王晓明
摘要：光学是研究光的基本性质，光的产生、传输、接受、显示及光与物质相互作用的科学。仅考虑光的传播问题时，光学有两大分支：几何光学与波动光学。几何光学就是不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只是以光线概念为基础，根据以实验事实建立的光的直线传播定律、反射定律、折射定律，通过三角计算、矩阵运算或几何作图法来讨论物体经光学系统的成像问题。在本文中，笔者就简单论述一下基础光学中的几何光学，希望能给我们的教学带来帮助。
关键词：基础光学；几何光学；成像
光学是研究光的基本性质，光的产生、传输、接受、显示及光与物质相互作用的科学。仅考虑光的传播问题时，光学有两大分支：几何光学与波动光学。几何光学就是不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只是以光线概念为基础，根据以实验事实建立的光的直线传播定律、反射定律、折射定律，通过三角计算、矩阵运算或几何作图法来讨论物体经光学系统的成像问题。
不考虑光的波动性，说明几何光学有一定的适用条件，其只是在空间障碍物的几何尺度远大于光波波长时，才近似成立。由于绝大部分光学元件（如透镜、棱镜等）和光学仪器成像系统都能满足上述条件，并且几何光学方法直观简单，能得出很好结果，所以它仍是十分活跃的基础光学研究领域之一。
光学仪器中很大一部分是成像的仪器，如显微镜、望远镜、投影仪和照相机等，因此，成像是几何光学要研究的中心问题之一。
一、折射率和光程
表征两种介质中光速比值的物理量，称为折射率。光在第一介质中的速度v1与在第二介质中的速度v2之比，称为第二介质对第一介质的相对折射率，即
任一介质相对于真空的折射率，称为此介质的绝对折射率，简称折射率，因为光在真空中的速度为c,故有
两介质的相对折射率等于它们的绝对折射率之比，即
真空的折射率为1，空气的折射率近似为1，其他介质的折射率均大于1。同一介质对不同波长的光具有不同的折射率，一般来说，随波长的减少而增大。通常所说某介质的折射率是对钠黄光(波长为0.5893 )而言。比较两种不同的介质时，折射率大的介质称光密介质，折射率小的称光疏介质。
光在介质中所经过的路程与该介质折射率的乘积，称为光程。因为光在真空中的光速大于在任何介质中的光速，所以，光程是折合路程的意思，即把光在介质中的路程折合成 在真空的路程。
二、物和像
几何光学中，用一条条表示光能传播方向的几何线来代表光，并称之为光线。光束由许多条相互关联的光线构成，如各光线本身或其延长线相交于一点称作同心光束；各光线本身或其延长线不相交于一点称作非同心光束。同心光束可分为发散的、会聚的和平行的三种，平行光束的交点位于无穷远。凡入射的同心光束经过光学系统后，出射光束仍为同心光束，则该光学系统称为理想光学系统。入射同心光束的交点称为物点，出射光束的交点称为像点。若入射光束为发散的同心光束，则物点称为实物点；若入射光束为会聚的同心光束，则物点称为虚物点。若出射光束为会聚的同心光束，则像点称为实像点；若入射光束为发散的同心光束，则像点称为虚像点。
实物点和实像点是实际存在的同心光束的交点。而虚物点和虚像点是同心光束延长线的交点，它们是根据光的直线传播定律推论出的假想交点，实际上不存在，但它们对光学系统能起着与实物点和实像点等效的作用，即对于眼睛来说，实物点、实像与虚像，在成像效果上没有区别。通常有限大小的物体可以认为是由很多物点所构成，同样，有限大小的像也可以认为是由很多像点构成的。在连线成像过程中，前一级光学系统所成的实像或虚像，都可成为后一级光学系统的实物。对于后一级光学系统而言，入射光束的交点为物，其中发散的入射光束的交点为实物，而会聚的入射光束的交点为虚物。
三、物像基本关系式
几何光学是以光的直线传播定律、反射定律、折射定律为基础建立起来的，它是各种光学仪器设计的理论根据。多数实际的光学系统都由多个折射球面或反射球面组成，如果所有球面的中心都在一条直线上，称之为共轴球面系统，这直线称为系统的主光轴。在傍轴条件下，即傍轴小物以傍轴光线(与光轴成微小角度的光线)成像条件下，共轴球面系统可近似看成理想光学系统，因而可以成像，即点物成点像、直线成直线像、平面成平面像。
由于物和像都有实、虚两种可能性，此外折射球面的球心在哪一侧也有两种可能性，单球面和共轴球面系统等不同情形的成像公式之间差别仅在于各项的正负号，因此，利用这些公式进行计算时，一定要约定好一种符号规则，特别是解同一个题目时，要自始至终遵守同样的符号规则。符号规则并不是唯一的，如对于描述物像性质的物距、像距、焦距、球面曲率半径等长度量，可规定由指定的原点量起，其方向与光的传播方向一致为正，反之为负(规定传播方向为自左到右)；规定物高、像高的高度量以垂直光轴向上者为正，垂直光轴向下者为负。
(作者单位：辽宁省锦州师范高等专科学校 121000)
论文作者:王晓明
论文发表刊物:《中学课程辅导·教学研究》2015年5月上供稿
论文发表时间:2015/7/13
标签：光束论文; 折射率论文; 介质论文; 光学论文; 几何论文; 球面论文; 实像论文; 《中学课程辅导·教学研究》2015年5月上供稿论文;