第三章光学的历史概述.ppt

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1、一一.早期光学早期光学二二.折射定律的建立折射定律的建立三三.光学仪器的研制光学仪器的研制四四.牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究1.光学的历史概述光学的历史概述光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述1.古代光学古代光学:基本上停留在几何光学的研究和基本上停留在几何光学的研究和总结上。总结上。公公元元前前5 5世世纪纪墨墨经经、北北宋宋时时期期沈沈括括的的梦溪笔谈都有记载。梦溪笔谈都有记载。一一.早期光学早期光学托勒密(C.Ptolemaeus,希，约公元100-170)古 希 腊欧 几 里 德(Euclid，约公元前330-公元前275）研究光的反射研究光的折射托勒密像光光 学学 的

2、的 历历 史史 概概 述述2.中中世世纪纪:阿阿勒勒哈哈增增（965-1038）(阿阿拉拉伯伯人人)著光学。著光学。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述荷荷兰兰人人斯斯涅涅耳耳最最早早提提出出折折射射定定律律，由由法法国国数数学学家家费费马马（1601-16651601-1665）提提出出费费马马原原理，予以确定，使几何光学理论很快发展。理，予以确定，使几何光学理论很快发展。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述二二.折射定律的建折射定律的建立立1.12991.1299年年，发发明明了了眼眼镜镜。意意大大利利人人阿阿玛玛蒂蒂制制造了眼镜。造了眼镜。2.16082.1608年年，荷荷兰兰人

3、人李李普普塞塞制制成成第第一一台台望望远远镜镜，伽利略改进成放大伽利略改进成放大3232倍的望远镜。倍的望远镜。3.3.几几乎乎与与望望远远镜镜同同时时，荷荷兰兰人人发发现现制制造造了了显显微镜。微镜。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述三三.光学仪器的研光学仪器的研制制1666-1666-17041704年间，年间，牛顿用色散牛顿用色散原理解释了原理解释了天界神秘而天界神秘而瑰丽的彩虹。瑰丽的彩虹。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述四四.牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究一一.光的微粒说光的微粒说二二.光的波动学说光的波动学说三三.光应具有波粒二相性光应具有波粒二相性2.光的

4、波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争17041704年年，牛牛顿顿：“光光是是一一种种细细微微的的大大小小不同的而又迅速运动的粒子。不同的而又迅速运动的粒子。”一一.光的微粒说光的微粒说1.代代表表人人物物:惠惠更更斯斯，胡胡克克：“光必定是一种振动。光必定是一种振动。”2.波波动动说说的的困困境境:由由于于当当时时没没发发现现光光的的干干涉涉、衍衍射射等等波波动动现现象象，使使光光的的波波动动说说难难以以自自圆圆其说。其说。惠更斯像光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争二二.光的波动

5、学说光的波动学说3.19世纪光的波动说的两个英雄世纪光的波动说的两个英雄1)托马斯杨(1773-1829)：两两岁岁认认字字，四四岁岁能读圣经，能读圣经，2323岁获医学学位。岁获医学学位。因因牛牛顿顿反反对对波波动动说说，光光的的微微粒粒说说在在百百年年中中占占了了上上风风，波波动动说说几几乎乎销销声声匿匿迹。迹。光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争托马斯杨像设设计计了了杨杨氏氏双双缝缝实实验验，证证明明了了光光的的干干涉涉现现象。象。面面对对牛牛顿顿如如日日中中天天的的气气势势，杨杨以以不不唯唯名名的的勇勇敢敢精精神神说说：“尽尽管管我我仰仰慕慕牛牛顿顿的

6、的大大名名，但但我我并并因因此此非非得得认认为为他他是是百百无无一一失失的的。我我遗遗憾憾地地看看到到他他也也会会弄弄错错，而而他他的的权权威威也也许许有有时时甚甚至至阻阻碍碍了科学的进步。了科学的进步。”光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争2)菲涅耳(1788-1827)：法法国国工工程程师师。完完善善了了惠惠更斯理论，提出了子波相干的思想。更斯理论，提出了子波相干的思想。菲菲涅涅耳耳的的理理论论泊泊松松的的计计算算阿阿拉拉果的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。果的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。这样光的波动说赢得了第一回合的胜利。这样光的波动说赢得了第一

7、回合的胜利。光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争在在18181818年法国科学院悬赏征文中一举成名。年法国科学院悬赏征文中一举成名。光光的的波波动动说说无无法法解解释释光光电电效效应应，但但粒粒子子说说可可以以解解释释。它它的的思思想想是是爱爱因因斯斯坦坦光量子理论的起源。光量子理论的起源。光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争三三.光应具有波粒二相性光应具有波粒二相性3.光谱的研究光谱的研究一一.巴尔末发现氢光谱规律巴尔末发现氢光谱规律二二.广义巴尔末公式广义巴尔末公式光光 谱谱 的的 研研 究究1.背景:杨的干涉实验提供了测

8、定波长的方法杨的干涉实验提供了测定波长的方法。夫琅禾费夫琅禾费对太阳光谱也进行了细对太阳光谱也进行了细心的检验。心的检验。1814年年基尔霍夫在研究碱金属光谱发现基尔霍夫在研究碱金属光谱发现了铯和铷。了铯和铷。1859年年埃格斯特朗埃格斯特朗首先找到氢光谱的谱首先找到氢光谱的谱系。系。1868年年一一.巴尔末巴尔末发现氢光谱规律发现氢光谱规律2.瑞士科学家巴尔末瑞士科学家巴尔末(1825-1898)的贡献的贡献如如何何从从浩浩繁繁的的光光谱谱资资料料中中找找出其中的规律出其中的规律?光光 谱谱 的的 研研 究究巴巴尔尔末末像像巴巴尔尔末末，瑞瑞士士的的一一位位中中学学数数学学教教师师，在在哈哈

9、根根拜拜希希教教授授的的指指点点下下将将氢氢光光谱谱的的规规律律总总结结出来，于出来，于18841884年年6 6月月2525日正式发表日正式发表:次年发表了论文。次年发表了论文。光光 谱谱 的的 研研 究究1)1)由由于于埃埃氏氏对对氢氢谱谱线线的的精精确确测测量量，提提供供了了氢氢的的可可见见光光部部分分的的四四条条谱谱线线的的精精确确波波长长，从从中中巴巴尔尔末末提提出出了了一一个个共共同同因因子子：B=3645.610B=3645.6107 7毫米毫米。光光 谱谱 的的 研研 究究2)2)氢氢的的前前四四根根谱谱线线的的波波长长可可以以从从这这一一基基数数，相相继继乘乘以以系系数数9/

10、59/5，4/34/3，25/2125/21，9/89/8。初初看看起起来来，这这四四个个系系数数，没没有有构构成成规规则则数数列列，但但如如果果将将第第二二项项与与第第四四项项分分子子、分分母母分分别别乘乘以以4 4，则分子为则分子为3 32 2，4 42 2，5 52 2，6 62 2，而分母的完全平方，而分母的完全平方的规律。的规律。相应的差相应的差4 4，这样就出现了，这样就出现了光光 谱谱 的的 研研 究究由由于于巴巴尔尔末末公公式式的的发发现现，光光谱谱成成因因的的神神秘秘大大门门被被打打开开了了，人人们们研研究究原原子子内内部部结结构构，又又有有了了一一个个新新的的依依据据，此此

11、后后光光谱谱规规律律不不断断被被揭揭示示，一一门门新新的的系系统统的的科科学学原子光谱形成了。原子光谱形成了。光光 谱谱 的的 研研 究究光光 谱谱 的的 研研 究究二二.广义巴尔末公式广义巴尔末公式光光 速速 的的 测测 定定光光在在真真空空中中的的传传播播速速度度是是一一个个极极其其重重要要的的物物理理量量，能能否否准准确确测测定定是是物物理理实实验验技技术术水平和理论水平的标志。水平和理论水平的标志。4.光速的测定光速的测定一一.早期的实验早期的实验二二.天文学方法天文学方法三三.地面方法地面方法光光 速速 的的 测测 定定1.伽利略提出:在在已已知知距距离离的的两两个个高高山山峰峰上上

12、放放两两盏盏灯灯，利利用用接接收收灯灯闪闪亮亮的的时时间间去去除除间间距距，来来测测光光速速，但但误误差差较较大大。一一.早期的实验早期的实验木木星星有有1313个个卫卫星星，I I0 0（木木卫卫一一）是是木木星星的的一一颗颗卫卫星星，绕绕木木星星旋旋转转一一周周的的时时间间约约4242小小时时2828分分1616秒秒，因因此此在在地地球球上上看看I I0 0蚀蚀也也应应是是4242小小时时2828分分1616秒秒一一次次，但但是是观观测测后后时时间间却却不不一一样样，原原因因是是两两次次观观测测木木星星与与地地球球的的距距离离不不一一样样，从从I I0 0发发出出的的光光信信号号所所传传

13、递递的的空空间间距距离离不不同同。用用两两次次木木卫卫蚀蚀的的时时间间差差去去除除两两次次木木星星与与地地球球的的距距离离差差，即可求得光速。即可求得光速。现代人用此法可测光速为：现代人用此法可测光速为：2.998102.998108 8米米/秒。秒。光光 速速 的的 测测 定定二二.天文学方法天文学方法丹麦人奥罗斯丹麦人奥罗斯罗末罗末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提出。年提出。18491849年年，法法国国人人菲菲索索（1819-18961819-1896）用用齿齿轮轮旋旋转转法法测测得得光光速速为为3.15103.15108 8米米/秒秒。他他是是第第一

14、一个个首首次次证证明明光光速速可可以以在在实实验验中中测测得得的的人人。另另外外，法法国国人人付付科科、美美国国人人纽纽克克姆等都对光速测定做过贡献。姆等都对光速测定做过贡献。光光 速速 的的 测测 定定三三.地面方法地面方法下面介绍阿尔伯特迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：棱镜旋转的转速可棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收以测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学光来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。关系，可以导出光速来。22英里英里光光 速速 的的 测测 定定19071907年年，阿阿尔尔伯伯特特迈迈克克尔尔逊逊是是第第一一位位获获诺诺贝贝尔尔物物理奖的美国科学家。理奖的美国科学家。光光 速速 的的 测测 定定