丁倩茹

摘要：几何光学是光学中以光线为基础，研究光传播与成像规律的实用性分支。光线概念与波动光学相违背，因此几何光学仅是波动光学在光线波长极小时的极限情况。几何光学中主要研究对象是光的折射与反射，并且其在生活中有着广泛的应用。

关键词：几何光学；折射；反射；應用；

一、光线的传播

光线的传播遵循三条基本定律：光线的直线传播定律，即光在均匀媒介中沿直线方向传播；光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。

二、光的反射

当光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射。光的反射是一种极为常见的现象，生活中的镜子是光反射最常见的应用，除此之外潜望镜、反射式望远镜等也是利用了光的反射。

反射光线与入射光线与法线在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角。可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”。光具有可逆性。光的反射现象中，光路上是相等的。

反射包括镜面反射和漫反射。

镜面反射：平行光线射到光滑表面上时反射光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射。

漫反射：平行光线射到凹凸不平的表面上，反射光线射向各个方向，这种反射叫做漫反射。

反射定律包含以下三点：

1.反射角等于入射角，且入射光线与平面的夹角等于反射光线与平面的夹角。

2.反射光线与入射光线居于法线两侧

3.反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内

三、光的折射及成像

3.1光的折射

光从一种介质射向另一种介质的平滑界面时，一部分光被界面反射，另一部分光透过界面，这种现象称为光的反射。

在另一种介质中折射。

3.2折射定律

3.2.1折射光线和入射光线分居法线两侧（法线居中，与界面垂直）

3.2.2折射光线、入射光线、法线在同一平面内。（三线两点一面）

3.2.3当光线从空气斜射入其它介质时，角的性质：折射角（折射率大的一方）小于入射角（折射率小的一方）折射率

3.2.4当光线从其他介质斜射入空气时，折射角大于入射角。（以上两条总结为：谁快谁大。即为光线在哪种物质中传播的速度快，那么不管那是折射角还是入射角都是较大的角，在真空中的角度总是最大的）

3.2.5在相同的条件下，折射角随入射角的增大（减小）而增大（减小）

3.2.6折射光线与法线的夹角，叫折射角。

3.2.7光从空气斜射入水中或其他介质时（真空除外，因为在真空中光不能发生偏折），折射光线向法线方向偏折，折射角小于入射角。

3.2.8光从空气垂直射入水中或其他介质时，传播方向不变。

3.3凸透镜成像

在物理上凹镜和凸镜都是利用光的折射的原理成像光学显微镜和望远镜（包括一部分天文望远镜）都是利用光的折射和光的直线传播原理制成的放大镜和显微镜是用于观测放置在观测人员近处应予放大的物体的凸透镜。

要解决凸透镜成像问题，必须要弄清以下几个问题：跟主光轴平行的光线，经过凸透镜折射后通过焦点；通过焦点的光线，经凸透镜折射后跟主光轴平行；通过光心的光线，经过凸透镜折射后方向不变。

凸透镜是折射成像，成的像可以是正立、倒立；虚像、实像；放大、等大、缩小。

四、全反射

全反射：又称全内反射，指光由光密介质（即光在此介质中的折射率大的）射到光疏介质（即光在此介质中折射率小的）的界面时，全部被反射回原介质内的现象。

从光密介质进入光疏介质时入射角增大到某临界角时，会产生全反射。

临界角公式为（C为临界角）当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象.当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射.所以产生全反

射的条件是：①光必须由光密介质射向光疏介质；②入射角必须大于或等于临界角（C）。

所谓光密介质和光疏介质是相对的。两物质相比，折射率较小的，光速在其中较快的，就为光疏介质；折射率较大的，光速在其中较慢的，就为光密介质。例如，水折射率大于空气，所以相对于空气而言，水就是光密介质；而玻璃的折射率比水大，所以相对于玻璃而言，水就是光疏介质。C=arcsin（n₂/n₁）临界角是折射角为90度时对应的入射角（只有光线从光密介质进入光疏介质且入射角大于或等于临界角时，才会发生全反射。）

五物理实质

可以说光的折射与反射在生产生活中是广泛存在的，如在水中投进一束光，除了水体表面发生反射之外，在水里也同时发生了折射，可见折射和反射是同时存在的，现实生活中，人们常常利用这个规律来方便生活和生产。那么它们的物理实质是什么？它们究竟是怎么发生的呢？根据研究界多年研究出来的观点表明，反射和折射不能用粒子性来解释，这主要是因为应用经典粒子理论所得到的折射速度是不对的，并不等同于预期的数值。

不过如果转化思路，换个研究领域，例如在经典波动光学之中，这个现象便能有一个较好的解释。许多科学家在利用了近代各种经典科学理论，来试图解释光的折射和反射过程中，但是也不能完全简单的理解为粒子碰撞。实际上这些东西可以理解为部分光子透射、部分光子反射。但是如果想具体知道是哪个光子在进行反射现象、哪个光子发生了折射现象，实际上是办不到的。这又是为什么呢？因为光子只能代表电磁场能量的分布情况，其出现多少代表了电磁场的能量大小。所以在光入射到物质表面时，部分电磁场的能量会发生透射，形成折射光，当部分电磁场能量同时发生反射现象时，就会出现折射反射同时存在，因此在折射和反射方向都能探测到光子。