高中物理奥赛培训-光学课件.ppt

1、第一部分第一部分 几何光学几何光学1 1 光是什么光是什么2 2 光在介质表面的发射与折射光在介质表面的发射与折射3 3 近轴成像近轴成像规律规律第二部分第二部分 波动光学波动光学四四.光的干涉光的干涉五五.光的衍射光的衍射六六.光的偏振光的偏振第三部分第三部分 光学新知识（简介）光学新知识（简介）第一部分第一部分 几何光学几何光学光学是一门古老而又年轻、极具活力的物光学是一门古老而又年轻、极具活力的物理学科理学科,具有强大的生命力和发展前景！具有强大的生命力和发展前景！人类对光的研究，最初主要是试图回答人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周人怎么能看见周围的物体？围的物体？”古希

2、腊古希腊 Euclid 公元前公元前300年年触须说触须说1 1、光学简史、光学简史 墨经墨经记载了光线传播，平面镜、凹记载了光线传播，平面镜、凹面镜、面镜、凸面镜成像（公元前凸面镜成像（公元前400年）。年）。世界上第一个小孔成像的实验：世界上第一个小孔成像的实验：1 1、光学简史、光学简史战国时期战国时期 墨翟墨翟l 古代光学古代光学 公元前公元前-16-16世纪（萌芽时期）世纪（萌芽时期）l 现代光学现代光学 2020世纪初世纪初-至今（光子学时代）至今（光子学时代）1 1、光学简史、光学简史l 经典光学经典光学 1717世纪世纪-19-19世纪世纪古埃及金字塔出土的平面镜（公元前古埃及

3、金字塔出土的平面镜（公元前1000年）年）!电磁波理论。惠更斯原理；波动光学：菲涅耳。；发明望远镜和显微镜建立了折射、反射定律几何光学Maxwell-:1905年，年，Einstein 光电效应光电效应 光量子理论光量子理论1960年，年，Meiman第一台激光器第一台激光器 非线性光学非线性光学1 1、光学简史：什么是光？、光学简史：什么是光？1666年年 Newton 微粒说微粒说:光直线传播、反射光直线传播、反射.1679年年 Huygens 波动说波动说:光的折射、双折射光的折射、双折射.1801年年 Young 双缝干涉双缝干涉.1809年年 Fresnel 衍射实验衍射实验.186

4、0s Maxwell 方程组方程组:Hertz实验实验:光是电磁波光是电磁波.19世纪末世纪末 光电效应光电效应.1905年年 Einstein 提出了提出了“光子光子”.光的波粒二象性光的波粒二象性题西林壁题西林壁 北宋北宋苏轼苏轼 横看成横看成岭岭侧成侧成峰峰，远近高低各不同。远近高低各不同。不识庐山真面目，不识庐山真面目，只缘身在此山中。只缘身在此山中。“庐山也具有岭和峰的二象性庐山也具有岭和峰的二象性”！1、光学简史：什么是光？光学简史：什么是光？（德布罗意波长）（爱因斯坦光量子）hphEsJ1063.634h1 1、光学简史：什么是光、光学简史：什么是光？h 0量子物理量子物理(光学

5、光学)经典物理经典物理(光学光学)1、光学简史：什么是激光？、光学简史：什么是激光？Laser=Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation缩写。缩写。1960年，美国物理学家梅曼（年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实）在实验室中做成了第一台红宝石验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。激光器。我国于我国于1961年研制出第一台激光器，从此激光年研制出第一台激光器，从此激光技术引起了科学技术领域的巨大变化技术引起了科学技术领域的巨大变化。“激光激光”（LASER）一词是受激辐射光放大）一词是受激辐射光放大乙乙E

6、E2E E1 1E E1 1E E2甲甲h h还记得还记得吗？吗？上图是原子跃迁示意图，说明，在无外界影响的上图是原子跃迁示意图，说明，在无外界影响的情况下，处于高能级的原子会自发的向低能级跃情况下，处于高能级的原子会自发的向低能级跃迁而发光，这种发光过程叫做迁而发光，这种发光过程叫做自发辐射自发辐射，例如白，例如白炽灯、日光灯的光源。炽灯、日光灯的光源。1、光学简史：什么是激光？、光学简史：什么是激光？当原子处在某一激发态，当原子处在某一激发态，如果有频率如果有频率=(E=(E2 2-E-E1 1)/h)/h 的光子从附近通过，原子的光子从附近通过，原子就会放出一个同样的光子就会放出一个同样

7、的光子而跃迁到低能级而跃迁到低能级E E1 1，这种现，这种现象叫做象叫做受激辐射受激辐射。E1E2E2E1hhh甲甲乙乙激光激光光放大光放大1、光学简史：什么是激光？、光学简史：什么是激光？气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器半导体激光器半导体激光器相干性好相干性好平行度高平行度高能量集中能量集中单色性好单色性好1、光学简史：什么是激光？、光学简史：什么是激光？光学分支光学分支 光的本性光的本性研究内容研究内容几何光学几何光学量子光学量子光学非线性光学非线性光学 光与物质的相互作用光与物质的相互作用光学分支光学分支 光的产生、传播和接收规律光的产生、传播和接收规律 光的应用光的应用2.2

8、.光的波动说（惠更斯、杨、菲涅尔、夫朗和费等）光的波动说（惠更斯、杨、菲涅尔、夫朗和费等）光是一种波动（横波）光是一种波动（横波）干涉干涉衍射衍射偏振偏振光是一种电磁波（麦克斯韦）光是一种电磁波（麦克斯韦）1414:3.89 10 Hz 7.69 10 Hzv0:390nm770nm（1nm=10-9 m）真空中：真空中：介质中：介质中：cnvcn：折射率v82.9979 10 m/sc 0n:与在真空中相同3.3.光量子说（爱因斯坦）光量子说（爱因斯坦）h一束光是由有限个能量量子组成，称为光量子，简一束光是由有限个能量量子组成，称为光量子，简称光子。光子的能量与光的频率的关系为：称光子。光子

9、的能量与光的频率的关系为：波动性：波动性：振幅：振幅：A 频率：频率：波长：波长：强度：强度：2AI 4.4.光的波粒二象性光的波粒二象性粒子性（光子）：粒子性（光子）：能量：能量：h 质量：质量：20/(0)mhcm 动量：动量：/pmchch 强度：强度：PJJhI 粒子性与波动性的关系：粒子性与波动性的关系：2AP Albert Einstein Germany and Switzerland 18791955for his services to Theoretical Physics,and especially for his discovery of the law of the

10、 photoelectric effectThe Nobel Prize in Physics 1921iir1n2n1.1.反射定律与折射定律反射定律与折射定律21sinsinnirnii12sinsinninr或或入射线、反射线、法线三者共面入射线、反射线、法线三者共面2.2.全反射全反射临界角：临界角：ci1n2nci2c1sinnin12()nn全反射：全反射：cii时，产生全反射。时，产生全反射。1.1.费马原理费马原理1.1 1.1 光程光程 光程：光程：光通过某一媒质的光程等于光在相同时间里光通过某一媒质的光程等于光在相同时间里在真空中所传播的几何路程。在真空中所传播的几何路程。

11、光程与几何路程：光程与几何路程：lnsdiiilnsn s1.2 1.2 费马原理费马原理光总是沿着光程为极值（极大、极小、恒定）的路光总是沿着光程为极值（极大、极小、恒定）的路径径从一点从一点传播传播到另一点。到另一点。媒质界面：媒质界面：反射：反射：满足反射定律：满足反射定律：折射：折射：满足折射定律：满足折射定律：APBAP Bss1212APPBAPP Bn sn sn sn s均匀媒质：均匀媒质：直线传播：直线传播：ABmABAmBss例例2.1 利用费马原理推导折射定律。利用费马原理推导折射定律。PCx解：解：0PDxx12sn APn PB222211220()nhxnhxxd0

12、dsx2012222120()()n xxn xhxhxx12sinsinninr问题问题:如何费马原理推导反射定律？如何费马原理推导反射定律？2.2.角反射器角反射器三面互成直角三面互成直角应用：应用：车尾灯反射罩车尾灯反射罩 2sin2sinminn 时，时，iimin3.3.三棱镜折射的最小偏向角（三棱镜折射的最小偏向角（1919届预赛题）届预赛题）4.4.光导纤维光导纤维21nn n半径半径o例例2.2 证明：入射到光纤一端的光线锥的最大夹角为证明：入射到光纤一端的光线锥的最大夹角为22m12arcsinnn证明：证明：11sinsincosnrni2c1sinsinniin2211c

13、12sincoscosnininn22m12arcsinnn解：解：sinsinrni例例 2.3 一个圆柱形的筒高一个圆柱形的筒高 h=20cm，底面直径，底面直径 d=15cm，观察者，观察者在筒侧某处在筒侧某处 P 看筒里，看到的最低处是侧壁深度看筒里，看到的最低处是侧壁深度11.25cmh 处的处的 A 点，如果筒里注满水，那么在点，如果筒里注满水，那么在 P 处恰好能看到侧壁底处恰好能看到侧壁底 B，求水的折射率。求水的折射率。22sindrdh22sindidh22221.33dhndh例例 2.4 一个透明光学材料，折射率在一个透明光学材料，折射率在 y 方向两侧对称方向两侧对称

14、地降低：地降低：0n ynq y，在，在 xoy 平面内有一光线以入平面内有一光线以入射角射角0030射向射向 O 点，求此光线能到达离点，求此光线能到达离 x 轴最远轴最远的距离。的距离。解：解：0011220maxsinsinsin ()sin90nininin y000001sinsin()cos22ninimax0max00()sinn ynq yni200max1/4nnyq例例 2.5 设曲面设曲面 S 是是由由曲线曲线CC绕绕 x 轴旋转而成的。曲面两轴旋转而成的。曲面两侧的折射率分别为侧的折射率分别为 n 和和n，如果所有平行于，如果所有平行于 x 轴的平行光轴的平行光线经曲面

15、折射后都相交于线经曲面折射后都相交于 x 轴上一点轴上一点 F，则曲面成为无像，则曲面成为无像差曲面，已知差曲面，已知 OF=f，求曲线所满足的方程。如果，求曲线所满足的方程。如果nn ，结果如何？结果如何？等光程：等光程：n ABn BFn OF几何关系：几何关系：ABx22BFfxyOFf2222220nnxn yn nnfxCC曲线方程曲线方程：椭圆方程椭圆方程:nn 24yfx抛物线方程抛物线方程解：解：双曲线方程双曲线方程1.1.几个基本概念几个基本概念 1.1 光轴：光轴：光学系统的对称轴光学系统的对称轴1.2 近轴光线：近轴光线：与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线与光轴夹角较小，并

16、靠近光轴的光线 1.3 1.3 符号规则符号规则实正虚负规则实正虚负规则:笛卡尔坐标规则笛卡尔坐标规则:（1）物距、像距、半径、焦距：从对称轴与折射面的交点）物距、像距、半径、焦距：从对称轴与折射面的交点算起，向右为正，向左为负算起，向右为正，向左为负。（2）物、像的大小：向上为正，向下为负。）物、像的大小：向上为正，向下为负。2.2.球面折射成像球面折射成像nnnnssr1ffss物方焦距物方焦距像方焦距像方焦距 nfrnnnfrnn 2.1 2.1 成像公式（成像公式（1919届复赛）届复赛）2.2 2.2 放大率放大率ys inskysin s nskn s例例3.1 推导球面折射成像公

17、式。推导球面折射成像公式。nin i hs解解1：利用折射定律：利用折射定律hs hr()()nn()()hhhhnnrsrsnnnnssr()nsn snPAn AP 22()PAsxh 22()APsxh22hxr解解2：利用费马原理：利用费马原理222()2hshr 22(1)sshr21 11()2shrs 21 11()2shrs1 111 11()()()22nsn snsnsrsrs nnnnssr()nsn snPAn AP,nnnnnskssrn s推论：推论：平面反射成像平面反射成像平面折射成像：平面折射成像：nnssr 1k nnr ss 1k 球面反射成像球面反射成像n

18、n 1121ssrf2rfsks,nnnnnskssrn s3.3.薄透镜成像薄透镜成像111ssfsks3.1 3.1 薄透镜成像公式薄透镜成像公式0121111(1)()nffnrr 薄透镜成像公式的推导：薄透镜成像公式的推导：I面：面：1,s s r,nnnnnskssrn sII面：面：2,s s r001nnnnssr（1）002nnnnssr（2）111ssf联立（联立（1）（）（2）得：）得：012111(1)()nfnrr3.2 3.2 薄透镜成像作图薄透镜成像作图特征光线作图法：特征光线作图法：任意光线作图法：任意光线作图法：4.4.组合成像系统组合成像系统逐次成像法：逐次成

19、像法：111111ssf21ssd222111ssf.例例3.2 一汇聚透镜在空气中的焦距为一汇聚透镜在空气中的焦距为5cm，平置于离，平置于离水箱底面水箱底面40cm的高处，水箱冲水至的高处，水箱冲水至60cm高。设玻璃高。设玻璃的折射率为的折射率为1.52，水的折射率为，水的折射率为1.33。试问：。试问：（1）水箱底面经过这一系统成像于何处？）水箱底面经过这一系统成像于何处？（2）假定水以）假定水以2cm/s的速率下降至透镜处，这段时间的速率下降至透镜处，这段时间像的变化情况，是上升还是下降？求出上升或下降像的变化情况，是上升还是下降？求出上升或下降的速度。的速度。12111(1)()n

20、frr玻空解：解：12111(1)()nfnrr玻水水(1)18.2cmnnffnn水玻空水玻水11111ssf水11133.4cms fssf水水=+212013.4cmss2210nss水2210.0cmssn水=（1）21(20)13.42ssvtt2210nss水2210.0 1.46sstn水=（2）相对于透镜的位置：相对于透镜的位置：222030.00.54ssvtt=像以像以0.54m/s的速度下降。的速度下降。例例 3.3 如图所示，一半径为如图所示，一半径为 R、折射率为、折射率为 n 的透明球体置于折射率的透明球体置于折射率n0=1 的空气中，其球心位于光轴的的空气中，其球

21、心位于光轴的 O 处，左、右球面与光轴的交点处，左、右球面与光轴的交点为为 O1与与 O2。球体右半球面为一球面反射镜，组成球形反射器球体右半球面为一球面反射镜，组成球形反射器。光光轴上轴上 O1点左侧有一发光物点点左侧有一发光物点 P，P 点到球面顶点点到球面顶点 O1的距离为的距离为 s。由由P 点发出的光线满足傍轴条件，不考虑在折射面上发生的反射点发出的光线满足傍轴条件，不考虑在折射面上发生的反射。（1）问发光物点问发光物点 P 经此反射器，最后的像点位于何处？经此反射器，最后的像点位于何处？（2）当当 P 点沿光轴以大小为点沿光轴以大小为 v 的速度由左向右匀速运动时，试问最的速度由左

22、向右匀速运动时，试问最后的像点将以怎样的速度运动？并说明当球体的折射率后的像点将以怎样的速度运动？并说明当球体的折射率 n 取何值时取何值时像点亦做匀速运动像点亦做匀速运动。1111nnssR解：解：第一次成像：第一次成像：1(1)nsRsnsR1ss 第二次成像：第二次成像：212ssR22112ssR2(2)2(3)3n sRsRn sR 3311nnssR第三次成像：第三次成像：3(4)4(42)(4)n sRsRn sn R322ssR3(4)4(42)(4)n sRsRn sn R 33(4)()4(42)()(4)n ssRssRn ssn R(4)(42)ansRbnsaRb22

23、2(4)(42)(42)()ans bnsRbns24()(2)abanabsRbb22an R sRbb2232n Rssb22223322(42)(4)sn Rn Rvvvtbn sn R 当当 n2 时，3v与与 s 无关，像作匀速运动。无关，像作匀速运动。例例 3.4 正午时太阳的入射光与水平面的夹角正午时太阳的入射光与水平面的夹角45。有一房子的南有一房子的南墙上有一个直径墙上有一个直径100cmW 的圆窗的圆窗。试设计一套采光装置，使得太试设计一套采光装置，使得太阳光能进入窗口阳光能进入窗口。要求进入的光为充满窗口、垂直墙面、且光强是要求进入的光为充满窗口、垂直墙面、且光强是进入光

24、具组前进入光具组前 2 倍的平行光倍的平行光。可供选用的光学器件如下：一个平面可供选用的光学器件如下：一个平面镜，两个凸透镜镜，两个凸透镜，两个凹透镜，两个凹透镜；平面镜的反射率为；平面镜的反射率为 80%，透镜的透，透镜的透射率为射率为 70%，忽略透镜表面对光的反射，忽略透镜表面对光的反射。要求从这些器件中选用最要求从这些器件中选用最少的器件组成光具组采光装置少的器件组成光具组采光装置。（1）画出所选器件的位置图画出所选器件的位置图及光路图；及光路图；（2）求出所选器件的最小尺求出所选器件的最小尺寸和透镜焦距应满足的条件寸和透镜焦距应满足的条件。WH南解解1：11222.26fDfD210

25、cmD 1122I SI S221121222ISDISD1222.6cm10.0cmDD0.8 0.70.70.392平面镜为椭圆面时，其面积为最小。椭圆的半长短轴分别为：平面镜为椭圆面时，其面积为最小。椭圆的半长短轴分别为：10129.5cm2 sin22.5Da 1111.3cm2bD解解2：11222.26fDfD210cmD 1122I SI S221121222ISDISD1222.6cm10.0cmDD0.8 0.70.70.392平面镜为椭圆面时，其面积为最小。椭圆的半长短轴分别为：平面镜为椭圆面时，其面积为最小。椭圆的半长短轴分别为：20113.1cm2 sin22.5Da

26、215.0cm2bD第二部分第二部分 波动光学波动光学1.1.光的干涉现象光的干涉现象12101202cos()cos()ssEAtEAt11112222cos(/)cos(/)EAtr uEAtru12cos()EEEAt22212122cosAAAA A)(21212rr 2IA121 22cosIIII Ir1r2S1S2P理论分析：理论分析：2.1 2.1 非相干光的叠加非相干光的叠加01coscosd0t21III均匀亮度均匀亮度121 221212cos2()IIII Irrr1r2S1S2P01coscosdcost2.2 2.2 相干光的叠加相干光的叠加cos22121IIII

27、I1212121 21121 22,(2)4(21),(2)0IIIIkIIII IIkIIII I 产生干涉现象，形成明暗相间的条纹。产生干涉现象，形成明暗相间的条纹。121 221212cos2()IIII Irrr1r2S1S2P非相干光非相干光2.2.光程差与明暗条件光程差与明暗条件 121020cos,cosssEAtEAt1111cos()rEAtu2 21 1()n rn rcS1S2n2n1r1r2P 22222 22cos()cos()rEAtun rAtc1 11cos()n rAtc212()ll212()ll211()2kllk明暗 为光在真空中的波长。为光在真空中的波

28、长。2(21)kk明暗 等光程性等光程性 3 3杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 3.1 3.1 条纹的形成条纹的形成 由双缝由双缝s1和和s2发出的两相干光在屏幕上各点叠加。发出的两相干光在屏幕上各点叠加。3.2 3.2 明暗条件与条纹特点明暗条件与条纹特点 21rr),2,1,0()21(kDdkDdkx暗明xDdCxsind (1/2)kk明暗dxD 复色光照射，形成彩色条纹。复色光照射，形成彩色条纹。x随随增大而增大。增大而增大。白光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片杨杨(T.Young)在在1801年首先发现光的干涉年首先发现光的干涉现象，并首次测量了现象，并首次测量了光波的波

29、长。光波的波长。菲涅尔双镜实验菲涅尔双镜实验等效于虚光源和发出的相干光的干涉等效于虚光源和发出的相干光的干涉例例 4.1 已知杨氏双缝实验中，双缝相距已知杨氏双缝实验中，双缝相距mmd2.0，观，观察屏到双缝的距离察屏到双缝的距离mD5.0，入射光波长，入射光波长)(60000A。今用一厚度今用一厚度)(108.13mme，折射率，折射率5.1n的云母片的云母片覆盖上面的一个缝。求：覆盖上面的一个缝。求：（1）零级明条纹的位置；）零级明条纹的位置；（2）O 是明条纹还是暗条纹？是明条纹还是暗条纹？（3）相邻两明条纹的距离。）相邻两明条纹的距离。解：解：21rnerd（1）(1)dxneD21(

30、1)rrne零级明条纹：零级明条纹：(1)0dxneD(1)2.25()Dexnmmd（2）O点：点：43(1)9.0 10()2nemm 暗条纹暗条纹 （3）(1)dxnekD(1)exkDnDdd1.5()xDmmde4.1 4.1 薄膜干涉的形成薄膜干涉的形成4.4.薄膜干涉（等厚干涉）薄膜干涉（等厚干涉）e 12n薄膜上、下两表面反射的两相干光叠加，形成干涉薄膜上、下两表面反射的两相干光叠加，形成干涉条纹。条纹。1(),(1,2,3.)2 2,(0,1,2.)2kknekkn明暗 e 12n,(1,2,3.)212(),(0,1,2.)2kknekk明暗4.2 4.2 光程差及明暗条件

31、光程差及明暗条件 等厚干涉的光程差等厚干涉的光程差决定于厚度决定于厚度 e 条纹的形条纹的形状决定于状决定于 e 相同处的轨迹。相同处的轨迹。e 12n问题：问题：如图如图,若薄膜的上面与下面不是空气，而是若薄膜的上面与下面不是空气，而是折射率分别为折射率分别为n1和和n2的媒质，试讨论的媒质，试讨论n、n1和和n2不同不同取值下反射光的光程差。折射光的光程差为多少？取值下反射光的光程差。折射光的光程差为多少？e 12nn1n21(),(1,2,3.)2 2,(0,1,2.)2kkenxkkn明暗4.3 4.3 劈尖的干涉劈尖的干涉 1(),(1,2,3.)2 2,(0,1,2.)2kknek

32、kn明暗x e12 nx条纹间距：条纹间距：2xn1(),(1,2,3.)2 2,(0,1,2.)2kkekk明暗2reR1(),(1,2,3.)=2,(0,1,2.)kRkkRk明暗4.4 4.4 牛顿环牛顿环 条纹特点：条纹特点：以以O为圆心的明暗相为圆心的明暗相间同心圆，相邻条纹不等间距，间同心圆，相邻条纹不等间距，内疏外密。内疏外密。白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片例例 4.2 增透膜与高反射膜增透膜与高反射膜：如图，玻璃（折射率如图，玻璃（折射率50.13n）表面上涂一层厚度均匀的表面上涂一层厚度均匀的2MgF（折射率（折射率33.12n）薄）薄膜。今以膜。今以0A5500的

33、单色光垂直入射。的单色光垂直入射。（1）当薄膜厚度）当薄膜厚度 e 满足什么条件满足什么条件时，反射光加强？时，反射光加强？（2）当）当 e 满足什么条件满足什么条件时，透射射光加强？时，透射射光加强？22n ek反022068 A(1,2,.)2ekkkn解：解：（1）（2）2122n ek透02112068(A)(1,2,.)2 22ekkkn（）（）例例 4.3 如图，一平凹透镜放如图，一平凹透镜放在一平玻璃上，形成一空气薄在一平玻璃上，形成一空气薄膜，设透镜的凹面为球面，其膜，设透镜的凹面为球面，其半径为半径为 R，空气薄膜中心的厚，空气薄膜中心的厚度为度为 h（Rh），今以波长），今

34、以波长为为 的单色平行光垂直照射。的单色平行光垂直照射。（1）分析干涉条纹的形状；）分析干涉条纹的形状；（2）k级明条纹到透镜中心级明条纹到透镜中心的距离；的距离；（3）若）若 3 h，则一共可看，则一共可看到多少条明条纹？透镜中心到多少条明条纹？透镜中心是明条纹还是暗条纹？透镜是明条纹还是暗条纹？透镜边缘是明条纹还是暗条纹？边缘是明条纹还是暗条纹？ORh解：解：（1）以透镜中心为）以透镜中心为 圆心的明暗相间同心圆。圆心的明暗相间同心圆。22ek1()2ek（2）22()rRRheORhre22()()R hehe2()R he12()2RhkR22ek（3）ORhremax21int()6

35、2hk边缘：边缘：2，暗条纹，暗条纹 中心：中心：6.5，暗条纹，暗条纹 一共可看到一共可看到 6 条明条纹。条明条纹。例例 4.4 波长为波长为 的单色光垂直入射到一折射率为的单色光垂直入射到一折射率为 n 的玻的玻璃劈尖的表面，由于劈尖上表面某处不平，结果观察到该璃劈尖的表面，由于劈尖上表面某处不平，结果观察到该劈尖的干涉条纹如图所示。劈尖的干涉条纹如图所示。（1）劈尖上表面不平处凸起或凹下？）劈尖上表面不平处凸起或凹下？（2）凸起的最大高度（或凹下的最大深度）为多少？）凸起的最大高度（或凹下的最大深度）为多少？解：解：（1）凹下）凹下bHab2an2bHn a（2）bH1.1.光的衍射光

36、的衍射1.1 1.1 光的衍射现象：光的衍射现象：条件：条件：衍射物的尺寸不比光的波长大得多。衍射物的尺寸不比光的波长大得多。光在传播过程中遇到小孔、光在传播过程中遇到小孔、狭缝或障碍物时能改变其直线传播的特性而绕过小狭缝或障碍物时能改变其直线传播的特性而绕过小孔、狭缝或障碍物的现象。孔、狭缝或障碍物的现象。1.2 1.2 惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理1.3 1.3 光的衍射的本质：光的衍射的本质：波传播到各点，都可以视为发射子波的波源。从各波传播到各点，都可以视为发射子波的波源。从各点发出子波，在空间相遇时，也可相互迭加而产生点发出子波，在空间相遇时，也可相互迭加而产生干涉现象干涉现象

37、多光束干涉多光束干涉 P由狭缝上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平由狭缝上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平面上各点叠加。面上各点叠加。2.1 2.1 条纹的形成条纹的形成(b)S Pf O xC AB(a)2.2.单缝（夫琅和费）衍射单缝（夫琅和费）衍射P点的光强决定于沿点的光强决定于沿CP方向传播的平行光经衍射透方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在该点迭加的结果。镜汇聚后在该点迭加的结果。sin0(1,2,3)(1/2)kkakkk级暗纹零级明纹级明纹 Pf O xC(a)(b)2.2 2.2 明暗条件明暗条件2.3 2.3 衍射图样衍射图样以以O为对称，相互平行、明暗相间的条纹。各级明

38、纹为对称，相互平行、明暗相间的条纹。各级明纹亮度不一，级数越大，亮度越小。亮度不一，级数越大，亮度越小。Pf O xC(a)(b)2.4 2.4 条纹角宽度条纹角宽度02,(0)kkaa f OC(a)(b)0k3.1 3.1 条纹的形成条纹的形成3 3圆孔衍射圆孔衍射 S Pf O rC AB 由圆孔上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平由圆孔上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平面上各点叠加。面上各点叠加。P点的光强决定于沿点的光强决定于沿CP方向传播的平行光经衍射透方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在该点迭加的结果。镜汇聚后在该点迭加的结果。3.2 3.2 衍射图样衍射图样中心明斑（爱利斑

39、），两边明暗相间的同心圆。中心明斑（爱利斑），两边明暗相间的同心圆。(b)Pf O rC(a)RD61.022.11爱利斑半张角：爱利斑半张角：4.1 4.1 几何光学与波动光学几何光学与波动光学圆孔衍射圆孔衍射几何光学几何光学:形成像形成像S波动光学波动光学:形成圆孔衍射图样形成圆孔衍射图样11.22rfDD 时，时，r10,波动光学波动光学几何光学几何光学 Sf S4.4.光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领 几何光学是波动光学在衍射物尺寸远大于光几何光学是波动光学在衍射物尺寸远大于光的波长条件下的的波长条件下的近似近似。结论结论0波动光学波动光学几何光学几何光学4.2 4.2 光学仪器的

40、分辨本领光学仪器的分辨本领瑞利判据：瑞利判据：刚能分辨刚能分辨一个点光源的衍射图样的中心最亮处恰好与另一点一个点光源的衍射图样的中心最亮处恰好与另一点光源的第一个最暗处重合时，则这两个点光源刚好光源的第一个最暗处重合时，则这两个点光源刚好能被这个光学仪器分辨。能被这个光学仪器分辨。(a)(b)(c)1=1 1光学仪器的分辨本领：光学仪器的分辨本领：最小分辨角：最小分辨角：D22.11分辨率：分辨率：/1M 刚能分辨刚能分辨“哈勃哈勃”号太空望远镜号太空望远镜是目是目前被送入轨道的口径最大的前被送入轨道的口径最大的望远镜。它全长望远镜。它全长12.812.8米，米，镜镜筒直径筒直径4.274.2

41、7米米，重，重1111吨，由吨，由三大部分组成，第一部分是三大部分组成，第一部分是光学部分，第二部分是科学光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助系统，仪器，第三部分是辅助系统，包括两个长包括两个长11.811.8米，宽米，宽2.32.3米，能提供米，能提供2.42.4千瓦功率的千瓦功率的太阳电池帆板，两个与地面太阳电池帆板，两个与地面通讯用的抛物面天通讯用的抛物面天 “哈勃哈勃”号太空望远镜号太空望远镜:阿雷西博射电望远镜：阿雷西博射电望远镜：世界上最大的单台射电望远镜，世界上最大的单台射电望远镜，直径直径350350米，设在中美洲波多黎各。米，设在中美洲波多黎各。阿雷西博射电望远镜：阿

42、雷西博射电望远镜：电子显微镜电子显微镜:流行感冒病毒流行感冒病毒乙肝病毒乙肝病毒人类人类X染色体和染色体和Y染色体染色体 花粉花粉 灯泡钨丝灯泡钨丝 光盘表面光盘表面 电子显微镜下的影像电子显微镜下的影像5.1 5.1 光栅：光栅：由许多等宽等间距的狭缝组成。由许多等宽等间距的狭缝组成。5 5光栅衍射光栅衍射光栅参数：光栅参数：缝宽：缝宽：a缝数：缝数：N光栅常数：光栅常数：d(b)ad5.2 5.2 条纹的形成条纹的形成 OPLEGCP点的光强决定于沿点的光强决定于沿CP方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后方向传播的平行光经衍射透镜汇聚后在在P点迭加的结果。点迭加的结果。由各狭缝上上各点发出的相

43、干光经衍射透镜后在其焦平面上由各狭缝上上各点发出的相干光经衍射透镜后在其焦平面上各点叠加。各点叠加。5.3 5.3 光栅方程光栅方程 sin(0,1,2,)dkk 当当P点的位置（由点的位置（由 决定）满足决定）满足则则P点为第点为第k级主极大。在此处形成一亮而细的条纹。级主极大。在此处形成一亮而细的条纹。OPLEGC自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光1 1光的偏振状态光的偏振状态1.1 1.1 偏振片：偏振片：只让某一方向的光振动分量通过而吸只让某一方向的光振动分量通过而吸收与这一方向垂直的光振动分量。收与这一方向垂直的光振动分量。1.2 1.2 起偏与检偏起偏与检偏起偏：起偏

44、：A：自然光，：自然光，B、C：线偏振光：线偏振光 ABCP1P22 2马吕斯定律马吕斯定律检偏：检偏：ABA：自然光：自然光B：亮度不变：亮度不变A：线偏振光：线偏振光B：最亮到全暗：最亮到全暗A：部分偏振光：部分偏振光B：亮度变化，但不全暗：亮度变化，但不全暗 2/01II 2.3 2.3 马吕斯定律马吕斯定律cos12AA 212cosII I0I1I2P1P2P2P1A1A2A立体电影立体电影S：自然光自然光 R：部分偏振光，部分偏振光，垂直垂直入入射面的振动占优势。射面的振动占优势。R：部分偏振光，：部分偏振光，平行平行入射面的振动占优势。入射面的振动占优势。3 3反射光和折射光的偏

45、振反射光和折射光的偏振 i i rSRn1n2R3.1 3.1 反射光和折射光的偏振状态反射光和折射光的偏振状态3.2 3.2 布儒斯特定律布儒斯特定律时，反射光为线偏振光，振时，反射光为线偏振光，振动方向垂直入射面；折射光动方向垂直入射面；折射光为部分偏振光，为部分偏振光，平行平行入射面入射面的振动占优势。的振动占优势。0i称为布儒称为布儒斯特角。斯特角。201tannin当入射角满足：当入射角满足：i0+r=/2 i0i0rSRRn2n1 利用多次折射产生偏振光利用多次折射产生偏振光问题：问题：摄影用的偏光镜如选择适当角度可消除或减摄影用的偏光镜如选择适当角度可消除或减弱水和玻璃等非金属表

46、面的反光弱水和玻璃等非金属表面的反光 这是为什么这是为什么?有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰片消除了反射光的干扰第三部分第三部分 光学新知识（简介）光学新知识（简介）1.1.眼睛辨别距离（空间感）原理眼睛辨别距离（空间感）原理3D3D技术关键：技术关键：拍摄：拍摄：双镜头拍摄，分别纪录左右眼看到的图像。双镜头拍摄，分别纪录左右眼看到的图像。显示：显示：左右镜头拍摄的图像一起显示在屏幕上。左右镜头拍摄的图像一起显示在屏幕上。观看：观看：左眼只看到左镜头拍摄的图像；右眼只看到左眼只看到左镜头拍摄的图像；右眼只看到右镜头拍摄的图像右镜头

47、拍摄的图像关键技术。关键技术。2.2.眼镜眼镜3D3D2.1 2.1 红蓝格式红蓝格式3D3D2.2 2.2 偏光式偏光式3D3D2.3 2.3 快门式快门式3D3D偏光式与快门式偏光式与快门式3D3D3.3.裸眼裸眼3D3D3.1 3.1 遮光式裸眼遮光式裸眼3D3D在立体显示模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透在立体显示模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不明的条纹会遮挡右眼；应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼。透明的条纹会遮挡左眼。视差障壁视差障壁LCD面板面板 3.2 3.2

48、 柱状透镜式裸眼柱状透镜式裸眼3D3DL焦平面焦平面 圆柱镜折射原理圆柱镜折射原理 2001年加州大学的年加州大学的David Smith等人根据等人根据Pendry等人的建等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，并观察到了其中的反常折负介电常数、负磁导率的物质，并观察到了其中的反常折射定律。射定律。1967年，前苏联物理学家年，前苏联物理学家Veselago从理论上预言了负折射从理论上预言了负折射率的存在。率的存在。1.1.负折射率材料的发现负折射率材料的发现2.2.负折射率媒质的反射与折射特性负

49、折射率媒质的反射与折射特性iir1n2n21sinsinnirnii正常媒质的反射与折射正常媒质的反射与折射负折射率媒质的反射与折射负折射率媒质的反射与折射iir1n20n ii21sinsinnirn3.3.负折射率媒质的成像规律负折射率媒质的成像规律3.1 平板成像（平板成像（n21的情况）的情况）B等大正立实像等大正立实像ABAABirri2nB等大正立虚像等大正立虚像ABAirriBA2n3.2 平板成像（平板成像（n2 1的情况）的情况）cotshr PPPssri2nhirtan cotsir 2sinsininr 2sinsinirn 222sincotsinniri22222(

50、1)tanss nni 近轴光线：近轴光线：n2 1，与与i 有关，无法成像。有关，无法成像。2tan0i 2sn s 与与i 无关，可成像。无关，可成像。3.3 透镜成像透镜成像例例 8.1 近年来，科学家们发现通过在材料中构筑一些远近年来，科学家们发现通过在材料中构筑一些远小于光波波长尺度的微小结构，可以使这种有微结构的小于光波波长尺度的微小结构，可以使这种有微结构的材料在宏观上表现出具有负的折射率；而且，当光入射材料在宏观上表现出具有负的折射率；而且，当光入射到这种介质的表面时，传统的反射定律和折射定律都适到这种介质的表面时，传统的反射定律和折射定律都适用。用。t0ns10n10n假设如