第一章几何光学的基本原理.doc

第1章 几何光学的基本原理 [基本要求] 1．明确光线和光束的概念． 2．理解物和像的概念．掌握虚物和虚像的实质． 3．了解费马原理在几何光学中的地位和作用． 4．掌握几何光学中的新笛卡儿符号法则． 5．掌握用物像公式寻找成像规律． 6．掌握以几何光学的光线作图法寻找成像规律． 7．学会运用物像公式和光线作图法求解单球面折射和薄镜的成像问题． 8．了解理想光具组的基点和基面的意义． 1．1 光线的概念 [教学目标] 1．理解光线和波面的概念； 2．熟悉几何光学的基本实验定律。 [教学内容] 一、光线与波面 光线：表示光传播方向的带有箭头的几何线为光线。（能否在一束光中分出一条光线来？） 波面：相位相同的各点构成的面为波面。 在平面波和球面波的情形下光线与波面垂直。 几何光学：以几何定律和某些基本实验定律为基础的光学称为几何光学(或光线光学)． 波动光学：反映光的波动性的那部分光学称为波动光学． 注意：几何光学所研究的实际上就是波动光学的极限情况． 二、几何光学的基本实验定律 (1)光在均匀介质中的直线传播定律； (2)光通过两种介质分界面时的反射定律和折射定律； (3)光的独立传播定律和光路可逆原理．(重点介绍) 1．2 费马原理 [教学目标] 理解费马原理极值的物理意义。 [教学内容] 费马原理：光从空间一点A到另一点B是沿着光程为极值（最大值、最小值或恒定值）的路径传播的，这一规律叫费马原理。 （最大值、最小值或恒定值） （1）由费马原理可导出光在均匀介质中的直线传播定律；光通过两种介质分界面时的反射定律和折射定律；光的独立传播定律和光路可逆原理。 （2）“光程”能否换为“时间”、“路程”？ （3）实际使用仍离不开三个实验定律，而原理本身并非是一计算工具，其作用是表明三个定律有联系，同时也推动了其它学科的发展、创立，如：分析力学，量子力学。 （4）取三种极值的情形。 1.3 单心光束 实像和虚像 [教学目标] 1．理解单心光束 实像和虚像的概念； 2．明确实物、实像、虚像的联系与区别。 [重点] 单心光束 实像和虚像。 [教学内容] 一、单心光束 实像和虚像 单心光束：凡是具有单个顶点的光束叫单心光束。 （1）点光源发出的球面光波是单心光束，平面光波了也是单心光束，其顶点在无限远处。而有一定大小的物体，是一系列单心光束的组合。 （2）单心光束经光学系统后仍保持为单心光束，则像与物一样，此时保持了光束的单心性，可成像；否则，单心性被破坏，出现像差，不能成像。 实像：自物点发出的单心光束经光学系统后仍保持为单心光束，且光束的心有实际光线通过，那么这个心叫实像。 虚像：自物点发出的单心光束经光学系统后仍保持为单心光束，其光线反向延长线的交点与该单心光束的心重合，那么这个顶点叫虚像。 二、实物、实像、虚像的联系与区别 人眼是如何看物的？ （1）人眼看到的是光束顶点（散射中心），而非本身； （2）人眼的感觉是以刚进入人眼瞳孔方向按照直线传播的经验逆向寻找光束发散顶点的位置。 1．三者联系 对人眼、光学仪器都当物来看待。 2．区别 （1）实物与实像、虚像区别 实物沿任何方向均可看到，而实像、虚像则受观察范围的限制。 （2）实像与虚像区别 实像处有实际光线通过，虚像处则无。 1．4 光在平面上的反射和折射 光学纤维 [教学目标] 1．明确反射成像的特点和像似深度公式； 2．理解光学纤维和棱镜。 [重点] 像似深度公式 [教学内容] 一、光在平面上的反射 保持光束的单心性并成完善像的光学系统。 像与物关于平面是对称的。 二、平面折射 光束的单心性破坏，且考虑空间光束时，点物成了两条像线即子午焦线和弧氏焦线。 当时，此时单心性近似保持，可成像。 为像似深度公式。 问题：为什么沿倾斜方向能看清水下物体？ 例1 三、全反射 光学纤维 1．全反射：光从光密介质射向光疏介质，当入射角大于或等于临界角时，入射光全部被反射的现象叫全反射。 临界角 例2 2．光学纤维 利用全反射使光线沿弯曲的路程从一端传到另一端的光学元件。 问题：怎样选择材料制造光学纤维？ 四、棱镜 实验证明当时偏向角达最小值 利用全反射棱镜可改变光线方向和位置。 1．5 光在球面上的反射和折射 [教学目标] 1．掌握符号法则； 2．掌握近轴条件下单球面成像的物像公式。 [重点] 符号法则和单球面的物像公式。 [难点] 物像公式的导出。 [教学内容] 一、符号法则 在计算任一条光线的线段长度和角度时，对符号作如下规定： （1）线段长度都从顶点（或焦点、主点）算起，凡光线和主轴的交点在顶点右方的，线段长度的数值为正；凡光线和主轴的交点在顶点左方线段长度的数值为负。物点或像点至主轴的距离，在主轴上方正，在下方为负。（这里以箭头作为参考