浅谈光学的发展和对光的本性的认识.pdf
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1、学士学位论文(设计) Bachelor s Thesis 论文题目 浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识 作者姓名贺晓金 学号 2009112010130 所在院系 物理与电子科学学院 学科专业名称 物理学 导 师 及 职 称 黄燕霞 教授 论文答辩时间 2013 年 5 月 12 日 编号 2013120130 研究类型基础研究分类号O43 中文题目:浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识 外文题目:Introduction to the development of optical and humans understanding of the nature of light 学生姓名贺晓金
2、学生学号 2009112010130 院系专业物理学学生班级 0901 学 生 承 诺 我承诺在学士学位论文(设计)活动中遵守学校有关规定,恪守学术 规范,本人学士学位论文(设计)内容除特别注明和引用外,均为本人观 点,不存在剽窃、抄袭他人学术成果,伪造、篡改实验数据的情况。如有 违规行为,我愿承担一切责任,接受学校的处理。 学生(签名): 2013年5月 6 日 指导教师承诺 我承诺在指导学生学士学位论文(设计)活动中遵守学校有关规定, 恪守学术道德规范,经过本人核查,该生学士学位论文(设计)内容除特 别注明和引用外,均为该生本人观点,不存在剽窃、抄袭他人学术成果, 伪造、篡改实验数据的现象
3、。 指导教师(签名): 2013 年5 月6 日 目录 1.前言 . 1 2.发展时期 . 1 2.1 萌芽时期 (公元前 5 世纪 16 世纪初) 1 2.1.1 关于光学的最早记录 1 2.1.2 萌芽时期关于光学的主要成果 2 2.2 几何光学时期 (16 世纪 18 世纪初) 2 2.2.1 几何光学时期关于光学的主要成果 2 2.2.2 微粒说统治地位的取得 3 2.3 波动光学时期 (19 世纪末 19 世纪初 ) 4 2.3.1 波动说的重新崛起 4 2.3.2 光的电磁波理论的建立 7 2.4 量子光学时期( 20 世纪初 20 世纪中叶) . 8 2.4.1 光波粒二象性理论
4、的建立 8 2.4.2 物质波的提出与验证 9 2.4.3 量子光学时期光学技术的成就 11 2.5 现代光学时期( 20 世纪中叶) 11 2.5.1 现代光学时期光学技术的成就 12 2.5.2 现代光学时期与光学有关的分支学科 12 3.光学的发展前景及应用. 13 4.余论 . 14 5.参考文献 . 15 浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识 贺晓金(指导老师:黄燕霞教授) (湖北师范学院物理与电子科学学院中国黄石 435002) 摘要:光学是物理学中的一门重要的分支学科,它具有非常渊源的历史。本文主要介绍 光学发展的五大时期,即:萌芽时期,几何光学时期,波动光学时期,量子光学 时期
5、,现代光学时期,还对光学的发展前景进行了展望。本文重点介绍了人类关 于光的本性的认识。 关键词:光的本性;激光;发展前景 中图分类号: O43 Introduction to the Development of Optical and Humans Understanding of the Nature of Light He Xiaojin (Tutor:Huang Yanxia) (College of physical and electronic science ,Hubei Normal University,Huangshi,Hubei, 435002) Abstract: Op
6、tical is an important branch of physics, it has an original history. This paper mainly introduces five period of the development of the optical: sprout period, period of geometrical optics and wave optics, quantum optics, modern optics ;and the article looks ahead the prospect of optical. This artic
7、le focuses on the exploration of the nature of the light. Keywords: the nature of the light; laser; the prospects for the development 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 1 浅谈光学的发展和人类对光的本性的认识 贺晓金(指导老师,黄燕霞教授) (湖北师范学院物理与电子科学学院中国 黄石 435002) 1.前言 光学是一门研究光 (电磁波 )的行为和性质,以及光和物质相互作用的物理学 科。光学是物理学中最古老的一门基础学科,传统内容十
8、分丰富,如光的产生、 传播、本性等等 ;光学又是当今科学领域中最活跃的前沿阵地之一,激光的问世 使得光学焕发青春,如光子学、信息光学、光通信等等。光学的发展是一个漫长 曲折的历史过程,主要经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光 学时期、现代光学时期等五大历史时期。光学不断地发展, 人类对光的现象研究 得越深人,光所表现出的规律性就越明显, 从而使得人们对这些规律背后的光的 本性就越感兴趣。一代又一代的物理学家进行了坚持不懈的努力,为光的本性 的探究作出了卓越的贡献。 2.发展时期 2.1 萌芽时期 (公元前 5 世纪16 世纪初) 2.1.1关于光学的最早记录 光学的起源和力学、
9、热学一样, 可以追溯到两三千年以前。 我国春秋战国时 期,墨翟及其弟子所著的墨经中,就记载着光的直线传播和光在镜面上的反 射等现象,并提出了一系列经验规律, 把物和像的规律及其大小与所用镜面的曲 率联系起来。无论就时间还是科学性来说,墨经称得上是有关光学知识的最 早记录。经过一百多年之后,在希腊数学家欧几里德所著的光学一书中,研 究了平面镜成像问题, 指出反射角等于入射角的反射定律,但他却同时提出了将 光当做类似触须的投射学说。 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 2 2.1.2萌芽时期关于光学的主要成果 从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期,在此
10、期间光 学的发展比较缓慢。 除了对光的直线传播、 反射和折射等现象和实验外。在生产 和生活需要的推动下,在光的反射和透镜的应用方面,逐渐有了些成果。克莱门 德和托勒密研究了光的折射现象, 最早测定了光通过两种介质分界面时的入射角 和折射角。罗马哲学家塞涅卡指出充满水的玻璃泡具有放大功能。从阿拉伯的巴 斯拉来到埃及的学者阿尔哈曾反对欧几里德和托勒密关于眼睛发出光线才能看 到物体的学说,认为光线来自所观察的物体, 并且光是以球面形式从光源发出的; 反射线与入射线共面且入射面垂直于界面。他研究了球面镜和抛物面镜, 并详细 描述了人眼的构造; 他首先发明了凸透镜, 并对凸透镜进行了实验研究,所得的 结
11、果接近于近代关于凸透镜的理论。公元 11世纪,我国宋代的沈括在 梦溪笔谈 中记载了极为丰富的几何光学知识。他不仅总结了前人研究的成果, 并且在凹面 镜、凸面镜的成像规律、 测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面都有创造性 的阐述。培根提出用透镜矫正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性,并描述了 透镜焦点的位置。 阿玛蒂发明了眼镜。 波特研究了成像暗箱, 并在1589年的论文 自然的魔法 中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合。综上所述, 到15 世纪末和 16世纪初,凹面镜凸透镜透镜眼镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出 现 1 。 这一时期光学的发展比较缓慢, 人们对过光学的认识还只是停留在对
12、事物的 感知上面,并没有形成合理的物理理论。 2.2 几何光学时期 (16 世纪 18世纪初) 这一时期是光学发展的重要的转折点,人们发现了光学的一些基本理论。在 这一时期形成了光的反射定律和折射定律,使光学成为一门独立的学科, 为以后 光学的发展奠定了基础。 同时为了提高人们的观察能力,科学家们发明了一系列 的光学仪器, 如发明的望远镜促进了天文学和航海事业的发展,发明的显微镜促 进了生物学的发展。在这一时期物理学家也开始对光的本性进行了探究。 2.2.1几何光学时期关于光学的主要成果 荷兰的李普塞在 1608年发明了第一架望远镜。 17世纪初延森和冯特纳最早制 作了复合显微镜。 1610年
13、伽利略用自己制造的望远镜观察星体,发现了绕木星运 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 3 行的卫星。这给哥白尼关于地球绕太阳运转的日心说提供了强有力的证据。 开普勒于 1611年发表了他的著作折光学 ,提出照度定律 2 /RIE,还 设计了几种新型的望远镜, 他还发现当光以小角度入射到界面时,入射角和折射 角近似地成正比关系。折射定律的精确公式则是斯涅耳和笛卡儿提出的。1621 年斯涅耳在他的一篇文章中指出,入射角的余割和折射角的余割之比是常数,而 笛卡儿约在 1630年在折光学 中给出了用正弦函数表述的折射定律。接着费马 在1657年首先指出光在介质中传播时所走路
14、程取极值的原理,称为费马引理。 其 数学表达式为 B A nds或恒定值)极值(极小值,极大值 根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。综上所述, 到十七世纪中叶, 基本 上已经奠定了几何光学的基础。 2.2.2微粒说统治地位的取得 光学学科的形成及其系统化的建立,是从17世纪以后才开始的 , 在这一时期 创立了关于认识光的本性的学说, 其中以光的微粒说和光的波动说这两种学说最 为重要,而他们之间的争论一直延续到二十世纪初。 光的微粒说的代表是英国科学家牛顿,他认为光是发光体所射出的微小粒 子,所以是沿着直线行进的。 这种学说只要假定光在水中的速度比空气中大,就 可以很容易的解释光的折射和反射
15、定律。虽然有一些光学现象用微粒还不能解 释,但他坚信光是一种粒子。 光的波动学说的代表是与牛顿同时代的胡克和惠更 斯等人为代表,他认为光是一种称为“以太”的介质的快速振动,当以太受到光 的照射而振动时,每一个以太点可以作为新的振动中心而向四周传播波面次波, 这些波面次波结合后所形成的包络面是下一瞬间新的波前,这就是著名的惠更斯 原理(如图 1所示) 2 。 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 4 球面波平面波 图1 按照这个原理, 波动学说也顺利了解释了光的反射和折射定律。但是惠更斯 原理也有一定的缺陷, 它不能很好的解释光的干涉和衍射现象等有关光的波动本 性的现象
16、。 由于当时牛顿的极高威望以及牛顿追随者极力推崇他的微粒说的强大影响, 很多人便依附于牛顿的微粒说之下。当时的人们在解释各种各样的物理现象时, 还倾向于采用与之对应的流体概念。由于微粒说合乎人们的直观感觉,光也被看 成是一种细微粒子构成的流体物质。因此第一次争论就以波动说的失败而告终。 但惠更斯等人所做的开创性工作使得波动说仍然具有顽强的生命力。随着科学的 不断发展和人们对光深入的探索,又有了关于光的新的实验发现, 而数学的发展 又为波动说解决困难提供了有力工具,从而为波动说的发展奠定了坚实的基础。 2.3 波动光学时期 (19 世纪末 19 世纪初 ) 2.3.1波动说的重新崛起 随看人们对
17、光的研究的深人, 微粒说的局限越来越被人们所认识。一些当时 已知的光学现象,比如在空间交叉的几束光线能够互不干扰地独立前进; 光线不 是永远走直线, 它可以绕过障碍物的边缘拐弯前进等,微粒说无法解释。 而这些 现象,荷兰物理学家惠更斯提出的波动说就能够给予合理的解释。他把光和声波、 水波相类比, 认为光是一种机械波, 由发光物体引起, 依靠一种特殊的弹性媒质 来传播。这一种学说, 既解释了几束光线相遇不会发生干扰的现象,又解释了光 的反射和折射现象。 在解释折射现象的时候, 惠更斯同牛顿的解释更是相反。他 假设光在水中的速度小于在空气中的速度。实验结果表明了惠更斯的解释正确, 而牛顿的解释错误
18、。 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 5 在恢复原来光波动理论合理与“合法”的斗争中,英国科学家托马斯杨建 立了不朽功勋 .1801 年,英国科学家托马斯杨最先用干涉原理解释了白光照射 下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”,其实验原理图如图2 所 示 图2 1818年, 法国科学家菲涅耳参加了巴黎科学院征求关于阐释光的衍射现象这一有 奖问题的辩论并获得胜利, 使光的波动学说开始被大多数学者所接受,菲涅耳以 光的波动说为基础, 把杨氏干涉的思想与惠更斯原理相结合,形成了人们熟知的 惠更斯菲涅耳原理,即如图3所示的波面 S上每个面积元 dS都可以看成新的波
19、 源,他们均发出次波。 波面前方空间某一点 P的振动可以由 S面上所有面积元所发 出的次波在该点叠加后的合振幅来表示。 图3 根据对各次波的振幅和相位进行假设,那么面积元dS发出的次波在 P点的合振动 可表示为 )cos( )( tkr r dSK dE(2-1) 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 6 或 dStkr r K CdE)cos( )( (2-2) 其中K()为随着 角增大而缓慢减小的函数,称为倾斜因子,C 为比例系数。 如果波面上各点的振幅有一定的分布,则面积元dS发出次波到达 P点的振幅与该 面积元上的振幅成正比,若分布函数为A(Q), 则波面在
20、P点所产生的振动为 dStkr r QAK CdE)cos( )()( (2-3) 如果将波面 S上所有面积元在 P点的作用加起来,即可求得波面 S在P点所产生的合 振动为 dStkr r QAK CdEE s )cos( )()( (2-4) 或写成复数形式 dSe r QAK CE tkri)()()( (2-5) 惠更斯 - 菲涅耳原理解释了在圆孔直边狭缝等物体边缘存在的光的衍射现象,菲 涅耳的理论还圆满地解释了光波的直线传播的性质,并且最为奇妙的是根据菲涅 耳的理论进行计算, 可以预见在一块布透明圆板的阴影中心会有一个亮点,实验 证实了这一似乎不可理解的结论,从而是光的波动说获得了最终
21、的确认。 菲涅耳进一步研究了光通过方解石晶体后所产生的两束光(即双重像) 之间 不能产生通常的干涉现象的实验事实,因而认识到光波不是像声波一样的纵波而 必然是一种横波; 并且确认由方解石所产生的两束光具有不同的(正交的) 偏振 态。菲涅耳由此又进一步建立了一整套以“以太”振动维持横波性传递的理论, 推导出两种不同偏振态的光波在界面上的反射、折射的光强与入射角之间的关系 式,即著名的菲涅耳反射折射公式。 反射 )tan( )tan( )sin( )sin( 21 21 1 1 21 21 1 1 ii ii A A ii ii A A p p s s 折射 )cos()sin( cossin2
22、)sin( cossin2 2121 12 1 2 21 12 1 2 iiii ii A A ii ii A A p p s s 1 湖北师范学院物理与电子科学学院2013 届学士学位论文(设计) 7 公式中各量的意义及方向规定: 角入射角: 1 i ;反射角: 2 i;折射角: 2 i 振幅入射光振幅: 1 A ; 反射光振幅: 1 A; 折射光振幅 : 2 A。 振幅的矢量分解将每一振幅矢量按与传播方向垂直的两方向分解:在入 射面内的为平行分量 p分量,垂直于入射面的为垂 直分量 s分量。 这一理论解决了光波在一些非均匀晶体传播的问题,并在以后被许多学者进 一步完善而称为“弹性以太理论”
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