光學(xué)包括兩大部分內(nèi)容：幾何光學(xué)和物理光學(xué)．幾何光學(xué)（又稱光線光學(xué)）是以光的 直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光在煤質(zhì)中的傳播規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科；物理光學(xué)是研究光的本性、光和物質(zhì)的相互作用規(guī)律的學(xué)科．

一、重要概念和規(guī)律

（一）、幾何光學(xué)基本概念和規(guī)律

1、基本規(guī)律

   光源  發(fā)光的物體．分兩大類：點(diǎn)光源和擴(kuò)展光源．點(diǎn)光源是一種理想模型，擴(kuò)展光源可看成無數(shù)點(diǎn)光源的集合．光線——表示光傳播方向的幾何線．光束  通過一定面積的一束光線．它是溫過一定截面光線的集合．光速——光傳播的速度。光在真空中速度最大。恒為C=3×108m/s。丹麥天文學(xué)家羅默第一次利用天體間的大距離測出了光速。法國人裴索第一次在地面上用旋轉(zhuǎn)齒輪法測出了光這。實(shí)像——光源發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)器件后，由實(shí)際光線形成的．虛像——光源發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)器件后，由發(fā)實(shí)際光線的延長線形成的。本影——光直線傳播時(shí)，物體后完全照射不到光的暗區(qū)．半影——光直線傳播時(shí)，物體后有部分光可以照射到的半明半暗區(qū)域．

2．基本規(guī)律

（1）光的直線傳播規(guī)律 先在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直線傳播的例證。

（2）光的獨(dú)立傳播規(guī)律  光在傳播時(shí)雖屢屢相交，但互不擾亂，保持各自的規(guī)律繼續(xù)傳播。

（3）光的反射定律  反射線、人射線、法線共面；反射線與人射線分布于法線兩側(cè)；反射角等于入射角。

（4）光的折射定律  折射線、人射線、法織共面，折射線和入射線分居法線兩側(cè)；對(duì)確定的兩種介質(zhì)，入射
角（i）的正弦和折射角（r）的正弦之比是一個(gè)常數(shù)． 介質(zhì)的折射串 n=sini/sinr=c/v。全反射條件①光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；②入射角大于臨界角A，sinA=1/n。

（5）光路可逆原理 光線逆著反射線或折射線方向入射，將沿著原來的入射線方向反射或折射．

3．常用光學(xué)器件及其光學(xué)特性

（1）平面鏡  點(diǎn)光源發(fā)出的同心發(fā)散光束，經(jīng)平面鏡反射后，得到的也是同心發(fā)散光束．能在鏡后形成等大的、正立的虛出，像與物對(duì)鏡面對(duì)稱。

（2）球面鏡  凹面鏡有會(huì)聚光的作用，凸面鏡有發(fā)散光的作用．

（3）棱鏡 光密煤質(zhì)的棱鏡放在光疏煤質(zhì)的環(huán)境中，入射到棱鏡側(cè)面的光經(jīng)棱鏡后向底面偏折。隔著棱鏡看到物體的像向項(xiàng)角偏移。棱鏡的色散作用 復(fù)色光通過三棱鏡被分解成單色光的現(xiàn)象。

（4）透鏡 在光疏介質(zhì)的環(huán)境中放置有光密介質(zhì)的透鏡時(shí)，凸透鏡對(duì)光線有會(huì)聚作用，凹透鏡對(duì)光線有發(fā)散作用．透鏡成像作圖  利用三條特殊光線。成像規(guī)律1/u+1/v=1/f。線放大率m=像長/物長=|v|/u。說明①成像公式的符號(hào)法則——凸透鏡焦距f取正，凹透鏡焦距f取負(fù)；實(shí)像像距v取正，虛像像距v取負(fù)。②線放大率與焦距和物距有關(guān)．

（5）平行透明板  光線經(jīng)平行透明板時(shí)發(fā)生平行移動(dòng)（側(cè)移）．側(cè)移的大小與入射角、透明板厚度、折射率有關(guān)。

4．簡單光學(xué)儀器的成像原理和眼睛

（1）放大鏡  是凸透鏡成像在。u（2）照相機(jī)  是凸透鏡成像在u＞2f時(shí)的應(yīng)用．得到的是倒立縮小施實(shí)像。
（3）幻燈機(jī)  是凸透鏡成像在 f＜u＜2f時(shí)的應(yīng)用。得到的是倒立放大的實(shí)像．
（4）顯微鏡  由短焦距的凸透鏡作物鏡，長焦距的透鏡作目鏡所組成。物體位于物鏡焦點(diǎn)外很靠近焦點(diǎn)處，經(jīng)物鏡成實(shí)像于目鏡焦點(diǎn)內(nèi)很靠近焦點(diǎn)處。再經(jīng)物鏡在同側(cè)形成一放大虛像（通常位于明視距離處）。

（5）望遠(yuǎn)鏡 由長焦距的凸透鏡作物鏡，轅焦距的〕透鏡作目鏡所組成。極遠(yuǎn)處至物鏡的光可看成平行光，經(jīng)物鏡成中間像（倒立、縮小、實(shí)像）于物鏡焦點(diǎn)外很靠近焦點(diǎn)處，恰位于目鏡焦點(diǎn)內(nèi)，再經(jīng)目鏡成虛像于極遠(yuǎn)處（或明視距離處）。

（6）眼睛 等效于一變焦距照相機(jī)，正常人明視距約25厘米。明視距離小子25厘米的近視眼患者需配戴凹透鏡做鏡片的眼鏡；明視距離大于25厘米的遠(yuǎn)視25者需配戴凸透鏡做鏡片的眼鏡。

（二）物理光學(xué)——人類對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)發(fā)展過程

（1）微粒說（牛頓）  基本觀點(diǎn)  認(rèn)為光像一群彈性小球的微粒。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 光的直線傳播、光的反射現(xiàn)象。困難問題 無法解釋兩種媒質(zhì)界面同時(shí)發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象以及光的獨(dú)立傳播規(guī)律等。

（2）波動(dòng)說（惠更斯） 基本觀點(diǎn) 認(rèn)為光是某種振動(dòng)激起的波（機(jī)械波）。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)  光的干涉和衍射現(xiàn)象。

①個(gè)的干涉現(xiàn)象——楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

條件  兩束光頻率相同、相差恒定。裝置 （略）。  現(xiàn)象  出現(xiàn)中央明條，兩邊等距分布的明暗相間條紋。解釋  屏上某處到雙孔（雙縫）的路程差是波長的整數(shù)倍（半個(gè)波長的偶數(shù)倍）時(shí)，兩波同相疊加，振動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生明條；兩波反相疊加，振動(dòng)相消，產(chǎn)生暗條。應(yīng)用 檢查平面、測量厚度、增強(qiáng)光學(xué)鏡頭透射光強(qiáng)度（增透膜）．

②光的衍射現(xiàn)象——單縫衍射（或圓孔衍射）

條件 縫寬（或孔徑）可與波長相比擬。裝置 （略）?，F(xiàn)象  出現(xiàn)中央最亮最寬的明條，兩邊不等距發(fā)表的明暗條紋（或明暗鄉(xiāng)間的圓環(huán)）。困難問題   難以解釋光的直進(jìn)、尋找不到傳播介質(zhì)。

（3）電磁說（麥克斯韋）  基本觀點(diǎn)  認(rèn)為光是一種電磁波。 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)  赫茲實(shí)驗(yàn)（證明電磁波具有跟光同樣的性質(zhì)和波速）。各種電磁波的產(chǎn)生機(jī)理   無線電波   自由電子的運(yùn)動(dòng)；紅外線、可見光、紫外線   原子外層電子受激發(fā)；x射線   原子內(nèi)層電子受激發(fā)；γ射線   原子核受激發(fā)?？梢姽獾墓庾V  發(fā)射光譜——連續(xù)光譜、明線光譜；吸收光譜（特征光譜。 困難問題  無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。

（4）光子說（愛因斯坦） 基本觀點(diǎn)  認(rèn)為光由一份一份不連續(xù)的光子組成每份光子的能量E=hν。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)  光電效應(yīng)現(xiàn)象。裝置 （略）?，F(xiàn)象 ①入射光照到光電子發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的；②入射光頻率必須大于光陰極金屬的極限頻率ν。；
③當(dāng)ν＞v。時(shí)，光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比；④光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無關(guān)，只隨著人射光燈中的增大而增大。解釋 ①光子能量可以被電子全部吸收．不需能量積累過程；②表面電子克服金屬原子核引力逸出至少需做功（逸出功）hν。；③入射光強(qiáng)。單位時(shí)間內(nèi)入射光子多，產(chǎn)生光電子多；④入射光子能量只與其頻率有關(guān)，入射至金屬表，除用于逸出功外。其余轉(zhuǎn)化為光電子初動(dòng)能。 困難問題  無法解釋光的波動(dòng)性。

（5）光的波粒二象性  基本觀點(diǎn)  認(rèn)為光是一種具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動(dòng)性。又有粒子性。大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯示波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為顯示粒子性。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)  微弱光線的干涉，X射線衍射．

二、重要研究方法

1．作圖鋒幾何光學(xué)離不開光路圖。利用作圖法可以直觀地反映光線的傳播，方便地確定像的位置、大小、倒正、虛實(shí)以及成像區(qū)域或觀察范圍等．把它與公式法結(jié)合起來，可以互相補(bǔ)充、互相驗(yàn)證。

2．光路追蹤法  用作圖法研究光的傳播和成像問題時(shí)，抓住物點(diǎn)上發(fā)出的某條光線為研究對(duì)象。不斷追蹤下去的方法．尤其適合于研究組合光具成多重保的情況。

3．光路可逆法  在幾何光學(xué)中，一所有的光路都是可逆的，利用光路可逆原理在作圖和計(jì)算上往在都會(huì)帶來方便。