六章經(jīng)典光學(xué)

1、第六章第六章 經(jīng)典光學(xué)經(jīng)典光學(xué) 1.1.光學(xué)的歷史概述光學(xué)的歷史概述 2.2.光的波動說和微粒說的論爭光的波動說和微粒說的論爭 3.3.光速的測定光速的測定 4.4.光譜的研究（略）光譜的研究（略）一一.早期光學(xué)（略）早期光學(xué)（略）二二.折射定律的建立折射定律的建立三三.光學(xué)儀器的研制光學(xué)儀器的研制四四.牛頓對光的色散的研究牛頓對光的色散的研究1.光學(xué)的歷史概述光學(xué)的歷史概述1 1 開普勒的工作：開普勒的工作：16111611年寫了年寫了折光學(xué)折光學(xué)，記載了兩個，記載了兩個實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)。第一個實(shí)驗(yàn)第一個實(shí)驗(yàn)是比較入射角和折射角：如圖，日光是比較入射角和折射角：如圖，日光lmnlmn斜射到器壁斜射

2、到器壁dbcdbc上，上，bcbc邊沿的影子投射到底座于邊沿的影子投射到底座于hkhk；另一部；另一部分從分從dbdb射進(jìn)一玻璃立方體射進(jìn)一玻璃立方體adbefadbef內(nèi)，陰影的邊沿形成于內(nèi)，陰影的邊沿形成于igig。 根據(jù)屏高根據(jù)屏高bebe和兩陰和兩陰影的長度影的長度eheh和和egeg，就可，就可算出立方體的入射角和算出立方體的入射角和出射角之比。出射角之比。二二 折射定律的建立折射定律的建立第二個實(shí)驗(yàn)是：第二個實(shí)驗(yàn)是：用一個圓柱性玻璃，令光線沿用一個圓柱性玻璃，令光線沿s s1 1和和s s2 2入射，入射，通過圓柱中心的光線通過圓柱中心的光線s s1 1方向不變，和圓柱邊沿相切的光

3、線方向不變，和圓柱邊沿相切的光線s s2 2偏折最大，并發(fā)現(xiàn)最大偏折角約為偏折最大，并發(fā)現(xiàn)最大偏折角約為42420 0。 全反射的發(fā)現(xiàn)：全反射的發(fā)現(xiàn)： 令令abab為玻璃與空氣的分界面，如圖。光線從空氣進(jìn)入玻為玻璃與空氣的分界面，如圖。光線從空氣進(jìn)入玻璃發(fā)生折射，由于最大偏折角為璃發(fā)生折射，由于最大偏折角為42420 0，所以進(jìn)入玻璃的，所以進(jìn)入玻璃的光線將構(gòu)成一個夾角為光線將構(gòu)成一個夾角為42420 02=842=840 0的錐形的錐形monmon。若有一束光若有一束光從玻璃從玻璃射向空氣，當(dāng)入射角射向空氣，當(dāng)入射角大于大于42420 0時，則到達(dá)時，則到達(dá)o點(diǎn)后，將既不能進(jìn)點(diǎn)后，將既不能進(jìn)

4、入空氣，也不能進(jìn)入入空氣，也不能進(jìn)入mon錐形區(qū)域，必錐形區(qū)域，必定反射為定反射為。2 斯涅耳斯涅耳(w.snell,1591-1626)的工作：的工作： 荷蘭人，荷蘭人，16211621年從年從實(shí)驗(yàn)得到準(zhǔn)確的折射定實(shí)驗(yàn)得到準(zhǔn)確的折射定律律 。方法和開普勒基。方法和開普勒基本相同，但斯涅耳發(fā)現(xiàn)，本相同，但斯涅耳發(fā)現(xiàn)，比值比值os /osos /os恒為常數(shù)，恒為常數(shù)，并由此導(dǎo)出圖中所示式并由此導(dǎo)出圖中所示式子。子。3 笛卡兒的工作：笛卡兒的工作： 現(xiàn)代形式的折射定律是笛卡兒在現(xiàn)代形式的折射定律是笛卡兒在16371637年出版的年出版的方法論方法論中提出的。中提出的。他將空氣和其他介質(zhì)（如玻璃或

5、水）的界面看他將空氣和其他介質(zhì)（如玻璃或水）的界面看作是一層很脆薄的布，作是一層很脆薄的布，設(shè)想有一小球斜方向投向界面，當(dāng)設(shè)想有一小球斜方向投向界面，當(dāng)球穿過薄布時，在垂直于界面的方向損失了部分速度，但球穿過薄布時，在垂直于界面的方向損失了部分速度，但平行于界面的方向上的速度不變平行于界面的方向上的速度不變。據(jù)此他得出：。據(jù)此他得出：visin i =vrsin r，所以有：所以有：sin i /sin r =vr/vi=常數(shù)常數(shù) 但由于他假設(shè)介質(zhì)交界但由于他假設(shè)介質(zhì)交界面兩側(cè)的光速的平行分量相面兩側(cè)的光速的平行分量相等是錯誤的，為使理論與實(shí)等是錯誤的，為使理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，必須假設(shè)光密驗(yàn)數(shù)

6、據(jù)相符，必須假設(shè)光密媒質(zhì)內(nèi)的光速比光疏媒質(zhì)大。媒質(zhì)內(nèi)的光速比光疏媒質(zhì)大。這顯然都是不正確的。這顯然都是不正確的。4 費(fèi)馬的工作：費(fèi)馬的工作： 1661年費(fèi)馬用最短時間原理推出了折射定律：年費(fèi)馬用最短時間原理推出了折射定律：同時證明了光從光疏媒質(zhì)進(jìn)入光密媒質(zhì)時向法線方向偏折。同時證明了光從光疏媒質(zhì)進(jìn)入光密媒質(zhì)時向法線方向偏折。1.1.12991299年由意大利人年由意大利人阿瑪?shù)侔數(shù)侔l(fā)明并發(fā)明并制造了眼鏡。制造了眼鏡。2.2.16081608年，年，荷蘭人荷蘭人李普塞李普塞（hans lippershey)hans lippershey)制成第一臺望制成第一臺望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡: :他用一個凸透鏡作為

7、物鏡，用一個凹透鏡作為目鏡他用一個凸透鏡作為物鏡，用一個凹透鏡作為目鏡組合而成。現(xiàn)在仍把這種組合稱為組合而成?，F(xiàn)在仍把這種組合稱為荷蘭望遠(yuǎn)鏡。荷蘭望遠(yuǎn)鏡。 3.3.伽利略伽利略知道后很快改進(jìn)成放大知道后很快改進(jìn)成放大3232倍，隨后又制成放大倍，隨后又制成放大10001000倍的望遠(yuǎn)鏡，并用它對天體進(jìn)行了觀察，于倍的望遠(yuǎn)鏡，并用它對天體進(jìn)行了觀察，于16101610年寫出年寫出了了星際使者星際使者的小冊子，有力支持了哥白尼的日心說。的小冊子，有力支持了哥白尼的日心說。4.4.16111611年年開普勒開普勒出版了出版了屈光學(xué)屈光學(xué)，解釋了荷蘭望遠(yuǎn)鏡和顯，解釋了荷蘭望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡所涉及到的光學(xué)原

8、理。并微鏡所涉及到的光學(xué)原理。并設(shè)計設(shè)計了一種用兩個凸透鏡了一種用兩個凸透鏡構(gòu)成的天文望遠(yuǎn)鏡，即構(gòu)成的天文望遠(yuǎn)鏡，即開普勒望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡很快。這種望遠(yuǎn)鏡很快就取代了荷蘭望遠(yuǎn)鏡就取代了荷蘭望遠(yuǎn)鏡( (因?yàn)樗曇皩捯驗(yàn)樗曇皩? )。 第一臺開普勒望遠(yuǎn)鏡由天文學(xué)家第一臺開普勒望遠(yuǎn)鏡由天文學(xué)家沙伊納沙伊納于于1613161316171617年制造。年制造。光光 學(xué)學(xué) 的的 歷歷 史史 概概 述述三三.光學(xué)儀器的研制光學(xué)儀器的研制5.5.幾乎與望遠(yuǎn)鏡同時，荷蘭人發(fā)明制造了顯微鏡，由眼幾乎與望遠(yuǎn)鏡同時，荷蘭人發(fā)明制造了顯微鏡，由眼鏡制造師鏡制造師詹森詹森(janssen)(janssen

9、)發(fā)明：由一雙凸透鏡作物鏡發(fā)明：由一雙凸透鏡作物鏡和一個雙凹透鏡作目鏡組合而成。和一個雙凹透鏡作目鏡組合而成。 后來，意大利那不勒斯的后來，意大利那不勒斯的馮特納馮特納(fontana)(fontana)第一第一個用凸透鏡代替了凹透鏡目鏡。個用凸透鏡代替了凹透鏡目鏡。6.6.16651665年，年，胡克胡克出版出版顯微圖象顯微圖象，并制造了一個，并制造了一個帶聚帶聚光鏡光鏡的顯微鏡：用兩個平凸透鏡分別作物鏡和目鏡，用的顯微鏡：用兩個平凸透鏡分別作物鏡和目鏡，用一球形聚光器來照亮待觀察的物體。一球形聚光器來照亮待觀察的物體。7.7.16681668年，年，牛頓牛頓設(shè)計并制設(shè)計并制造了第一架小型造

10、了第一架小型反射式反射式望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡，全長，全長1515厘米，厘米，口徑口徑2.52.5厘米，但其放厘米，但其放大倍數(shù)和當(dāng)時使用的大倍數(shù)和當(dāng)時使用的2 2米長的望遠(yuǎn)鏡相同。米長的望遠(yuǎn)鏡相同。16711671年又制造了第二架年又制造了第二架較大的反射式望遠(yuǎn)鏡，較大的反射式望遠(yuǎn)鏡，全長全長1.21.2米，口徑米，口徑2 2米，米，獻(xiàn)給了英國皇家學(xué)會，獻(xiàn)給了英國皇家學(xué)會，現(xiàn)仍保存在英國皇家學(xué)現(xiàn)仍保存在英國皇家學(xué)會圖書館。會圖書館。四四 牛頓的色散研究牛頓的色散研究1.色散的早期研究色散的早期研究：（：（略）略）2.2.問題：問題： 1717世紀(jì)正當(dāng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡問世，伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀世紀(jì)正當(dāng)望遠(yuǎn)鏡、

11、顯微鏡問世，伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察天體，胡克用顯微鏡觀察微小物體。然而，當(dāng)放大倍數(shù)察天體，胡克用顯微鏡觀察微小物體。然而，當(dāng)放大倍數(shù)增大時，這些儀器出現(xiàn)了像差和色差，人們深感迷惑，為增大時，這些儀器出現(xiàn)了像差和色差，人們深感迷惑，為什么圖象的邊緣總會出現(xiàn)彩色？這和彩虹有沒有共同之處？什么圖象的邊緣總會出現(xiàn)彩色？這和彩虹有沒有共同之處？怎樣才能消除？怎樣才能消除？如圖在一張黑紙上畫一條線如圖在一張黑紙上畫一條線abcabc，半邊，半邊abab為紅色，半為紅色，半邊邊bcbc為蘭色，經(jīng)過棱鏡觀看，只見這根線好象折斷為蘭色，經(jīng)過棱鏡觀看，只見這根線好象折斷了似的，分界處正是紅蘭之交，蘭色部分比紅色部了似

12、的，分界處正是紅蘭之交，蘭色部分比紅色部分更靠近棱鏡。可見蘭色光比紅色光折射更厲害。分更靠近棱鏡?？梢娞m色光比紅色光折射更厲害。疑問：疑問： 色散是不是由于光色散是不是由于光和棱鏡作用的結(jié)果？和棱鏡作用的結(jié)果？牛牛頓又作了以下實(shí)驗(yàn)：頓又作了以下實(shí)驗(yàn)：3.牛頓的色散實(shí)驗(yàn)牛頓的色散實(shí)驗(yàn)他拿三個棱鏡作實(shí)驗(yàn)，三個棱鏡完全相同，只是放置他拿三個棱鏡作實(shí)驗(yàn)，三個棱鏡完全相同，只是放置方式不同，如下圖。如果色散是由于光線和棱鏡的作方式不同，如下圖。如果色散是由于光線和棱鏡的作用引起的，經(jīng)過第二和第三棱鏡后，這種色散現(xiàn)象應(yīng)用引起的，經(jīng)過第二和第三棱鏡后，這種色散現(xiàn)象應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。顯然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不支持這一觀點(diǎn)。進(jìn)

13、一步加強(qiáng)。顯然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不支持這一觀點(diǎn)。他用兩塊木版各開一小孔他用兩塊木版各開一小孔f f和和g g，并分別放于三棱鏡兩側(cè)，并分別放于三棱鏡兩側(cè)，光從光從s s 處平行射入處平行射入f f后，經(jīng)棱鏡折射穿過小孔后，經(jīng)棱鏡折射穿過小孔g g，到達(dá)另一，到達(dá)另一塊木版塊木版dede上，投過小孔上，投過小孔g g的光再經(jīng)棱鏡的光再經(jīng)棱鏡abc的折射后，抵達(dá)的折射后，抵達(dá)墻壁墻壁mn。使第一個棱鏡使第一個棱鏡abcabc緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣第二塊這樣第二塊木版上不同顏色的光相繼穿過小孔木版上不同顏色的光相繼穿過小孔g g到達(dá)三棱鏡到達(dá)三棱鏡abcabc。實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：被第一個三棱鏡折

14、射最厲害的紫光，經(jīng)過第二個結(jié)果是：被第一個三棱鏡折射最厲害的紫光，經(jīng)過第二個三棱鏡時也偏折的最多。結(jié)論：白光是由折射性能不同的三棱鏡時也偏折的最多。結(jié)論：白光是由折射性能不同的各種顏色的光組成。各種顏色的光組成。有人提出光譜變長是因?yàn)檠苌湫?yīng)，為此牛頓又作如有人提出光譜變長是因?yàn)檠苌湫?yīng)，為此牛頓又作如下實(shí)驗(yàn)：取一長而扁的三棱鏡，使它產(chǎn)生的光譜相當(dāng)下實(shí)驗(yàn)：取一長而扁的三棱鏡，使它產(chǎn)生的光譜相當(dāng)狹窄。當(dāng)屏放在位置狹窄。當(dāng)屏放在位置1時，屏上顯示仍為白光；當(dāng)將屏?xí)r，屏上顯示仍為白光；當(dāng)將屏傾斜到位置傾斜到位置2時，就可看到分解的光譜。這一實(shí)驗(yàn)說明：時，就可看到分解的光譜。這一實(shí)驗(yàn)說明：光譜只涉及屏

15、的角度，結(jié)果與棱鏡無關(guān)。因而也就否光譜只涉及屏的角度，結(jié)果與棱鏡無關(guān)。因而也就否定了衍射效應(yīng)的說法。定了衍射效應(yīng)的說法。1.光線隨其折射率不同，顏色也不同。色是光線固有的屬光線隨其折射率不同，顏色也不同。色是光線固有的屬性。性。2.同一顏色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。同一顏色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。3.色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、反射或其它任何原因而改變。反射或其它任何原因而改變。4.必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是由原始的顏色復(fù)合而成的

16、色。是由原始的顏色復(fù)合而成的色。5.本身是白色的光線是沒有的，白色是由所有色的光線岸本身是白色的光線是沒有的，白色是由所有色的光線岸適當(dāng)比例混合而成。適當(dāng)比例混合而成。6.自然物質(zhì)的色是由于對某種光的反射大與其它光的反射自然物質(zhì)的色是由于對某種光的反射大與其它光的反射的緣故。的緣故。7.把光看成實(shí)體有充分依據(jù)。把光看成實(shí)體有充分依據(jù)。8.由此可解釋棱鏡色散和虹。由此可解釋棱鏡色散和虹。在色散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出以下幾條規(guī)律：在色散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出以下幾條規(guī)律：一一.光的微粒說光的微粒說二二.光的早期波動說光的早期波動說三三.光應(yīng)具有波粒二相性光應(yīng)具有波粒二相性2.光的波動說和微粒說

17、的論爭光的波動說和微粒說的論爭一一 光的微粒說：光的微粒說： 近代微粒說最早由近代微粒說最早由笛卡兒笛卡兒首先提出，后來首先提出，后來牛頓牛頓發(fā)展了微發(fā)展了微粒說，并和波動說展開了長期的爭斗。粒說，并和波動說展開了長期的爭斗。 微粒說認(rèn)為：微粒說認(rèn)為：光是由一顆顆像小彈丸一樣的機(jī)械微粒所光是由一顆顆像小彈丸一樣的機(jī)械微粒所組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進(jìn)入人的眼睛，沖擊視線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進(jìn)入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺。牛頓用微粒說輕而易舉地解釋了光的網(wǎng)膜，就引起了視

18、覺。牛頓用微粒說輕而易舉地解釋了光的直進(jìn)、反射和折射現(xiàn)象。由于微粒說通俗易懂，又能解釋常直進(jìn)、反射和折射現(xiàn)象。由于微粒說通俗易懂，又能解釋常見的一些光學(xué)現(xiàn)象，所以很快獲得了人們的承認(rèn)和支持。見的一些光學(xué)現(xiàn)象，所以很快獲得了人們的承認(rèn)和支持。 微粒說還認(rèn)為，光在水中的傳播速度比在空氣中的快。微粒說還認(rèn)為，光在水中的傳播速度比在空氣中的快。 缺陷：缺陷：無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互不干擾地獨(dú)立前時，為什么光線并不是永遠(yuǎn)走直線，而是可不干擾地獨(dú)立前時，為什么光線并不是永遠(yuǎn)走直線，而是可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播等現(xiàn)象。以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播

19、等現(xiàn)象。二二 早期的波動說早期的波動說1.1.胡克：胡克：胡克主張光是一種振動，是類似水波的某種快速脈沖。胡克主張光是一種振動，是類似水波的某種快速脈沖。2.2.惠更斯：惠更斯：荷蘭物理學(xué)家惠更斯發(fā)展了胡克的思想（縱波）。荷蘭物理學(xué)家惠更斯發(fā)展了胡克的思想（縱波）。3.3.托馬斯托馬斯楊楊-楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)4.4.菲涅耳：菲涅耳：雙光束干涉實(shí)驗(yàn)及泊松亮斑雙光束干涉實(shí)驗(yàn)及泊松亮斑菲涅耳雙棱鏡實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙棱鏡實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn)菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn)獲得兩相干光源的實(shí)獲得兩相干光源的實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 泊松亮斑：泊松亮斑：為了推進(jìn)微粒說的發(fā)展，為了推進(jìn)微粒說的發(fā)展，18181818年法國科學(xué)院年法國

20、科學(xué)院提出了有獎?wù)魑?，提出了有獎?wù)魑?，菲涅耳菲涅耳在阿拉果的鼓勵和支持下，提交在阿拉果的鼓勵和支持下，提交了?yīng)征論文：他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，了應(yīng)征論文：他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，從橫波的觀點(diǎn)出發(fā)，從橫波的觀點(diǎn)出發(fā)，圓滿的解釋了光的偏振，圓滿的解釋了光的偏振，并用半波帶法定量的解釋了圓孔、并用半波帶法定量的解釋了圓孔、圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射花紋，推出的結(jié)果與實(shí)圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射花紋，推出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合的很好。在評審菲涅耳的論文時，法國數(shù)學(xué)物理學(xué)驗(yàn)符合的很好。在評審菲涅耳的論文時，法國數(shù)學(xué)物理學(xué)家家泊松泊松應(yīng)用菲涅耳對光繞過障礙物衍射的數(shù)學(xué)方程證明：應(yīng)用菲涅耳對光繞過障礙物衍射的數(shù)學(xué)

21、方程證明：如果在光束傳播路徑上放置一塊不透明的圓板，則在放在如果在光束傳播路徑上放置一塊不透明的圓板，則在放在其后的屏上，應(yīng)觀察到圓板黑影的中央出現(xiàn)一個亮斑（后其后的屏上，應(yīng)觀察到圓板黑影的中央出現(xiàn)一個亮斑（后稱為泊松亮斑），泊松認(rèn)為這是不可能的，從而否定了菲稱為泊松亮斑），泊松認(rèn)為這是不可能的，從而否定了菲涅耳的應(yīng)征論文。于是菲涅耳做了一個實(shí)驗(yàn)，果然在陰影涅耳的應(yīng)征論文。于是菲涅耳做了一個實(shí)驗(yàn)，果然在陰影的中央出現(xiàn)了一個亮斑。的中央出現(xiàn)了一個亮斑。托馬斯楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和波松托馬斯楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和波松亮斑證實(shí)了光的波動性。亮斑證實(shí)了光的波動性。 18171817年年1 1月和月和18181

22、818年年4 4月月托馬斯托馬斯楊先后兩次寫信給楊先后兩次寫信給阿拉果，討論有關(guān)偏振問題，并把光比作繩索和弦的振阿拉果，討論有關(guān)偏振問題，并把光比作繩索和弦的振動，建議他們把光看成一種橫波。阿拉果把信給菲涅耳，動，建議他們把光看成一種橫波。阿拉果把信給菲涅耳，菲涅耳立即看出：這一比喻為互相垂直的兩束偏振光不菲涅耳立即看出：這一比喻為互相垂直的兩束偏振光不能相干提出了解釋。并于能相干提出了解釋。并于18191819年發(fā)表了年發(fā)表了關(guān)于偏振光線關(guān)于偏振光線的相互作用的相互作用，于，于18211821年發(fā)表了光的橫波性理論。年發(fā)表了光的橫波性理論。托馬托馬斯斯楊和菲涅耳的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)

23、展時期楊和菲涅耳的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)展時期-波動光學(xué)時期波動光學(xué)時期。18501850年傅科測定了光在水中和空氣中年傅科測定了光在水中和空氣中的速度，給光的粒子說以最后的打擊，從此光的波動說的速度，給光的粒子說以最后的打擊，從此光的波動說占據(jù)了統(tǒng)治地位。占據(jù)了統(tǒng)治地位。 1919世紀(jì)世紀(jì)6060年代，麥克斯韋發(fā)表了電磁場理論，并計年代，麥克斯韋發(fā)表了電磁場理論，并計算出電磁波的傳播速度和光速相等，明確提出光是一種算出電磁波的傳播速度和光速相等，明確提出光是一種電磁波。揭示了光和電磁波的統(tǒng)一性。約電磁波。揭示了光和電磁波的統(tǒng)一性。約2020年后被赫茲年后被赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)。三三

24、光的波粒二相性光的波粒二相性 18871887年，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)，否定年，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)，否定了以太存在。賴以生存的光和電磁波的傳播媒介以太的了以太存在。賴以生存的光和電磁波的傳播媒介以太的否定，使波動說面臨嚴(yán)重的危機(jī)。而光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和否定，使波動說面臨嚴(yán)重的危機(jī)。而光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋，又一次使光的粒子說暫時愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋，又一次使光的粒子說暫時占據(jù)了上風(fēng)。占據(jù)了上風(fēng)。 直到直到1921年，德布羅意年，德布羅意提出了光的波粒二相性提出了光的波粒二相性理論。理論。才暫時平息了關(guān)于光本性的爭論。才暫時平息了關(guān)于光本性的爭論。光光 速

25、速 的的 測測 定定3. 光速的測定光速的測定一一.早期的實(shí)驗(yàn)早期的實(shí)驗(yàn)二二.天文學(xué)方法天文學(xué)方法三三.地面測量方法地面測量方法四四 “以太漂移以太漂移”的測的測定定光光 速速 的的 測測 定定一一.早期的實(shí)驗(yàn)早期的實(shí)驗(yàn)在光速的問題上物理學(xué)界曾經(jīng)產(chǎn)生過爭執(zhí)，開普勒和笛在光速的問題上物理學(xué)界曾經(jīng)產(chǎn)生過爭執(zhí)，開普勒和笛卡爾都認(rèn)為光的傳播不需要時間，是在瞬時進(jìn)行的。但伽卡爾都認(rèn)為光的傳播不需要時間，是在瞬時進(jìn)行的。但伽利略認(rèn)為光速雖然傳播得很快，但卻是可以測定的。利略認(rèn)為光速雖然傳播得很快，但卻是可以測定的。 16071607年，伽利略進(jìn)行了最早的測量光速的實(shí)驗(yàn)：在已年，伽利略進(jìn)行了最早的測量光速的

26、實(shí)驗(yàn)：在已知距離的兩個高山峰上，放兩盞燈，利用接收燈閃亮的時知距離的兩個高山峰上，放兩盞燈，利用接收燈閃亮的時間去除間距，來測光速，但誤差較大。間去除間距，來測光速，但誤差較大。二二. .天文學(xué)方法天文學(xué)方法1.1.由木衛(wèi)蝕測量光速由木衛(wèi)蝕測量光速 由丹麥人奧羅斯由丹麥人奧羅斯羅末羅末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提出。木星年提出。木星有有1313個衛(wèi)星，個衛(wèi)星，i i0 0（木衛(wèi)一）是木星的一顆衛(wèi)星，繞木星旋轉(zhuǎn)（木衛(wèi)一）是木星的一顆衛(wèi)星，繞木星旋轉(zhuǎn)一周的時間約一周的時間約4242小時小時2828分分1616秒，因此在地球上看秒，因此在地球上看i i0 0蝕

27、也應(yīng)是蝕也應(yīng)是4242小時小時2828分分1616秒一次，但他在觀測木衛(wèi)秒一次，但他在觀測木衛(wèi)i i0 0的隱食周期時發(fā)現(xiàn)：的隱食周期時發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時期，它們的周期有所不同；在一年的不同時期，它們的周期有所不同； 惠更斯據(jù)此觀察計算出了光的傳播速度：惠更斯據(jù)此觀察計算出了光的傳播速度：214000千米千米/秒。秒。 現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是298000千米千米/秒，秒，利用木星蝕測量光速圖：利用木星蝕測量光速圖：意義：意義：揭示了光的傳播需要時間，即光速有限。揭示了光的傳播需要時間，即光速有限。2.2.由光行差測量光速由光行差測

28、量光速 17251728年間，年間，英國英國天文學(xué)家布拉德雷（天文學(xué)家布拉德雷（bradley)bradley) 在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在繞橢圓軌道運(yùn)行一都在繞橢圓軌道運(yùn)行一周他認(rèn)為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生周他認(rèn)為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間，而在面時需要一定的時間，而在此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化。發(fā)生了位置的變化。 如右圖，若當(dāng)?shù)厍蛉缬覉D，若當(dāng)?shù)厍?人人)從從b點(diǎn)運(yùn)點(diǎn)運(yùn)動到動到a點(diǎn)時，恒

29、星發(fā)出的光線從點(diǎn)時，恒星發(fā)出的光線從c點(diǎn)點(diǎn)傳播到傳播到a，則光速和地球的公轉(zhuǎn)速，則光速和地球的公轉(zhuǎn)速度之比為：度之比為： vctgcv 由此測得光速為：由此測得光速為：c=299930千米千米/秒秒18491849年，法國人年，法國人菲索菲索（1819-18961819-1896）用齒）用齒輪旋轉(zhuǎn)法測得光速為輪旋轉(zhuǎn)法測得光速為3.153.1510108 8米米/ /秒。他是第秒。他是第一個首次證明光速可以在實(shí)驗(yàn)中測得的人。另一個首次證明光速可以在實(shí)驗(yàn)中測得的人。另外，法國人外，法國人傅科傅科、美國人、美國人紐克姆紐克姆等都對光速測等都對光速測定做過貢獻(xiàn)。定做過貢獻(xiàn)。光光 速速 的的 測測 定定

30、三三.光速的地面測定方法光速的地面測定方法1.1.旋轉(zhuǎn)齒輪法：旋轉(zhuǎn)齒輪法： 18491849年法國物理學(xué)家斐索首次在實(shí)驗(yàn)室利用齒輪的旋轉(zhuǎn)測年法國物理學(xué)家斐索首次在實(shí)驗(yàn)室利用齒輪的旋轉(zhuǎn)測定了光速。其裝置如下：控制齒輪轉(zhuǎn)速，使其由零逐漸增加，定了光速。其裝置如下：控制齒輪轉(zhuǎn)速，使其由零逐漸增加，觀察者開始將看到閃光，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)而達(dá)到第一次看不到光時，觀察者開始將看到閃光，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)而達(dá)到第一次看不到光時，齒縫被齒所代替，再增加轉(zhuǎn)速，當(dāng)看到光且不再閃時，說明光齒縫被齒所代替，再增加轉(zhuǎn)速，當(dāng)看到光且不再閃時，說明光往返的時間和齒輪轉(zhuǎn)過一齒的時間正好相等。據(jù)此即可算出光往返的時間和齒輪轉(zhuǎn)過一齒的時間正好

31、相等。據(jù)此即可算出光速。菲索測得的光速是速。菲索測得的光速是315000315000千米千米/ /秒。由于齒輪有一定的寬秒。由于齒輪有一定的寬度，用這種方法很難精確的測出光速。度，用這種方法很難精確的測出光速。2.傅科的旋轉(zhuǎn)平面鏡法傅科的旋轉(zhuǎn)平面鏡法 1850 1850年斐索的朋友和合作者傅科設(shè)計了旋轉(zhuǎn)平面鏡年斐索的朋友和合作者傅科設(shè)計了旋轉(zhuǎn)平面鏡法測定光速，如下圖所示。所測速度為法測定光速，如下圖所示。所測速度為298000298000500500千米千米/ /秒。秒。3.阿爾伯特阿爾伯特邁克爾遜邁克爾遜(1926)旋轉(zhuǎn)棱鏡法：旋轉(zhuǎn)棱鏡法：光光 速速 的的 測測 定定 邁克爾遜從邁克爾遜從1

32、879年開年開始對光速進(jìn)行了長達(dá)始對光速進(jìn)行了長達(dá)50年的測量工作，基本上年的測量工作，基本上沿用了傅科的方法，后沿用了傅科的方法，后來將斐索的齒輪法和傅來將斐索的齒輪法和傅科的轉(zhuǎn)鏡法相結(jié)合，創(chuàng)科的轉(zhuǎn)鏡法相結(jié)合，創(chuàng)立了棱鏡旋轉(zhuǎn)法。立了棱鏡旋轉(zhuǎn)法。 棱鏡旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速可以棱鏡旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速可以測定，由發(fā)光和接收光測定，由發(fā)光和接收光的時間、棱鏡轉(zhuǎn)速和光的時間、棱鏡轉(zhuǎn)速和光來回傳遞距離的數(shù)學(xué)關(guān)來回傳遞距離的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以導(dǎo)出光速來。系，可以導(dǎo)出光速來。 轉(zhuǎn)鏡是一個正八面的鋼質(zhì)棱鏡，從光源轉(zhuǎn)鏡是一個正八面的鋼質(zhì)棱鏡，從光源s s發(fā)出的光射發(fā)出的光射到轉(zhuǎn)鏡面到轉(zhuǎn)鏡面r r上，經(jīng)上，經(jīng)r r反射后又射到反射后又

33、射到3535公里以外的一塊反射公里以外的一塊反射鏡鏡c c上。光線再經(jīng)反射后又回到轉(zhuǎn)鏡。所用時間是上。光線再經(jīng)反射后又回到轉(zhuǎn)鏡。所用時間是t=2d/ct=2d/c。在在t t時間中轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過一個角度。實(shí)驗(yàn)時，逐漸加快轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)時間中轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過一個角度。實(shí)驗(yàn)時，逐漸加快轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 528528轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /秒時，在秒時，在t t時間里正好轉(zhuǎn)過時間里正好轉(zhuǎn)過1/81/8圈。圈。返回的光線恰恰落在棱鏡的下一個面上，通過半透鏡返回的光線恰恰落在棱鏡的下一個面上，通過半透鏡m m可可以從望遠(yuǎn)鏡里看到返回光線所成的像。以從望遠(yuǎn)鏡里看到返回光線所成的像。 用這種方法得到用這種方法得到c=2997

34、96c=2997964 4公里秒。公里秒。 19071907年，阿爾伯特年，阿爾伯特邁克爾遜是第一位獲諾貝爾物理獎邁克爾遜是第一位獲諾貝爾物理獎的美國科學(xué)家。的美國科學(xué)家。4 4 其他方法其他方法-試驗(yàn)室方法試驗(yàn)室方法克爾盒法：克爾盒法：克爾盒能使光束以極高頻率做周期性變化?？藸柡心苁构馐詷O高頻率做周期性變化。19281928年，年，卡婁拉斯卡婁拉斯和和米太斯塔德米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測首先提出利用克爾盒法來測定光速。定光速。微波諧振腔法：微波諧振腔法：19501950年年埃文森埃文森最先采用測定微波波長和頻最先采用測定微波波長和頻率的方法來確定光速率的方法來確定光速激光測速法：激

35、光測速法：19701970年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局和美國國立物理實(shí)驗(yàn)?zāi)昝绹鴩覙?biāo)準(zhǔn)局和美國國立物理實(shí)驗(yàn)室最先運(yùn)用激光測定光速室最先運(yùn)用激光測定光速 等等。等等。光速測量一覽表光速測量一覽表五五 “以太漂移以太漂移”的測定的測定1.1.早期對早期對“以太以太”的認(rèn)識的認(rèn)識（略）略）2.“2.“以太以太”的運(yùn)動觀：的運(yùn)動觀： 18181818年菲涅耳提出靜止以太說年菲涅耳提出靜止以太說 18451845年斯托克斯提出完全拖曳說年斯托克斯提出完全拖曳說 18511851年菲索提出部分拖曳說年菲索提出部分拖曳說3.“以太漂移以太漂移”的測定的測定 斐索的流水實(shí)驗(yàn)斐索的流水實(shí)驗(yàn) 邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)

36、 洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)斐索的流水實(shí)驗(yàn)斐索的流水實(shí)驗(yàn) 1851年，斐索在流水中比較光速，實(shí)驗(yàn)原理如下圖年，斐索在流水中比較光速，實(shí)驗(yàn)原理如下圖,光光源發(fā)出的光經(jīng)半透鏡反射進(jìn)入兩狹縫源發(fā)出的光經(jīng)半透鏡反射進(jìn)入兩狹縫s1和和s2形成兩光束，進(jìn)形成兩光束，進(jìn)入水管，一束順?biāo)鞣较颍皇嫠鞣较颍?jīng)反射鏡入水管，一束順?biāo)鞣较颍皇嫠鞣较?，均?jīng)反射鏡m反射，在反射，在s處會合發(fā)生干涉。處會合發(fā)生干涉。觀察干涉條紋觀察干涉條紋可以檢查因受可以檢查因受水流曳引形成水流曳引形成的光程差。的光程差。假如水中的以太不被流水曳引，兩束光在水中的速率是一假如水中的以太不被流水曳引，兩束光在水中的速率是

37、一樣的，無論水是否流動，干涉條紋都不會發(fā)生變化。如果樣的，無論水是否流動，干涉條紋都不會發(fā)生變化。如果以太被流水曳引，拖曳系數(shù)為以太被流水曳引，拖曳系數(shù)為k，水流的速度為，水流的速度為v，則以太，則以太被拖曳的速率為被拖曳的速率為kv；兩束光在流水中相對于地球的速率就；兩束光在流水中相對于地球的速率就不相同，于是便能看到干涉條紋的變化。光在流水中相對不相同，于是便能看到干涉條紋的變化。光在流水中相對于地球的速度為于地球的速度為:c=c/nkv,斐索通過實(shí)驗(yàn)測得斐索通過實(shí)驗(yàn)測得 k=0.46，表明水中的以太被部分拖曳。表明水中的以太被部分拖曳。(1817年，菲涅耳通過理論年，菲涅耳通過理論導(dǎo)出以

38、太被物體拖曳的常數(shù)為導(dǎo)出以太被物體拖曳的常數(shù)為 1-1/n2。對水而言，其值為。對水而言，其值為0.438，兩結(jié)果一致。，兩結(jié)果一致。) 根據(jù)菲涅耳理論，對于地球表面的空氣，根據(jù)菲涅耳理論，對于地球表面的空氣，n1，所以，所以 k=0。表明空氣對以太沒有拖曳作用。但是這一公式的意。表明空氣對以太沒有拖曳作用。但是這一公式的意義，當(dāng)時并沒有被人所理解。直到愛因斯坦建立了相對論義，當(dāng)時并沒有被人所理解。直到愛因斯坦建立了相對論才得到圓滿的解釋。才得到圓滿的解釋。邁克耳遜干涉儀：邁克耳遜干涉儀： 18811881年邁克耳遜設(shè)計了一種干涉儀，如圖，用于尋找年邁克耳遜設(shè)計了一種干涉儀，如圖，用于尋找絕對靜止的以太是否存在。絕對靜止的以太是否存在。 當(dāng)兩光束有一定光程差時，在當(dāng)兩光束有一定光程差時，在d d處則出現(xiàn)干涉條紋。如處則出現(xiàn)干涉條紋。如果以太是靜止不動的，則由于地球繞太陽的運(yùn)轉(zhuǎn)，地球表果以太是靜