第6章-光學(xué)的發(fā)展課件

6.1西方古代和中世紀(jì)的光學(xué)成就簡述古代光學(xué)基本上停留在幾何光學(xué)的研究和總結(jié)上。公元前5世紀(jì)《墨經(jīng)》、北宋時(shí)期沈括的《夢(mèng)溪筆談》都有記載。如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等。托勒密對(duì)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究古希臘時(shí)期的天文學(xué)家托勒密專門作過光的折射實(shí)驗(yàn)，寫有《光學(xué)》5卷，記載:折射角與入射角成正比。今天我們知道這個(gè)結(jié)論是不正確的，它只有在入射角很小的情況下才近似成立．留給我們的沉思：從托勒密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集可以說是完全正確的。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是相當(dāng)精確的，與現(xiàn)代值幾乎沒有多大的差別。但是托勒密可惜的是未能從正確的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)正確的規(guī)律，從這里可看出對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確處理，加上正確理論的指導(dǎo)在發(fā)現(xiàn)規(guī)律中的重要性。托勒密是第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定入射角和折射角的人，他曾求出具有單位半徑的圓中弧與所對(duì)應(yīng)的弦長數(shù)字，并巧妙地用數(shù)學(xué)方法編制了表（相當(dāng)于現(xiàn)代的正弦三角函數(shù)表），他當(dāng)時(shí)對(duì)折射角和入射角的測(cè)量是相當(dāng)精確的，如果他當(dāng)時(shí)把關(guān)于光折射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與他所編制的這份表作一比較的話，他就會(huì)不難發(fā)現(xiàn)入射角的正弦與折射角的正弦之比對(duì)給定的兩種介質(zhì)來說是一個(gè)常數(shù)，這樣他就會(huì)發(fā)現(xiàn)折射定律，然而他卻沒有這樣做，以致錯(cuò)過了一次發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。中世紀(jì)時(shí)阿拉伯人阿勒哈增（965-1038）著《光學(xué)全書》，討論了許多光的現(xiàn)象。歐幾里德在其《反射光學(xué)》中記載了光的反射。6.2折射定律的建立這一時(shí)期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。荷蘭的李普塞在1608年發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡。開普勒對(duì)折射規(guī)律的修正德國人開普勒在匯集前人光學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，斷定托勒密關(guān)于折射規(guī)律的結(jié)論是不正確的。于是他開始便想通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)折射定律，但實(shí)驗(yàn)最后沒有成功。他便轉(zhuǎn)向從理論上加以探索，他得出的折射定律是：折射角由兩部分組成，一部分正比于入射角，另一部分正比于入射角的正割；只有在入射角小于30°時(shí)，入射角和折射角成正比的關(guān)系才成立，顯然，開普勒關(guān)于折射定律的研究和修正比托勒密前進(jìn)了一步。但還沒能給出正確的折射定律。開普勒還于1611年發(fā)表了他的著作《屈光學(xué)》，提出照度定律，還設(shè)計(jì)了幾種新型的望遠(yuǎn)鏡。折射定律的精確公式則是斯涅耳和笛卡兒提出的。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數(shù)，而笛卡兒約在1630年在《屈光學(xué)》中給出了用正弦函數(shù)表述的折射定律。斯涅耳發(fā)現(xiàn)折射定律

荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（1591—1626）于1620年前后，通過實(shí)驗(yàn)確立了開普勒想發(fā)現(xiàn)而沒有能夠發(fā)現(xiàn)的折射定律。他注意研究了水中的物體看起來象飄浮的現(xiàn)象，做了如下實(shí)驗(yàn)：當(dāng)在空氣中的0點(diǎn)觀察水中的F點(diǎn)時(shí)，猶如在C點(diǎn)一樣，如P156圖6-2(a)所示。斯涅耳發(fā)現(xiàn)，對(duì)于任意入射角存在以下關(guān)系如圖6-2(b)所示．斯涅耳沒有用理論推導(dǎo)，而是用實(shí)驗(yàn)又驗(yàn)證了它。斯涅耳對(duì)折射定律作了如下表述：

在不相同的介質(zhì)里，入射角和折射角的余割之比總是保持相同的值。

由于余割和正弦成反比，所以這個(gè)敘述等價(jià)于現(xiàn)代折射定律的表達(dá)式。笛卡兒進(jìn)一步完善了光的折射定律

法國人笛卡兒，他以媒質(zhì)中球的運(yùn)動(dòng)作類比，試圖說明折射定律。假設(shè)球在媒質(zhì)Ⅰ中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)進(jìn)入媒質(zhì)Ⅱ時(shí)，球速的水平分量不變，垂直部分增大，Ⅱ中的光速變成Ⅰ中光速的u倍．其結(jié)果球在媒質(zhì)Ⅱ內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，而所需時(shí)間僅為通過媒質(zhì)Ⅰ中所需時(shí)間的1/u。因此根據(jù)幾何關(guān)系，可得在這段時(shí)間內(nèi)，球在水平方向前進(jìn)的距離等于CB/u。所以：式中i為入射角，r為折射角．笛卡兒第一次給出了折射定律的現(xiàn)代表述形式。費(fèi)馬對(duì)折射定律的發(fā)展與理論論證法國人費(fèi)馬（1601—1665）從理論上得到費(fèi)馬原理，并用演繹方法從費(fèi)馬原理中推導(dǎo)出折射定律。1．費(fèi)馬從理論上得到費(fèi)馬原理：費(fèi)馬從理論上推導(dǎo)出：光沿著光程為極值的路徑傳播。根據(jù)變分法原理，得出光程的極值條件。即費(fèi)馬原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，由費(fèi)馬原理可以推導(dǎo)出反射定律和折射定律，并可證明它們的光程為極值。2．費(fèi)馬用演繹方法導(dǎo)出折射定律：費(fèi)馬在前人發(fā)現(xiàn)折射定律的基礎(chǔ)上對(duì)光的折射定律又有了新的發(fā)展。費(fèi)馬認(rèn)為，導(dǎo)出折射定律可以采取另一種截然不同的思考方法。他假定不同媒質(zhì)對(duì)光的傳播表現(xiàn)出不同的阻力，他首先指出，光在不同媒質(zhì)中傳播時(shí)，所走路程取極值，即遵從費(fèi)馬原理。即是說，光從空間的一點(diǎn)到另一點(diǎn)，是沿著光程為極值（最小、最大或常量）的路程傳播的。6.317世紀(jì)關(guān)于光的本性的爭論關(guān)于光的本性的概念，是以光的直線傳播觀念為基礎(chǔ)的，但從十七世紀(jì)開始，就發(fā)現(xiàn)有與光的直線傳播不完全符合的事實(shí)。意大利人格里馬第首先觀察到光的衍射現(xiàn)象。接著，胡克也觀察到衍射現(xiàn)象，并且和波意爾獨(dú)立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色干涉條紋，這些都是光的波動(dòng)理論的萌芽。借助于光程這個(gè)概念可將光在媒質(zhì)中所走過的路程折算為光在真空中通過的路程，這樣便于比較光在不同媒質(zhì)中所走路程的長短。1661年費(fèi)馬運(yùn)用費(fèi)馬原理成功地導(dǎo)出了折射定律。在17世紀(jì)中，主張波動(dòng)說的有笛卡爾、胡克和惠更斯，主張微粒說的有伽桑迪和牛頓。1、關(guān)于波動(dòng)說十七世紀(jì)下半葉，牛頓和惠更斯等把光的研究引向進(jìn)一步歲展的道路。1672年牛頓完成了著名的三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)了牛頓圈（但最早發(fā)現(xiàn)牛頓圈的卻是胡克）。在發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象的同時(shí)，牛頓于公元1704年出版的《光學(xué)》，提出了光是微粒流的理論，他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來。在真空或均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng)，并以此觀點(diǎn)解釋光的反射和折射定律。然而在解釋牛頓圈時(shí)，卻遇到了困難。同時(shí)，這種微粒流的假設(shè)也難以說明光在繞過障礙物之后所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。

惠更斯反對(duì)光的微粒說，1678年他在《論光》一書中從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。所謂“以太”則是一種假想的彈性媒質(zhì)，充滿于整個(gè)宇宙空間，光的傳播取決于“以太”的彈性和密度。運(yùn)用他的波動(dòng)理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了反射和折射定律，還解釋了方解石的雙折射現(xiàn)象。但惠更斯沒有把波動(dòng)過程的特性給予足夠的說明，他沒有指出光現(xiàn)象的周期性，他沒有提到波長的概念。他的次波包絡(luò)面成為新的波面的理論，沒有考慮到它們是由波動(dòng)按一定的位相疊加造成的。歸根到底仍舊擺脫不了幾何光學(xué)的觀念，因此不能由此說明光的干涉和衍射等有關(guān)光的波動(dòng)本性的現(xiàn)象。與此相反，堅(jiān)持微粒說的牛頓卻從他發(fā)現(xiàn)的牛頓圈的現(xiàn)象中確定光是周期性的。綜上所述，這一時(shí)期中，在以牛頓為代表的微粒說占統(tǒng)治地位的同時(shí)，由于相繼發(fā)現(xiàn)了干涉、衍射和偏振等光的被動(dòng)現(xiàn)象，以惠更斯為代表的波動(dòng)說也初步提出來了，因而這個(gè)時(shí)期也可以說是幾何光學(xué)向波動(dòng)光學(xué)過渡的時(shí)期，是人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)逐步深化的時(shí)期。光的理論在十八世紀(jì)實(shí)際上沒有什么進(jìn)展，大多數(shù)科學(xué)家采納了光的微粒學(xué)說。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來和用雙縫顯示了光的干涉現(xiàn)象，并第一次成功地測(cè)定了光的波長。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。運(yùn)用這個(gè)原理不僅圓滿地解釋光在均勻的各向同性介質(zhì)中的直線傳播，而且還能解釋光通過障礙物時(shí)所發(fā)生的衍射現(xiàn)象，因此它成為波動(dòng)光學(xué)的一個(gè)重要原理。1808年馬呂斯發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)表面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象，隨后菲涅耳和阿喇果對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。為了解釋這些現(xiàn)象，楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設(shè)，認(rèn)為它是一種橫波。菲涅耳進(jìn)一步完善了這一觀點(diǎn)并導(dǎo)出了菲涅耳公式。至此，光的彈性波動(dòng)理論既能說明光的直線傳播也能解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象并且橫波的假設(shè)又可解釋光的偏振現(xiàn)象?？磥硭坪跏謭A滿了，但這時(shí)仍把光的波動(dòng)看作是“絕對(duì)以太”中的機(jī)械彈性波動(dòng)，至于“絕對(duì)以太”究竟是怎樣的物質(zhì)，盡管人們賦予它許多附加的性質(zhì)，仍難自圓其說。這樣，光的彈性波理論存在的問題也就暴露出來了。1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場中的旋轉(zhuǎn)，揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，1856年韋伯做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度即300000000米／秒．從這些發(fā)現(xiàn)中，人們得到了啟示，即在研究光學(xué)現(xiàn)象時(shí)，必須和其它物理現(xiàn)象聯(lián)系起來考慮。

麥克斯韋在1865年的理論研究中指出，電場和磁場的改變不會(huì)局限在空間的某一部分，而是以數(shù)值等于電荷的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播的，即電磁波以光速傳播，這說明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。他直接從頻率和波長來測(cè)定電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)它恰好等于光速，至此就確立了光的電磁理論基礎(chǔ)，盡管關(guān)于以太問題，要在相對(duì)論出現(xiàn)以后才得到完全解決。光的電磁理論在整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展中起著很重要的作用，光和電磁現(xiàn)象的一致性使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)光的本性方面又前進(jìn)了一大步。十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初是物理學(xué)發(fā)生偉大革命的時(shí)代。從牛頓力學(xué)到麥克斯韋的電磁理論，經(jīng)典物理學(xué)形成一套嚴(yán)整的理論體系。光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)構(gòu)中。光的電磁理論的主要困難是不能解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象，例如熾熱黑體輻射中能量隨波長分布的問題，特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，1900年普朗克提出了量子假說，認(rèn)為各種頻率的電磁波(包括光)，只能象微粒似地以一定最小份的能量發(fā)生(它稱為能量子，正比于頻率），成功地解釋了黑體輻射問題，開始了量子光學(xué)時(shí)期，1905年愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假說，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過程中，提出了杰出的光量子(光子)理論圓滿解釋了光電效應(yīng)，并為后來的許多實(shí)驗(yàn)例如康普頓效應(yīng)所證實(shí)．但這里所說的光子不同于牛頓微粒說中的粒子，光子是和光的頻率(波動(dòng)特性)聯(lián)系的，光同時(shí)具有微粒和波動(dòng)兩種特性。至此人們一方面從光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方面從黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的量子性——粒子性。如何將有關(guān)光的本性的兩個(gè)完全不同的概念統(tǒng)一，人們進(jìn)行了大量的探索工作，l924年德布羅意創(chuàng)立了物質(zhì)波學(xué)說．他設(shè)想每一物質(zhì)的粒子都和一定的波相聯(lián)系，這一假設(shè)在1927年為戴維孫和革末的電子束衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。事實(shí)上，不僅光具有波動(dòng)性和微粒性，也就是所謂波粒二象性，而且一切習(xí)慣概念上的實(shí)物粒子同樣具有這種二重性。也就是說這是微觀物質(zhì)所共有的屬性。1925年玻恩所提出的波粒二象性的幾率解釋建立了波動(dòng)性和微粒性之間的聯(lián)系。從二十世紀(jì)六十年代起，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，新的理論也不斷發(fā)展，已逐步形成了許多新的分支學(xué)科或邊沿學(xué)科，光學(xué)的應(yīng)用十分廣泛。幾何光學(xué)本來就是為設(shè)計(jì)各種光學(xué)儀器而發(fā)展起來的專門學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，物理光學(xué)也越來越顯示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密測(cè)量中無可替代的手段，衍射光柵則是重要的分光儀器，光譜在人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)(如原子結(jié)構(gòu)、