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光跡法的理論分析與探討: - 座標系統:
我們都知道三度空間有三個座標軸X,Y,與Z,但因為繪圖設備因廠家而 異,就直接影響到該系統作業的軟體。我們現在使用的Bob Ray是採右手系統。 但是,由於我們有許多圖必須經由AutoCAD轉圖過來,因此我們將座標旋轉了 一個角度,如圖所示
- 照相機的位置:
一張照片的好壞與否,取景是很重要的,當我們想取下我們想要的景物時,
我們可以移動照相機的位置,或是改變物體的大小、位置....等。
假設我們不改變物體的位置,而得到圖(a),那表示物體與照相機的距
離太近,我們必須將物體放遠一點,使照相機與物體間的距離拉大,就可以看到更多的部分。反之,若得到如圖(c)的圖,就表示物體與照相機的距離太 遠,我們必須將物體放近一點,縮短照相機與物體間的距離即可。
- 照相機的偏移與旋轉:
照相機擺置的位置最好是放在物體正前方。若照相機向右偏移,就會得到
圖(a),我們可明顯的看見圖中物體的左邊被切掉了。如果照相機向左偏移一個角度,就會得到圖(c)。同樣的若是將照相機向下偏移或向上偏移一個 角度,也會分別得到如圖(d)和圖(e)。
如果照相機能夠偏移,照理也可以旋轉。和上面一樣的原理,如果我們把
照相機順時針旋轉X度,物體便會逆時針旋轉X度。 - 照相機的視角:
另一個影響景物的因素就是照相機的視角了,照相機張開的視角越大,看
到的景物越小,反之照相機的視角越小,景物就越大。
張開的視角越大,看到的景物越小,反之照相機的視角越小,景物就越大。
光源 根據發光體的幾何形狀,可將光源分為點光源、線光源、面光源等。我們眼睛
所以能看見物體,辨認其色彩,必要條件是物體有光直接射進我們的眼睛。物體的光有兩種來源,一是本身自己會發光的發光體,一是非發光體,能反射發光體的光 ,在暗室裡是看不見非發光體的,如果非發光體不能將光反射到眼睛裡,我們仍不 能看見它。
物體對光的作用 不管是何種光源的光,照射到物體上,必有反射、透射及吸收等現象。
1. 穿透作用:依程度可分
o 透明體:能讓極大多數的光通過之物質,如玻璃、水等。
o 半透明體:僅部分光透過之物質,如毛玻璃、油紙等。
o 不透明體:完全不透光之物質,如木、石等。
2. 反射作用
o 單向反射:平面鏡及磨光之金屬對光線大不分是單向的反射,小不分被吸 收。
o 漫射:大不分物體表面是粗糙的,故對光線之反射是多方向的。
3. 折射作用:光線進入某些物體,由於速度改變,使方向發生變化。
4. 吸收作用:光線射入某些物體時,會被吸收。例如在深海中,即使是白晝也是 漆黑一片的,這是光被水吸收了的緣故。
物體的顏色 1. 不發光體的顏色是其所反射光的顏色。
2. 不透明體的顏色是由物質選擇吸收後所餘反射的色光來決定。如:
o 僅能反射紅色光,而吸收其它色光為紅色物體。紅色物體在白光或紅光照 射下均呈紅色,在其它色光照射 下,則呈黑色。
o 能反射各色光者為白色物體。白色物體在白光照射下呈白色。在黃燈下, 很難分辨白色物體和黃色物體。
o 能吸收各色光者為黑色物體。黑色物體無論以任何光照之,皆呈黑色。
3. 透明體的顏色是由透明體選擇吸收後,所餘透過的色光來決定,透明體經白光 照射後如能全部透過時,為無色透明體。如僅能透過紅光,則為紅色透明體。
照度 光照射至物體上,在單位時間內,被照體單位面積所接受之光量,稱為該被照
體的照度。對同一被照體而言,其照度除了與光源的發光強弱有關外,還與光源至被照體間的距離有關;若光源為一點光源,則照度的大小與距離平方成反比。點光 源的光能向四方均勻幅射出去,亦即以光源為中心的等距離處的球面,其所受到的 光能量是均勻的,且發光強度越強,被照體受光面的照度越大。照度、光源的發光強度,以及光源到被照體間的距離,三者的關係可寫成:
[照度]∞[發光強度]/[距離]^2 若光源射出平行光,則光能不分散,所以照度與距離無關,這時
[照度]∞[發光強度] 被照體表面與入射光線垂直時,照度最大;若平行,則所得照度為零。
光的傳遞 - 光的直線傳播特性
光在均勻介質中,以直線進行,當不透明物體被光照射後,即在其後面生
成一黑暗區域,稱為影。影可分為本影和半影:
- 本影:在不透明物體後面,光完全不能到達之處,稱為本影。
- 半影:在不透明物體後面,部分光不能到達之處,稱為半影。
- 光的反射
光射至二介質境界面時,有部分光線自界面反回原介質的現象,稱為反射
當光線照射到一良好而平坦的反射面時,平滑的反射面上,入射光線的反射會 遵守反射定律,即
- 入射光、反射光及法線均在同一平面上,且入射光、反射光各位於法線的 兩側。
- 入射角與反射角相等。
此反射定律適用於任何形狀的反射面。當反射面為曲面時,我們把每一條光線的射落點近旁的微小範圍視作面,而適用反射定律。如果物體表面不光滑,而是粗糙面,我們可以把它看成由許多不規則的小面積素構成的,每一個面積素對入射的光線,皆依反射定律。但因每一面積素的法線都有不同的方向,故它們反射的光線亦非同一方向,而形成所謂的漫射。白天我們能見到周圍的物體,都是漫射的結果。
- 光的折射
在均勻介質中,光本為直線進行,但在碰到另一界面時,在界面上的一部
分光被反射,另一部分光則透入第二介質中,透入第二介質的光線並不沿原方 向進行,而有偏折的現象,這現象稱為折射。在折射現象中,入射於界面的光線稱為入射線,其與界面之交點稱為入射點,通過入射點而垂直於界面的直線 稱為法線,從界面偏折進入第二界質的光線稱為折射線。折射現象 有下列兩個定律:
- 入射線、折射線及界面的法線均在同一平面上,且入射線與折射線分在法 線的兩側。
- 入射角的正弦與折射角的正弦比是一定值。介質2對介質1的相對折射律 n=sinθi/sinθr如光自空氣進入水中時,其n=1.33,進入酒精中時,n=1.36, 進入玻璃時,n=1.5~1.9,視其成分而定,大多數普通玻璃的折射律為1.25 。每一物質都有一特定的n值,稱為此物質的折射律,或稱是光線從空氣 射入該物質的折射律。
※折射和反射同時發生,但發生反射並不一定產生折射。 - 全反射
當光線由光密介質進入光疏介質時,其入射角大於臨界角,(臨界角是折
射角為90度時的入射角)若入射光線再請傾斜,則光線射至界面時,不能射出 空氣中而仍折反物質內,這種現象稱為全反射。
面鏡成像 - 平面鏡
- 並非只有平面鏡才能反射成像,光在兩介質的界面都有反射現象而都可反 射成像。在界面也有折射現象,亦可折射成像。
- 共頂點之二平面鏡夾角為θ時之多次反射成像數N:令n=360/θ
(1)若n為奇數┌物體不在角平分線上,則像的個數N=n └物體在角平分線上,則像的個數N=n-1 (2)若n為偶數,則像的個數N=n-1 (3)若θ90,N之數目將隨物之位置而變 (4)若二平面鏡平行鏡面對立,一物置於其間可成無限個像。
- 拋物面鏡
一個點光源置於拋物面鏡的焦點F,由F射出的光線,經鏡面反射後,將聚 集於無限遠處。反之,凹拋物面鏡,可將無限遠處射來的平行光束匯聚於焦點。
- 鏡口很小的球面鏡
- 若以p、q分表物距及像距,Ho、Hi分表物長及像長,f表焦距,r為球 面曲率半徑。
(1)1/p+1/q=1/f=2/r (2)放大率M=q/p,│M│=Hi/Ho=│q/p│ - 作圖法 (1)平行於主軸之光線,經凹面鏡反射後,通過焦點。平行於主軸之光線, 經凸面鏡反射後,其反方向延長線通過焦點。
(2)通過凹面鏡焦點之光線,反射後與主軸平行。射向凸面鏡焦點之光線, 反射後與主軸平行。 (3)通過凹面鏡球心之光線,反射後沿原路射回。射向凸面鏡球心之光線, 反射後沿原路射回。
- 透鏡
1/f=(ng/nx-1)(1/r1+1/r2) 焦距f:若f為正,則為會聚透鏡,f為負則為發散透鏡。 曲率半徑r:凸面鏡取正凹面鏡取負。 ng:透鏡之折射率。 nx:周圍介質之折射率。 - 凸透鏡作圖法
(1)與主軸平行之入射光線,折射後必通過第二焦點。 (2)通過第一焦點之入射光線,折射後必與主軸平行。 (3)通過透鏡中心之入射光線不偏向。 - 凹透鏡作圖法 (1)與主軸平行之入射光線,折射後其延長線通過第二焦點。
(2)射向第一焦點之入射光線,折射後必與主軸平行。 (3)通過透鏡中心之入射光線不偏向。
- 成像性質
波動 當介質某部分受到擾動時,則以擾動為中心,將此擾動由近而遠,逐漸傳至介
質中其他部分。傳播時介質不隨同前進,只是把能量由一處傳至他處。此種經由介質傳播擾動的現像即稱為波動。
介質分子的運動方向,和波前進的方向垂直稱為橫波,和波前進的方向平行稱
為縱波。水波為橫波加縱波。在彈性固體中所產生並且傳播的波稱為彈性波,它可傳遞橫波與縱波。
行進波 設波長為λ,週期為T,振幅yo,波數K=2π/λ,角頻率ω=2π/λ 1. 往+X方向進行的正弦波之波函數為 y=yo sin(kx-ωt+Φ) 其中Φ為相角常數,若t=0時在x=0處y=0,則 y=yo sin(kx-ωt) 2. 往-X方向進行的正弦波之波函數為 y=yo sin(kx+ωt+Φ) 其中Φ為相角常數,若t=0時在x=0處y=0,則 y=yo sin(kx+ωt)
波的反射和透射 1. 水波的反射和折射
一直線脈動向上進行,遇一障礙物反射而回,脈動之反射部分係向右進行
。遵守反射定律。折射時也遵守折射定律。
2. 二介質交界處之反射及透射
波由第一介質進入第二介質時,在交界處發生下列情形(m1、m2為每單 位長度內所含之質量)
o m1 o m1 o m1=m2:完全穿透,波形不顛倒。 o m1m2:部分反回,波形不顛倒; 部分穿透,波形不顛倒。 o m1m2:完全反回,波形不顛倒。
重疊原理與干涉 - 重疊原理:兩波在介質上相會時,質點之位移為各波單獨時位移的代數和稱之。 所形成新振幅的現象,稱為干涉。
- 相長干涉:當兩個波重疊產生干涉時合成波的振幅大於每個波的振幅。
- 相消干涉:當兩個波重疊產生干涉時合成波的振幅小於每個波的振幅。
- 兩正弦波之干涉:y1=yo sin(kx-ωt) 與 y2=yo sin(kx-ωt+Φ)
合成波之波函數 y=y1+y2=(2yo cosΦ/2) sin(kx-ωt+Φ/2) 振幅 yo'=2yo cosΦ/2 - Φ=0即兩波相同→產生相長性干涉而合成振幅為兩波原有振幅之和。
- Φ=π即兩波反相→產生相消性干涉而合成振幅為零。
- 水波干涉
- 第n條節線PnS1-PnS2=(n-1/2)λ→節線之形狀為雙曲線
- 波程差=dsinθn=(n-1/2)λ
- 節線角θn:sinθn=(n-1/2)λ/d式中θn為第n節之節線角
- 節線數目:sinθn=(n-1/2)λ/d≦1→n≦d/λ+1/2以n取最大整數值代入,則 節線種數為2n
- 繞射:狹縫寬(或障礙物大小)b/水波波長λ越小→繞射越顯著
- 障礙物甚大於波長時,其後生一明顯之影
- 狹縫寬度甚大於波長時,波無繞射現象
- 障礙物甚小時,波即產生繞射
狹縫寬度甚小時,波即產生繞射 |