光学实验补充讲义[1]

重点高校自主招生网络课程讲义
(i1 i2 ) (i1 i2 )
i1 i1
其中 sin i1 nsin i2
sin i2 nsin i1
当 i1 i1
时（此时 i2 i2
），偏折角最小： 2
min
2i1
2 arcsin(n sin
) 2
或者
n
sin
min 2
，利用此式可以测棱镜的折射率
sin
2
横截面为等腰直角三角形的棱镜称全反射棱镜。
霓虹原理：虹和霓是太阳被大气中的小水滴折射和反射形成的色散现象。 阳光在水滴上经两次折射和一次反射，形成内紫外红的虹； 阳光经小滴两次折射和两次反射，形成内红外紫的霓。
由于霓经过两次反射，因此光线较弱，不容易看到。
阳光
紫
红
红
紫 阳光
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做诚信、务实、创新、自强，受人尊敬的教育品牌！
线经反射后平行于主轴。
球面镜成像公式
11 1
A
u f
注意：符号遵循“实取正，虚取负”的原则。即：凹镜 焦距 f 取正，凸镜焦距 f 取负；实物 u 取正，虚物 u 取负； 实像 v 为正，虚像 v 为负。
像长和物长之比为成像放大率，用 m 表示，
F S C S
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物-像共轭 像是客观的，与人是否观察到无关
二、光的反射
例1.如图所示，AB 表示一平直的平面镜， P1P2 是水平放置的 米尺（有刻度的一面朝着平面镜），MN 是屏，三者相互平
P1 S
行，屏 MN 上的 ab 表示一条竖直的缝（即 ab 之间是透光 M a
的）。某人眼睛紧贴米尺上的小孔 S（其位置如图所示）， A

1.3 主视窗的操作（Main Windows Operations）
主视窗在执行 ZEMAX 后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图 1.1 所示。上部有标 题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL） 、F 数（WFNO） 、入 瞳直径（ENPD） 、系统总长（TOTR） 。 主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有： 文件（File） 展开后有文件的打开（Open） ，新建（New） ，存储（Save） ，另存为（Save as）等，偏好 （Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。 编辑器（Editors） 栏中包括 ZEMAX 中所有编辑器命令， 展开后可打开 Lens data editor， Merit function editor。 系统（System） 定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。 分析（Analysis） 它是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一， 是用来进行像质评价和分析的主要工具， 对于其 中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans 中的球差（Ray aberration） ，点 列图（Spot diagrams） 、调制传递函数（MTF） 、点扩散函数（PSF） 、波像差（Wavefront） 、圆内 能量集中度（Encircled Energy） ；杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（Field Curv/Dist） 、轴 向球差（Longitudinal aberration）和垂轴色差（Lateral Color） 。 工具（Tools） 也是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一， 分成七块： 第一块用来进行光学镜头的局部优化 （Optimization） 、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析镜头的公 差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新 增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。第四块是镀膜模型。

一：光的直线传播1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。

如太阳、萤火虫、篝火、蜡烛、油灯、电灯。

月亮本身不会发光，它不是光源。

2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。

3、光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方法之一。

4、应用及现象：①激光准直。

②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。

③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。

如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。

④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。

5、光速：由于光的传播速度很大，所以测定光的传播速度是非常困难的。

第一个测量光速的科学家是伽利略，但遗憾的是他失败了。

后来经过几代科学家的不懈努力，测出的结果一次比一次精确，现在公认光在真空．．中的传播速度是3×108 ｍ／ｓ，常用字母c表示。

（光的传播不需要介质，也就是光可以在真空中传播）二、光的反射规律1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。

2、反射定律：三线同面,法线居中,两角相等,1、反射光线与入射光线、法线在同一平面上，2、反射光线和入射光线分居于法线的两侧，3、反射角等于入射角。

3、光的反射的几个名词明确什么是入射光线、反射光线、入射点、法线、入射角和反射角。

【练一练】你能画图表示光的反射现象，并在图上分别标上“入射光线”、“反射光线”、“入射点”、“法线”、“入射角”、“反射角”吗？三、镜面反射和漫反射光的反射分为镜面反射与漫反射两类。

⑴镜面反射：定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行条件：反射面平滑。

应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。

黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵漫反射：定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。

⎰=AB 极值nds 光学讲义大纲几何光学§1基本概念及实验定律一、光线与波面二、基本定律（实验规律）1、光在均匀介质中沿直线传播2、光的独立性，光路可逆原理3、光的反射和折射定律4、全反射入射角c i ：临界角光学纤维5、三棱镜功能：偏向，色散（分光）光线两次发生折射后，出射线和入射线的夹角称为偏向角。

最小偏向角与材料折射率的关系2sin 2sin sin sin 021A A i i n +==θ三、惠更斯原理四、费马原理概括了光线传播所遵循的规律§2成像的基本概念及规律一、成像的基本概念二、球面折射成像的规律及公式12021arcsin 90sin sin n n i n i n c c ==rn n v n u n -'='+高斯公式1='+v f u f 横向放大率un nv y y '-='≡β三、球面反射211r v u =+2r f f =='横向放大率u v y y -='≡β四、平面折射u n n v '-=五、平面反射uv -=六、薄透镜成像1、薄透镜物像公式221121r n n r n n v n u n -+-=+高斯公式：1='+v f u f 当121==n n ，)11)(1(121r r n f f --=-='fv u 111=+横向放大率un v n y y 21-='≡β七、薄透镜的作图法求像§3光学仪器一、人眼作为能量接收器，感知400—760nm ；只能辨别和比较，不能测量光强大小；有视觉暂留特性，1/16秒。

二、助视仪的放大本领1、放大本领（视角放大率）助视：放大视角放大本领：UU U U l l M '='='= tan tan 2、放大镜（以凸透镜为例）fy fy U U M 2525//=='=3、显微镜的放大本领2121212525f f f f l M M ∆≈≈⋅≈β4、望远镜的放大本领（1）开普勒式望远镜（2）伽利略式望远镜21f fU U M ='=波动光学§1光的干涉一、光的相干性与非相干性相干条件两列光波在相遇区（1）频率一致，相位差恒定（2）振动方向在同一直线上。