1、第三章 几何光学的基本原理教学基本要求： 阐明光线、折射率、光程、光学系统、理想成象、实物、虚物、实象、虚象和物、象空间等物理概念。 阐明平面反射、折射成象的规律。重点阐明球面镜反射成象、球面折射成象、薄透镜成象的构象公式以及平行光线和任意光线的成象作图法，培养学生的计算和作图的能力。 了解费马原理的物理思想，用费马原理推导反射或折射定律。 着重叙述基点、基面的物理意义。了解薄透镜的组合成象 阐明全反射的物理规律。扼要介绍光导纤维的构造和应用。3-1 基本概念及基本实验定律一、光线与波面1.光线： 形象 表示光的传播方向的几何线。说明： 同力学中的质点一样，光线仅是一种抽象的数学模型。它具有光
2、能，有长度，有起点、终点，但无粗细之分，仅代表光的传播方向。任何想从实际装置（如无限小的孔）中得到 “光线 ”的想法均是徒劳的。 无数光线构成光束。2.波面： 光传播中，位相相同的空间点所构成的平面或曲面。 光沿光线方向传播时，位相不断改变。说明： 波面即等相面，也是一种抽象的数学模型。 波面为平面的光波称为平面光波（如平行光束）；为球面的称为球 面光波（如点光源所发光波）；为柱面的称为柱面光波（如缝光源所发光波）3.光线与波面的关系在各向同性介质中，光线总是与波面法线方向重合。即光线与波面总是垂直的。平面波 球面波 柱面波二、几何光学的基本实验定律1.直线传播定律： 在均匀介质中，光总是沿直
3、线传播的。2.反射定律： 反射线在入射线和法线决定的平面内； 反射线、入射线分居法线两侧； 3.折射定律： 折射线在入射线和法线决定的平面内； 折射线、入射线分居法线两侧； 4.独立传播定律：5.光路可逆原理：自不同方向或不同物体发出的光线相交时，对每一光线的传播不发生影响。即各自保持自己原有的特性，沿原方向继续传播，互不影响。在几何光学中，任何光路都是可逆的。3-2 费马原理光在均匀介质中总是沿直线传播的，光在非均匀介质中又是怎样传播的？费马借助光程的概念，回答了该问题。一、费马原理1.表述： 光在空间两定点间传播时，实际光程为一特定的极值。2、表达式：nBAds3.说明： 意义：费马原理是
4、几何光学的基本原理，用以描绘光在空间两定点间的传播规律。 用途： A .可以推证反射定律、折射定律等实验定律。由此反证了费马原理的正确性 . 极值的含义：极小值，极大值，恒定值。一般情况下，实际光程大多取极小值。B.推求理想成象公式。二、费马原理的证明1、直线传播定律：（在均匀介质中）2、折射定律 ：（在非均匀介质中）i2n2BCACCBAn1OO PMi1XYZ如图示：点发出的光线入射到两种介质的平面分界面上，折射后到达点。 折射线在入射线和法线决定的平面内 只需证明折射点 C点在交线 OO上即可 . 折射线、入射线分居法线两侧i2n2BACBAn1 OOPMi1XYZA、 B、 C点坐标如
5、图示。沿此方向入射，必有i2n2BACBAn1 OOPMi1XYZ由于反射、折射定律是实验定律，是公认的正确的结论，所以，费马原理是正确的。同理：也可证明反射定律。3-3 单心光束 实像和虚像成像问题是几何光学研究的主要问题之 一。光学元件质量的高低是以成像质量来衡量的。为学习研究成像规律，首先介绍几个基本概念。一、单心光束、实像、虚像1、 发光点 ： 只有几何位置而没有大小的发射光束的光源。它也是一个抽象概念，一个理想模型，有助于描述物和像的性质。点光源就是一个发光点。若光线实际发自于某点，则称该点为实发光点；若某点为诸光线反向延长线的交点，则该点称为虚发光点。2、 单心光束 ：只有一个交点
6、的光束，亦称同心光束。该唯一的交点称为光束的顶点。发散单心光束 会聚单心光束实象 ：有实际光线会聚的象点。虚象 ：无实际光线会聚的象点。 （光束反向延长线的交点） 。 当顶点为光束的发出点时，该顶点称为 光源、物点 。3、实像、虚像 当单心光束经折射或反射后，仍能找到一个顶点，称光束保持了其单心性。该顶点称为 象点 。PPPP实像虚像二、实物、实像、虚像的联系与区别1、成像于视网膜上的只是光束的顶点而非光束本身。 光通过浑浊的空间时，尘埃微粒作为散射光束的顶点被看到，而不是看到了光束本身； 宇航员看到的洁净的宇宙空间是漆黑的，是由于没有尘埃作为散射源。 对能保持单心性的光束，一个物点能且只 能形成一个像点，即物与像形成一一对应关系。
