经典光学的建立.ppt
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1、1,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究(略) 4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究(略),2,4.1 光学的历史概述 光学的发展,大体可分为五个时期; 1.萌芽时期:春秋战国时期1600年 2. 几何光学时期:1718世纪 3.波动光学时期:181905年 4.量子光学时期:19世纪末20世纪中叶 (半经典理论、全量子理论) 5.现代光学时期:20世纪50年代以来 (傅里叶光学、光全息、导波光学),3,4.2 早期光学(略),墨经光学八条 ,公元前四百多年
2、.,亚里士多德,古希腊,公元前两百多年 ,4,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究(略) 4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究(略),5,1 开普勒的工作:1611年写了折光学,记载了两个实验。第一个实验是比较入射角和折射角:如图,日光LMN斜射到器壁DBC上,BC边沿的影子投射到底座于HK;另一部分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内,阴影的边沿形成于IG。,根据屏高BE和两阴影的长度EH和EG,就可算出立方体的入射角和出射角之比。,4.3 折射定律的建立,6
3、,第二个实验是:用一个圆柱型玻璃,令光线沿S1和S2入射,通过圆柱中心的光线S1方向不变,和圆柱边沿相切的光线S2偏折最大,并发现最大偏折角约为420。,7,全反射的发现:开普勒虽然没有找到正确的折射定律表达式,但通过这些实验发现了全反射。他是这样思考的: 令AB为玻璃与空气的分界面,如图。光线从空气进入玻璃发生折射,由于最大偏折角为420,所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为4202=840的锥形MON。,若有一束光从玻璃射向空气,当入射角大于420时,则到达O点后,将既不能进入空气,也不能进入MON锥形区域,必定反射为。,8,开普勒的论证方法很巧妙,他利用光的可逆性,从反面倒推得出结论。这是
4、科学论证中常用的一种很有说服力的方法。,9,2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作:,折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳在1621 年从实验得到的。,斯涅耳,10,1621年他从实验得到准确的折射定律 。方法和开普勒基本相同,但斯涅耳发现,比值OS /OS恒为常数,并由此导出图中所示式子。,11,3 笛卡儿的工作:,现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的方法论中提出的。他将空气和其他介质(如玻璃或水)的界面看作是一层很脆薄的布,设想有一小球斜方向投向界面,当球穿过薄布时,在垂直于界面的方向损失了部分速度,但平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出:visin i =vrsi
5、n r,所以有:sin i /sin r =vr/vi=常数,这正是折射定律的正弦表达式。 但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相等是错误的,为使理论与实验数据相符,必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。,12,从笛卡儿的公式可以看出: 1他用球的运动来阐述光的折射,而球的运动服从力学规律。可见,他采用的是微粒说。 2他假设光在两种媒质中的速度不一样,把折射现象归因于光速不同。 3他假设平行于媒质交界面的光速分量不变。,13,4 费马的工作: 1661年费马用最短时间原理推出了折射定律:笛卡儿的推导受到了他的同国人费马的批评。1661年,费马把数学家赫里贡提出的数学方
6、法用于折射问题,推出了折射定律,得到了正确的结论。这就是著名的最短时间原理。,同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。,14,折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动,因为天文观测总是会受大气折射的影响,后来 又加上光学仪器制造的需要,所以到了 17 世纪,许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律,几何光学理论很快得到了发展。,15,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究(略) 4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.
7、8 光谱的研究(略),16,1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜。 2.1608年,荷兰人李普塞(Hans Lippershey)制成第一台望远镜:他用一个凸透镜作为物镜,用一个凹透镜作为目镜组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。 3.伽利略知道后很快改进成放大32倍,随后又制成放大1000倍的望远镜,并用它对天体进行了观察,于1610年写出了星界信使的小册子,有力支持了哥白尼的日心说。 4.1611年开普勒出版了屈光学,解释了荷兰望远镜和显微镜所涉及到的光学原理。并设计了一种用两个凸透镜构成的天文望远镜,即开普勒望远镜。这种望远镜很快就取代了荷兰望远镜(因为它视野宽)。 第一台
8、开普勒望远镜由天文学家沙伊纳于16131617年制造。,光 学 的 历 史 概 述,4.4 光学仪器的研制,17,5.几乎与望远镜同时,荷兰人发明制造了显微镜,由眼镜制造师詹森(Janssen)发明:由一双凸透镜作物镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。 后来,意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。,6.1665年,胡克出版显微图象,并制造了一个带聚光镜的显微镜:用两个平凸透镜分别作物镜和目镜,用一球形聚光器来照亮待观察的物体。,18,7.1668年,牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜,全长15厘米,口径2.5厘米,但其放大倍数和当时使用的2米长的望远镜相同。1
9、671年又制造了第二架较大的反射式望远镜,全长1.2米,口径2米,献给了英国皇家学会,现仍保存在英国皇家学会图书馆。,19,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究(略) 4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究(略),20,4.5 牛顿的色散研究,1.色散的早期研究:(略),牛顿是一位科学巨匠。他不仅在力学上有伟大的成就,在数学、天 文学、化学以至光学上都有杰出的贡献。单就光学方面的工作,就足以 被后人敬为科学上的伟人。和力学方面的综合工作不同,牛顿在光学方 面的工
10、作多是奠基性的实验研究,其中尤以色散的研究最为突出。 色散也是一个古老的课题,最引人注目的是彩虹现象。早在 13 世纪, 科学家就对彩虹的成因进行了探讨。 德国的传教士西奥多里克、笛卡尔、布拉格的马尔西都研究过彩虹现象。,21,2.问题: 17世纪正当望远镜、显微镜问世,伽利略用望远镜观察天体,胡克用显微镜观察微小物体。然而,当放大倍数增大时,这些仪器出现了像差和色差,人们深感迷惑,为什么图象的边缘总会出现彩色?这和彩虹有没有共同之处?怎样才能消除? 这时,牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗,对光学很有研究。牛顿听过他讲光学,还帮他编写光学讲义。牛顿很喜欢做光学实验,还
11、亲自动 手磨制透镜,想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。,22,牛顿对色散现象的思考 牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过:“运 动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害,”胡克描述过肥皂泡的颜色 变化,认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色 是原色,其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这些 说法的合理成分,同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中,记录了许多当年的疑问和思考,例如,他问道: 如果光是脉冲,为什么不像声音那样在传播中偏离直线? 为什么水比水蒸汽更清晰? 为什么煤是黑的,煤烧成的灰反
12、而是白的? 牛顿不满意前人(包括他的老师)对光现象的解释,就自己动手做 起了一系列实验,23,3. 牛顿的色散实验 牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发,又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜,屏距折射位置大约 60 厘米, 玻意耳把棱镜散射的光投到 1 米多高的天花板上,而牛顿则将距离扩展为 67 米,从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。,24,这样,他就获得了展开的光谱,而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能,只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。 为了证明红光和蓝光各具不同的折射性
13、能,牛顿用棱镜做了如下的实验。,25,如图在一张黑纸上画一条线abc,半边ab为红色,半边bc为兰色,经过棱镜观看,只见这根线好象折断了似的,分界处正是红兰之交,兰色部分比红色部分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。,疑问: 色散是不是由于光和棱镜作用的结果?牛顿又作了以下实验:,26, 为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用,也不是由于其 它原因,而是由于不同颜色具有不同的折射性 牛顿又做了一个实验。 他拿三个棱镜做实验,三个棱镜完全相同,只是放置方式不一样, 如图 所示。倘若颜色的分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性, 那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性。,27,
14、可是实验结果是, 原来分散的各种颜色,经过第二个棱镜后又还原成白光,形状和原来一样。再经过第三个棱镜,又分解成各种颜色。由此证明,棱镜的作用是使白光分解为不同成分,又可使不同成分合成为白光。证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用,也不是由于其它原因,而是由于不同颜色具有不同的折射性。,28,牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。他预料会遭到科学界的反对,于是又做了一个很有说服力的实验。 牛顿把这个实验称为“判决性实验”,如下图所示。,29,他用两块木版各开一小孔F和G,并分别放于三棱镜两侧,光从S 处平行射入F后,经棱镜折射穿过小孔G,到达另一块木版de上,投过小孔g的光再经
15、棱镜abc的折射后,抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转,这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验结果是:被第一个三棱镜折射最厉害的紫光,经过第二个三棱镜时也偏折的最多。结论:白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。,30,在色散实验的基础上,牛顿总结出以下几条规律: 1.光线随其折射率不同,颜色也不同。色是光线固有的属性。 2.同一颜色的光折射率相同,不同色的光折射率不同。 3.色的种类和折射的程度是光线所固有的,不会因折射、反射或其它任何原因而改变。 4.必须区分两种颜色,一种是原始的、单纯的色,另一种是由原始的颜色复合而成的色。 5.本身是白色的光线是没
16、有的,白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。 6.自然物质的色是由于对某种光的反射大于其它光的反射的缘故。 7.把光看成实体有充分依据。 8.由此可解释棱镜色散和虹。,31,牛顿的这些结论相当全面,而且论据充分。但是当时人们难以接受,因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。牛顿对这个问题并没有作出判决,但是他的结论与光的本性密切相关。牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太新奇了,怀疑和攻击不断对牛顿袭来。有人认为牛顿的光谱实验没有考虑到太阳本身的张角,有人主张光谱变长是一种衍射效应,还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛顿挑剔得最厉害,他认为牛顿的实验不具判决性,用别的理论也可
17、说明,而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。,32,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究(略) 4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究(略),33,1 光的微粒说 2 光的早期波动说 3 光应具有波粒二相性,4.6 光的波动说和微粒说的论争,34,1 光的微粒说: 近代微粒说最早由笛卡儿首先提出,后来牛顿发展了微粒说,并和波动说展开了长期的争斗。 微粒说认为:光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦
18、这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉。 牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂,又能解释常见的一些光学现象,所以很快获得了人们的承认和支持。 微粒说还认为,光在水中的传播速度比在空气中的快。 缺陷:无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前进时,为什么光线并不是永远走直线,而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。,35,2 早期的波动说 胡克:胡克主张光是一种振动,是类似水波的某种快速脉冲。 惠更斯:荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想(纵波)。,惠更斯运用子波和波阵面的概念,引进了一个重要原理,这就是著名的惠更斯原理光在任何时刻的波阵
19、面上的每一点都可以作为次波的波源,各自发出球面次波,在以后的任意时刻,所有这些次波的波阵面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。1690年惠更斯论光一书出版。,36, 托马斯杨杨氏双缝干涉实验 托马斯杨是英国人,从小聪慧过 人,博览群书,多才多艺,17 岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作。 他是医生,但对物理学也有很深造诣,在学医时,研究过眼睛的构造和 其光学特性。就是在涉及眼睛接受不同颜色的光这一类问题时,对光的 波动性有了进一步认识,导致他对牛顿做过的光学实验和有关学说进行 深入的思考和审查。,托马斯杨,37,1801 年,托马斯杨发展了惠更斯的波动理论,成 功地解释了干涉现象。上图 是他在
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