光对人类非常重要，我们能够看到外部世界丰富多彩的景象，就是因为眼睛接收到了光，光与人类生活和社会实践有密切联系，据统计，人类由感觉器官接收到的信息中，有90%以上是通过眼睛得来的.光学既是物理学中一门古老的基础科学，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景.
光源
宇宙间的物体，有的是发光的，有的是不发光的.我们把自行发光的物体叫做光源.太阳、电灯、点燃的蜡烛等，都是光源.光具有能量，它可以使物体变热，使照相底片感光，使光电池供电，这时光能分别转化成内能、化学能、电能.光源发光要消耗其他形式的能量，把其他形式的能量转化成光能.电灯发光消耗电能，蜡烛发光消耗化学能，太阳发光消耗太阳内部的核能.
光射入人的眼睛里，可以使人眼产生视觉反应.我们能够看到光源，是因为它发出的光射入了眼睛.我们能够看到不发光的物体，是因为光源发出的光照射到它们，它们向四面八方漫反射的光射入了眼睛.
光的直线传播 光线
光能够在其中传播的物质叫做光介质，简称介质.在同一均匀介质中，光是沿直线传播的.在暗室的窗上开一个小孔，让一束阳光从小孔射入，可以看到这束阳光的传播路径是笔直的.这是光沿直线传播的直接证据.自然界许多光现象，如影、日食、月食、小孔成像等，都是光沿直线传播产生的.
在研究光的传播方向时，常常用到光线的概念.沿光的传播方向作一条线，并标上箭头，表示光的传播方向，这样的线叫做光线.
光线是个很有用的概念，有了它，就可以借助于几何学的方法研究光的传播.光线这个概念是一种科学的抽象，用来表示光的传播方向.光线并非实际存在的东西，实际中即便是很窄的一束光，也必然要有一定的粗细，不可能得到像几何线那样的光线.
人眼在观察物体时，是根据射入眼睛那部分光线的方向和光沿直线传播的经验，来判断物体位置的.人眼位于某一发散光束的范围内，其中一部分光线射入眼睛.根据光沿直线传播的经验，观察者认为，光是从射入眼睛的光线的反方向延长线的交点发出的.
有的光源，例如激光器，它发出的光束可以射得很远，宽度却没有多大变化.在每束激光中都可以作出许多条光线，这些光线互相平行，所以叫做平行光.做简单实验时，太阳光也可以看做平行光.
光速
光从光源发出，以有限的速度向外传播.光传播得很快，在日常接触到的距离内，光从光源到达我们的眼睛所用的时间很短，凭感觉根本无法察觉出来，所以在历史上很长一段时间里，人们一直认为光的传播是不需要时间的.直到17世纪才发现光是以有限速度传播的，现在已经知道，光在真空中的传播速度约为30万千米每秒，即光速
c=3.0×108m/s
光的反射
当光从一种介质射入另一种介质，例如从空气射入玻璃或水里时，在两种介质的界面上，光的传播方向发生改变，一部分光返回原来介质中，这种现象叫做光的反射.
用实验研究光的反射遵循什么规律
实验表明，光的反射遵循如下的规律： 反射光线跟入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角. 这就是我们初中学过的光的反射定律.
根据光的反射定律，如果使光线逆着原来的反射光线射到界面上，反射光线就逆着原来的入射光线射出.就是说，在反射现象中光路是可逆的.
平面镜
日常生活中用的镜子，反射面是平面，叫做平面镜.我们每天照镜子，从镜子里可以看到自己的像.平面镜是怎样成像的呢？
一个物体可以看成是由许多点组成的，物体上各点的像点就组成了整个物体的像.为了研究物体在平面镜中所成的像，我们先来研究物体上的一点S在镜中的像.
如图所示，OO′表示垂直于纸面的平面镜.点S表示物体上的一点，在S发出的射向平面镜的光束中，任取两条光线SA和SB，这两条光线经平面镜反射后的反射光线为AA′和BB′，它们的反向延长线交于S′点.
可以证明：从S发出的所有射向平面镜的光线经反射后，它们的反射光线的反向延长线都相交于S′点，且S′点与镜面的距离S′C等于S点与镜面的距离SC.
我们看到，反射后的光束是发散的，如同是从点S′发出的一样.人眼根据射入眼睛那部分光线的传播方向和光沿直线传播的经验，看到S′处好像有一个发光点，这就是点S的像.因为S′处实际上不存在发光点，所以叫做虚像.点S和它的像点S′对镜面是对称的.
物体上各点的像点组成了整个物体的虚像.
所以,平面镜成像的规律是:像是虚象,像与物体大小相同,像和物体到镜面的距离相等(即关于镜面对称).
让窄光束由空气斜射向玻璃表面，观察入射光的反射和折射情况.
折射定律
由实验可见，光从空气射到玻璃上，在界面上一部分光发生反射，回到空气中；另一部分光射入玻璃中，并改变了原来的传播方向.光从一种介质射人另一种介质时，传播方向发生改变的现象，叫做光的折射.入射光线和法线间的夹角θ1叫做入射角，折射光线和法线间的夹角θ2叫做折射角.进一步实验表明：
折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦跟折射角的正弦成正比.如果用n来表示这个比例常数，就有
这就是光的折射定律.
如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光就会逆着原来的入射光线发生折射. 这就是说，在折射现象中光路也是可逆的.
为了研究折射角与入射角的定量关系，科学家作了多方面的尝试，直到1621年，荷兰数学家斯涅耳才终于找到了这个关系.
折射率
光从一种介质射入另一种介质时，虽然入射角的正弦跟折射角的正弦之比为一常数n，但是对不同的介质来说，这个常数n是不同的.例如，光从空气射入水中时，这个常数约为1.33；光从空气射入玻璃时，这个常数约为1.50.可见这个常数n跟介质有关系，是一个反映介质的光学性质的物理量.常数n越大，光线偏折得越厉害.物理学中把光从真空射入某种介质发生折射时，入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦之比n，叫做这种介质的折射率.
研究表明，光在不同介质中的速度不同.这也正是光发生折射的原因.某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度C跟光在这种介质中的传播速度v之比.即
由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1.光从真空射入任何介质时，sinθ1都大于sinθ2，即入射角大于折射角.
光在真空中的速度跟在空气中的速度相差很小，通常情况下可以认为光从空气射入某种介质时入射角的正弦与折射角的正弦之比就是那种介质的折射率.下表列出了几种介质的折射率：
【例题】如图所示，一储油桶，底面直径与高均为d.当桶内无油时，从某点A恰能看到桶底边缘上的某点B.当桶内油的深度等于桶高一半时，由点A沿AB方向看去，看到桶底上的点C，两点C、B相距d/4.求油的折射率和光在油中传播的速度.
*绝对折射率和相对折射率
在折射现象中，光通过两种介质，所以折射率与这两种介质有关系.设光由介质1射人介质2，这时的折射率确切地说应叫做介质2对介质1的相对折射率，通常用n21来表示.例如玻璃对空气的相对折射率是1.50，水对空气的相对折射率是1.33.因此，（l）式应该确切地写成
光从真空射入某种介质时的折射率，叫做该种介质的绝对折射率，简称为某种介质的折射率，通常用n表示.前面课文中讲的某种介质的折射率，就是指这种介质的绝对折射率.
介质的折射率跟光在介质中的传播速度有关.设光在介质1中的传播速度为v1，在介质2中的传播速度为v2，介质2对介质1的相对折射率为n21；，介质1对介质2的相对折射率为n12，则有
由上式可以看出
空气中的光速可以认为等于真空中的光速，因此空气的绝对折射率可以认为是1，某种介质对空气的相对折射率可以认为等于这种介质的绝对折射率.
由折射率与光速的上述关系，可以求得绝对折射率和相对折射率的关系：
其中，n1和n2是介质1和2的绝对折射率.
知道了绝对折射率和相对折射率的关系后，（4）式可写成
由此得
n1sinθ1=n2sinθ2 (7)
根据（7）式可以知道，如果使光线逆着原来的折射光线由介质2射到界面上，即入射角为θ2，在介质1中光线将逆着原来的入射光线发生折射，即折射角等于θ1，就是说，在折射现象中光路也是可逆的.
全反射
不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质.光疏介质和光密介质是相对的，例如水、水晶和金刚石三种物质相比较，水晶对水来说是光密介质，对金刚石来说则是光疏介质.根据折射定律可知，光由光疏介质射入光密介质（例如由空气射入水）时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质（例如由水射入空气）时，折射角大于入射角.
既然光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，由此可以预料，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°.如果入射角再增大，会出现什么情况呢？
让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到直边上逐渐增大入射角，观察实验现象．
由实验可以看到，当光沿着半圆形的玻璃砖的半径射到直边上时，一部分光从玻璃砖的直边上折射到空气中，一部分光反射回玻璃砖内.逐渐增大入射角，会看到折射光离法线越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强.当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射.
在研究全反射现象中，刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角是一个很重要的物理量，叫做临界角.当光线从光密介质射入光疏介质时.如果人射角等于或大于临界角，就发生全反射现象.
不同的介质，由于折射率不同，在空气中发生全反射的临界角是不一样的.下面我们计算折射率为n的某种介质在空气（或真空）中发生全反射时的临界角C.
由于临界角C是折射角等于90°时的入射角，根据折射定律及光路的可逆性可得
从折射率表中查出物质的折射率，就可以用上式求出光从这种介质射到空气（或真空）时的临界角.水的临界角为48.8°，各种玻璃的临界角为32°～42°，金刚石的临界角为24.5°.
全反射现象是自然界里常见的现象.例如，水中或玻璃中的气泡，看起来特别明亮，就是因为光线从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故.
光导纤维
光导纤维简称光纤，我们常听到的“光纤通信”就利用了全反射的原理.为了说明光导纤维对光的传导作用，我们做下面的实验.
让棒的一端面向光源，玻璃棒的下端就有明亮的光传出来.这是为什么呢?
因为从玻璃棒的上端射进棒内的光线在棒的内壁多次发生全反射，沿着锯齿形路线由棒的下端传了出来，玻璃棒就像一个能传光的管子一样.
实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套两层组成.内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
如果把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相对位置相同，具有亮暗色彩的图像就可以从一端传到另一端.医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等内脏的内部.实际的内窥镜装有两组光纤，一组用来把光传送到人体内部，另一组用来进行观察.
我们知道，光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为一种载体来传递信息.载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤通信.
光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强.例如，一对光纤的传输能力理论值为二十亿路电话，一千万路电视；而当今世界最大的“国际通信卫星6号”也只能传输3.3万路电话，4路电视.即便是现在已实际采用的数十万路电话的光纤通信，也较卫星通信容量大.
尽管光纤通信的发展只有二十多年的历史，但是发展速度却是惊人的.一些发达国家不仅建立了跨越海底的光缆通信网络，而且建立了纵横城市之间的光缆通信网络.光纤的使用前景是非常广阔的，不仅光纤电话已广泛使用，光纤电视也将会很快进入寻常百姓之家.另外，自光晶体管问世后，大容量、高速度的光计算机也有望在下个世纪初得到广泛应用，这些都离不开光纤的使用.
我国的光纤通信技术起步较早，现已成为光纤通信技术较为先进的几个国家之一.自1972年开始到现在已先后开通了数十条光纤通信线路，省会城市间基本建成全国性的通信网，北京有线电视台将在1999年前后在北京全市范围内铺设有线电视光缆.
【例题】在水中的鱼看来，水面上和岸上的所有景物，都出现在顶角约为97.6°的倒立圆锥里，为什么？
常用的棱镜是横截面为三角形或梯形的三棱镜，通常简称为棱镜.棱镜可以改变光的传播方向，使光发生色散.
通过棱镜的光线
通过做实验或作光路图可以知道，从玻璃棱镜的一个侧面AB射入的光，从另一个侧面AC射出，射出的方向跟射入的方向相比，明显地向着棱镜的底面偏折.这是因为光在棱镜的两个侧面上发生折射，每次折射都使光线向底面偏折的缘故.偏折角度θ跟棱镜材料的折射率有关，折射率越大，偏折角度越大.偏折角度θ还跟入射角的大小有关系.
全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜.图中的等腰直角三角形ABC表示一个全反射棱镜的横截面，它的两个直角边AB和BC表示棱镜上两个互相垂直的侧面.如果光线垂直地射到AB面上，就会沿原来的方向射入棱镜，射到AC面上.由于入射角（45°）大于光从玻璃射入空气的临界角（42°），光会在AC面上发生全反射，沿着垂直于BC的方向从棱镜射出.如果光垂直地射到AC面上，沿原方向射入棱镜后，在AB、BC两个面上都会发生全反射，最后沿着与入射时相反的方向从AC面上射出.
生活中有许多地方都用到了这一原理，例如自行车尾灯，高速公路上的指示路标等.
在光学仪器里，常用全反射棱镜来代替平面镜，改变光的传播方向. 初看起来全反射棱镜仅仅相当于一个平面镜，使用全反射棱镜的地方完全可以由平面镜替代，但实际上却不是这样.一般的平面镜都是在玻璃的后表面镀银而成，我们前面讨论平面镜成像时，都是只考虑这个银面的反射.
实际上，平面镜的前表面即玻璃表面也反射光线，从发光点S发出的光线，要经过玻璃表面和银面多次反射，所以点S会生成多个像.其中第一次被银面反射所生成的像（主像）最明亮，而其他的像则越来越暗，一般不会引人注意.但是对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，这些多余的像必须除去，所以常用全反射棱镜.当然，如果在玻璃前表面镀银，就不会产生多个像，但是前表面镀银，银面容易脱落.
光的色散
一束白光经过棱镜后会发生色散，在光屏上形成一条彩色的光带，这条彩色的光带叫做光谱.光谱中红光在最上端，紫光在最下端，中间是橙、黄、绿、蓝、靛等色光.这表明各种色光通过棱镜后的偏折角度不同.红光的偏折角度最小，紫光的偏折角度最大.
不同色光通过棱镜后的偏折角度不同，表明棱镜材料对不同色光的折射率不同.红光的偏折角度小，表明棱镜材料对红光的折射率小；紫光的偏折角度大，表明棱镜材料对紫光的折射率大.下表是实验测得的冕牌玻璃对各种色光的折射率.
我们知道，介质的折射率等于光在真空中的速度跟在这种介质中的速度之比.各种色光在真空中的速度是一样的，都等于c，它们在同一介质（例如玻璃）中的折射率不同，表明它们在同一介质中的速度不同.红光的折射率比其他色光小，表明红光在介质中的速度比其他色光大.
两个侧面都磨成球面（或者一面是球面，另一面是平面）的透明体叫做透镜.透镜通常是用玻璃磨成的，它是光学仪器中经常使用的基本元件.
透镜可以分为凸透镜和凹透镜两类，中间厚、边缘薄的叫凸透镜（图甲）；中间薄、边缘厚的叫凹透镜（图乙）.凸透镜对光线有会聚作用，因此也叫会聚透镜；凹透镜对光线有发散作用，因此也叫发散透镜.
凸透镜为什么能使光线会聚，凹透镜为什么能使光线发散呢？其原理可以用棱镜对光线的偏折作用来说明.透镜可以看做是由许多个顶角不同的小三棱镜组成的，由光线经过棱镜后向底面偏折的知识可知，凸透镜使光线会聚，凹透镜使光线发散.
主轴和光心
透镜的两个球面都有自己的球心，如图中的C1、C2所示.我们把通过两球心C1、C2的直线，叫做透镜的主光轴，简称主轴.
通常把厚度比球面的半径小得多的透镜，叫做薄透镜.后面讨论的都是薄透镜.主轴跟透镜的两面各有一个交点，对于薄透镜来说，这两个交点可以看做是重合的，这一点叫做透镜的光心，用O表示.
光心比较特殊，不仅平行于主轴的光线通过它以后方向不变，与主轴成一定角度的光线通过它以后方向也不变.这是因为透镜的中部可以看做是一小块平行玻璃板，与主轴成一定角度的光线通过这一小块平行玻璃板后，虽然与入射光线不在一条直线上，但与入射光线平行，只是产生微小的侧向位移.对于薄透镜来说，这个侧向位移很小，可以忽略不计.因此，通过薄透镜光心的光线，方向不发生改变.这是光心的重要性质.
焦点和焦距
平行于主轴的光线，通过凸透镜后会聚于主轴上的一点F（图甲），这个点叫做凸透镜的焦点.平行于主轴的光线通过凹透镜后变得发散（图乙），这些发散光线看起来好像是从它们的反向延长线的交点F发出来的，点F也在主轴上，叫做凹透镜的焦点.凸透镜的焦点是实焦点，凹透镜的焦点是虚焦点.从透镜的焦点到光心的距离，叫做透镜的焦距，用f表示.透镜的两侧各有一个焦点，只要透镜两侧的介质相同，两个焦点对光心是对称的，两个焦距相等.
透镜成像原理和规律
实验证明，对于薄透镜来说，从物体的同一点发出的光，经透镜折射后，各折射光线或者相交于一点，或者其反向延长线交于一点，这一点就是原物点的像.折射光线直接相交于一点所成的像叫做实像，折射光线的反向延长线交于一点所成的像叫做虚像.物体上各点的像的集合，就组成整个物体的像.物体到透镜的距离叫做物距，常用p来表示(也可以用u表示)；像到透镜的距离叫做像距，常用p′来表示(也可以用v表示).
请你通过实验观察结果,将下表填写完整.
改用凹透镜做类似于凸透镜成像实验，你会发现，无论物体距凹透镜多远，都不能在屏上得到实像，而只能通过凹透镜看到在物体的同一侧有一个正立缩小的虚像.
研究表明，利用凸透镜既可以得到实像（p＞f时），也可以得到虚像（p＜f时）；利用凹透镜只能得到虚像.实像总是倒立的，与物体分别位于透镜的两侧；虚像总是正立的，与物体位于透镜的同侧.凸透镜得到的实像可能是放大的，也可能是缩小的，而虚像则总是放大的；凹透镜得到的虚像总是缩小的.
透镜所成的像的位置、大小、虚实等，既可以由实验得出，也可以用作图法求出.用一个通过光心而跟主轴垂直的符号来表示薄透镜.
我们知道，一个发光点通过凸透镜所成的实像，是从这个发光点射向凸透镜的所有光线经凸透镜折射后的会聚点.所以我们只需找出其中两条光线的会聚点就可以确定像的位置.在这些光线中下面的三条光线比较特殊，作图时很容易确定：
（l）跟主轴平行的光线，折射后通过焦点；
（2）通过焦点的光线，折射后跟主轴平行；
（3）通过光心的光线经过透镜后方向不变.
作图时，应用上面三条特殊光线中的任意两条，就可以确定不在主轴上的任一发光点的像.
对于线状物体，在实际作图时，只要求出物体上下两个端点的像，就可以求出整个物体的像，因为物体上其他各点的像都在这两个像点之间.
凹透镜所成的像同样可以用作图法求出. 显然，所成的像是正立缩小的虚像.
由以上分析可见，用作图法可以确定像的虚实、正倒、大小和位置.
透镜公式
透镜成像的规律，如像的位置、大小、虚实等，不仅可以用作图法确定，还可以用公式计算出来.
在图中，A1B1是物体AB由凸透镜所成的像.由于△COF′和A1B1F′是两个相似三角形，所以
同理， △ABO和△A1B1O也是相似三角形，所以
因为CO=AB，所以上面两个式子的左边相等，因而这两个式子的右边也应相等：
用p表示物距，p′表示像距，
则B1F′=p′- f，BO =p，B1O=P′，而OF′=f，把这些值代入上式，就得到
化简得 fp′+fp=pp′
用pp′f除这个式子的两边，就得到凸透镜的成像公式（常称为高斯公式）：
在凸透镜公式里，p和f的值总是正的，但p′的值不一定是正的.当p ＜f时，p′为负值.当 p′值为正时，像和物分别位于透镜的两侧，像是实像.当 p′值为负时，像和物在透镜的同侧，像是虚像.用同样的方法可以证明，上面的公式也适用于凹透镜.不过，应该注意的是，对于凹透镜,焦距应该取负值.由于物距p总是正的,
