薄透镜，成像公式为1/f=1/v-1/u。

5.凸凹透镜成像规律：凸透镜成像规律是物体距离凸透镜距离为f的位置，像无论在哪里都在凸透镜的反面，正立，放大，属于放大系统。

凹透镜成像规律是物体距离凹透镜越远，像越近，倒立，缩小，属于缩小系统。

6.光的干涉现象：光的干涉是指两束或多束光波叠加形成明暗相间的干涉条纹。

干涉分为相干光的干涉和非相干光的干涉，其中相干光干涉又分为同一光源光的干涉和不同光源光的干涉。

7.杨氏双缝干涉实验：是杨振宁做的关于光的干涉实验，实验证明了光的波动性。

8.杨氏实验的解释：杨氏双缝干涉实验的解释是光波从两个缝中通过后分别传播到屏幕上的不同位置，根据光的相位差和干涉条件，形成干涉条纹。

9.光的衍射现象：光的衍射是指光波通过一个小孔或物体边缘时，发生弯曲和扩散的现象。

根据衍射的级数，分为一级衍射、二级衍射、多级衍射。

10.衍射光栅：是利用衍射现象进行光学分析和测量的重要工具。

光栅是一种周期性结构，通过多级衍射产生许多衍射光束，形成明暗相间的衍射条纹。

11.真实像和虚像：根据物体和像的位置关系，成像可以分为真实像和虚像。

光学几何光学知识点总结光学几何光学是研究光传播的基本规律和现象的一门学科，它通过几何光学原理来描述光的传播路径和成像规律。

在这篇文章中，我们将总结光学几何光学的核心知识点，帮助读者加深对光学几何光学的理解。

1. 光传播的直线特性光学几何光学的基本假设之一是光在均匀介质中直线传播。

根据光的直线传播特性，我们可以得出光传播的两大基本规律：直线传播定律和逆向规律。

直线传播定律指出，光在均匀介质中传播的路径是直线。

这意味着当光通过一块透明介质时，光线的传播路径是直线，除非发生折射或反射。

逆向规律指出，光线的传播方向与光线的路径相反。

这意味着当光线反射或折射时，其传播方向会发生变化，但光线总是沿着路径的反方向传播。

2. 折射定律和反射定律折射定律和反射定律是光学几何光学中最重要的定律之一。

折射定律描述了光在两种不同介质之间传播时的路径变化规律。

它指出，光线在通过两种介质的交界面时，入射角和折射角之间的正弦比等于两种介质的折射率之比。

反射定律描述了光线从一种介质到同种介质的传播过程中的路径变化规律。

它指出，入射角和反射角之间的角度相等。

这两个定律为解释光在透明介质之间传播和反射的现象提供了重要的理论基础。

3. 成像规律成像规律是光学几何光学的核心内容之一，它用来描述光线经过光学系统（如透镜和反射面）后的成像规律。

对于薄透镜而言，成像规律可以用薄透镜公式来描述。

薄透镜公式指出，当光线通过一个薄透镜时，入射光线与透镜光轴的乘积等于出射光线与透镜光轴的乘积。

对于反射面而言，成像规律可以用镜面成像公式来描述。

镜面成像公式指出，当光线经过反射面时，入射角和出射角之间的角度关系与光的传播路径相对应。

这些成像规律帮助我们理解光在透镜和反射面上的成像过程，从而应用于光学仪器和光学系统的设计和优化。

4. 光的光程差和相干性光程差是光学几何光学中的重要概念之一。

它表示光线经过不同路径传播所经历的光程的差异。

光程差在干涉和衍射现象中起着关键作用。

几何光学知识点总结归纳在几何光学中，有很多重要的知识点和概念，本文将对几何光学的一些重要知识点进行总结和归纳。

1. 光线光线是指在光学中用来表示光传播方向和轨迹的一条直线，它是几何光学的基本概念之一。

在几何光学中，一般假设光线是直线，不考虑其波动性质。

光线的传播方向和速度与光的传播方向和速度一致，但不同于光的波动特性。

光线可以用来描述光的传播、折射和反射规律，是进行光学系统设计和分析的重要工具。

2. 折射定律折射定律是描述光线在两种介质界面上折射规律的定律。

在两种介质的界面上，入射角和折射角之间有着确定的关系，这一关系就是折射定律。

折射定律可以用来计算光线在折射介质中的传播方向和角度，同时也可以用来设计和分析光学系统中的折射元件。

折射定律的数学表达式为n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2)，其中n1和n2分别是两种介质的折射率，θ1和θ2分别是入射角和折射角。

3. 反射定律反射定律是描述光线在介质表面上反射规律的定律。

根据反射定律，入射角和反射角相等，且入射光线、反射光线和法线在同一平面内。

反射定律是光学中非常重要的定律，它可以用来计算光线在反射介质中的反射方向和角度，同时也可以用来设计和分析光学系统中的反射元件。

反射定律的数学表达式为θ1=θ2，其中θ1和θ2分别是入射角和反射角。

4. 球面折射球面折射是几何光学中的一个重要现象，它描述了光线通过球面介质界面的折射规律。

当光线通过球面介质界面时，由于介质的曲率，光线会发生折射，并且折射后的光线会经过焦点。

球面折射主要应用在光学系统的球面透镜设计和分析中，通过球面折射定律可以计算光线通过球面透镜后的折射方向和焦点位置，从而进行成像和焦距的计算。

5. 薄透镜成像薄透镜成像是几何光学中的一个重要知识点，它描述了光线通过薄透镜后的成像规律。

薄透镜成像主要应用在光学系统的透镜设计和分析中，通过薄透镜成像规律可以计算光线通过透镜后的成像位置和放大率，从而进行成像质量的评估和优化。

几何光学知识点总结高中光学是物理学的一个重要分支领域，主要研究光在空气和透明物质中传播的规律，以及光的成像、色散、干涉等现象。

几何光学是光学研究中的一个重要分支，主要研究光在透明介质中传播时的几何规律，包括反射、折射、成像等现象。

本文将从光的波动性质、光的反射和折射、成像和光学仪器等方面对几何光学知识点进行总结。

一、光的波动性质1. 光的波动模型光既具有波动性质也具有粒子性质，可以通过光的干涉、衍射、偏振等现象来说明光的波动性质。

波动模型主要是用来解释光的干涉和衍射现象，比如双缝干涉实验和单缝衍射实验。

2. 光的波长和频率光的波长决定了光的颜色，波长越短的光颜色越偏蓝，波长越长的光颜色越偏红。

而光的频率与波长之间有确定的关系，频率越高的光波长越短，频率越低的光波长越长。

3. 光的速度和光的折射率光在不同介质中传播时，速度和折射率都会发生变化。

光在真空中的速度是最快的，而在介质中的速度要小于真空中的速度。

折射率是介质对光的折射能力的度量，不同介质的折射率是不同的。

二、光的反射和折射1. 光的反射定律光线和法线的夹角等于入射角和反射角的夹角，这就是光的反射定律。

光的反射定律适用于所有的反射现象，无论是平面反射还是曲面反射。

2. 光的折射定律光线和法线的夹角的正弦比等于入射介质的折射率和折射介质的折射率的比值，这就是光的折射定律。

光的折射定律适用于所有的折射现象，无论是平面折射还是曲面折射。

3. 光的全反射当光线从折射率较高的介质朝折射率较低的介质射入时，入射角大于临界角时，光线将发生全反射。

全反射现象在光纤通信和水面反射中都有重要的应用。

三、成像和光学仪器1. 透镜成像透镜是一种常用的光学元件，主要可以将平行光线汇聚成焦点或将发散光线聚成焦点。

透镜成像可以分为凸透镜和凹透镜两种情况，分别对应着实物的虚像和实像。

2. 显微镜成像显微镜是一种用来观察微小物体的光学仪器，主要由物镜和目镜组成。

显微镜成像原理和透镜成像原理类似，但是显微镜可以放大物体的微小细节，能够观察到肉眼无法看到的微观结构。

光从空气射到水面时，一部分进入水中，另一部分光返回空气中。

一般来说，光从第1种介质射到它与第2种介质的界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫做光的反射；另一部分会进入第2种介质，这个现象叫做光的折射。

1⑴光在同一种均匀．．．．．介质中沿直线传播。

光在真空．．中的传播速度最大，约为8310m/sc=⨯。

⑵光从一种介质射到两种介质的分界面时会发生反射，反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角。

这就是光的反射定律．．．．。

2．光的折射定律荷兰数学家斯涅耳通过大量的实验数据分析，得到了以下结论：知识点睛2.1 光的折射第2讲几何光学折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。

这就是光的折射定律。

3在实际应用中，我们遇到最多的情况是光从空气射入某种介质，或从某种介质射入空气。

而空气对光的传播影响很小，可以作为真空处理。

⑴ 折射率的定义光从真空射入某种介质发生折射时，入射角1θ的正弦跟折射角2θ的正弦之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n 表示。

即12sin sinn θθ=。

⑵ 折射率与光速的关系研究表明，光在不同介质中的速度不同；某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c 与光在这种介质中的传播速度v 之比，即cn v=。

⑶ 几种介质的折射率提示：在讲完这部分内容后，教师可以让学生自己画出平行玻璃砖和三棱镜这两种重要光学元件的折射光路图。

例题说明：例1考察光的折射中涉及的基本概念，以及折射率的简单计算，难度不大；例2是常见的平行玻璃砖问题，只要求学生画出光路定性分析即可；例3中三棱镜也是常见的光学器件，要求运用折射定律进行简单计算，会用到一些简单的几何知识；例4是常见题型，结合几何关系进行折射率的例题精讲【例1【例2若在虚线位置插入厚平行玻璃【例360i =︒。