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应用光学002---几何光学的基本定律

2021-12-20 10:44| 发布者：Davis| 查看：738| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了几何光学中的三个基本定律，包括光的直线传播、独立传播和反射、折射定律，以及其在不同介质中的应用。同时介绍了折射公式和光线传播曲线的相关内容。

几何光学把光看作是具有方向的几何线---“光线”，从而进行光的传播问题的研究。

光的传播问题，经过仔细分析与归纳，可以总结为三条基本定律：

（1）光的直线传播定律

在各向同性的均匀透明介质中，光沿着直线传播，称为光的直线传播定律，它是普遍存在的现象。

用该定律可以很好地解释影子的形成、日蚀、月蚀等现象。一切精密的天文测量、大地测量和其他测量也都以此定律为基础。

但是,光并不是在所有的场合都是直线传播的。实验表明,在光路中放置一个不透明的障碍物，特别是光通过小孔或狭缝，光的传播将偏离直线，这是物理学中的衍射现象。

因此,光的直线传播定律只有光在均匀透明介质中无阻拦地传播才能成立。

（2）光的独立传播定律

从不同的光源发出的光束以不同方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播，称为光的独立传播定律。几束光会聚于空间某点时，其作用是在该点处简单地叠加，各光束仍按各自的方向向前传播。

但是，这一定律对不同发光点发出的光来说是正确的。如果由光源上同一点发出的光分成两束单色光(为相干光)，通过不同的而长度相近的途径到达空间某点时，这些光的合成作用不是简单地叠加，而可能是相互抵消而变暗，这是光的干涉现象。

（3）反射定律和折射定律

光线经过两种均匀介质分界面的传播规律，总结为反射定律和折射定律。

设有一束光线投射在两种透明而均匀的介质的理想平滑分界面上(此为入射光)，将有一部分光能被反射回原来的介质，这种现象为“反射”，被反射的光称为“反射光”。另一部分光能通过分界面射入第二种介质中去，但改变了传播方向，这种现象称为“折射”，被折射的光称为“折射光。

光的反射和折射分别遵守反射定律和折射定律。

1）反射定律

图1 光的反射定律示意图

在图1中，PQ为一理想的光滑反射界面，入射光线AO和界面上投射点的法线ON夹角AON称为入射角，以Ⅰ表示；反射光线OB和法线ON的夹角BON称为反射角，以I"表示。角I和角I"以锐角来量度，由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。

图1中，角Ⅰ为正，角I"为负。角度加上符号的作用是可以明确以法线为基线张角的方向。

反射定律可归结为：入射光线、反射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角和反射角绝对值相等、符号相反，即入射光线和反射光线位于法线的两侧。反射定律可表示为

对于粗糙的分界面，一束平行入射光投射其上，反射光将不再是平行的光束，发生了无规则的漫反射。但是对于粗糙表面上任一微小的反射面来说，仍然遵守反射定律。

2）折射定律

折射定律于1621年由斯涅耳发现，故又称为斯涅耳定律。

图2 光的折射定律示意图

如图2所示，PQ为两种均匀介质的理想平滑分界面，AO为入射光线，在O点发生折射，OC为相应的折射光线。NN"为入射点O的法线，入射角AON,以Ⅰ表示；折射光线OC和法线NN"的夹角CON"为折射角，以I`表示。入射角和折射角的符号法则也是从光线转向法线，按锐角来量度，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。

折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比与入射角的大小无关，而与两种介质的性质有关。

对一定波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一常数，等于折射光线所在介质的折射率n与入射光线所在介质的折射率n`之比。

折射定律可以表示为