[概念阐释]

    一、几何光学中的基本定律和原理(§14-1)

    1. 光的直线传播定律

    光在均匀介质中沿直线传播。这就是光的直线传播定律。在学习这个定律时应注意以下几点。

    (1)  光的直线传播定律是几何光学的基础。

    (2)  光的直线传播性质对于光的实际行为,只具有近似的意义。因为光作为一种电磁波必定具有波的特性,衍射是波的特性之一。只有在衍射效应不明显时,才能近似认为光是沿直线传播的。

    (3)  光沿直线传播的性质只发生在均匀介质中。在不均匀介质中或在两种介质的交界面处,由于折射效应,光线将偏离直线路径。所以,均匀介质是光沿直线传播的必要条件。

    2. 折射定律和反射定律

    当光线由一种介质向另一种介质传播时,在两种介质的分界面上,入射光会发生折射和反射。

折射光服从折射定律:折射光线处于入射面内,并与入射光线分居于法线的两侧,入射角i的正弦与折射角r的正弦之比,等于第二种介质的折射率n2与第一种介质的折射率n1之比,即

                         ;

    反射光服从反射定律:反射光线处于入射面内,并与入射光线分居于法线的两侧,反射角i¢ 等于入射角i ,即

                              .

式中负号表示入射角和反射角分别处于法线的两侧。

    关于这两个定律,应说明以下几点。

    (1)  这两个定律虽然都是几何光学中的基本定律,但都可以根据光的波动性,利用惠更斯原理(见教材上卷§7-4)加以证明。

    (2)  在折射定律中涉及了介质的折射率,这里大家想就折射率的问题作些说明。因为光的本性也是波,所以介质对光的折射率和对波的折射率具有相同的涵义。介质对光的折射率n可以定义为,光在真空中的速率c与光在该介质中的速率v之比,即

                            .

n也称为介质的绝对折射率。

    第二种介质对第一种介质的相对折射率n21,就是第二种介质的绝对折射率n2与第一种介质的绝对折射率n1之比,即

                          .

如果光在第二种介质中的速率为v2 在第一种介质中的速率为v1 ,则

                     .

可见,两种介质的绝对折射率之比,等于光在两种介质中的传播速率之比的倒数。这表示,在折射率大的介质中光的传播速率小,在折射率小的介质中光的传播速率大。

    通常把对光的折射率较大的介质,称为光密介质,而把对光的折射率较小的介质,称为光疏介质。可以认为真空是光的最疏介质。

    (3)  反射定律可以看作为折射定律在n2 = -n1 情况下的特例。也正因为这个缘故,大家可以把重点放在对光的折射的讨论上。

    3. 光的可逆性原理

    当光线的方向逆转时,光的传播路径不变。这个原理在研究成像问题时特别有用,这时该原理可以表述为,物与像互换位置,光的传播方向逆转,但光路不变。

       
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