物理學史講稿光學

物理學史講稿光學第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三萌芽時期從我國春秋戰(zhàn)國的墨翟（公元前468－376）開始直到以后的二千年之間，可謂光學的萌芽時期。它是光學發(fā)展史上緩慢前進的年代。在這一時期中，一方面對光的直線傳播、反射和折射現(xiàn)象進行了實驗和觀察；另一方面，由于生產(chǎn)和生活的需要，發(fā)明了透鏡、凹面鏡，并應(yīng)用于實際。第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三萌芽時期最早且有據(jù)可查的是我國春秋戰(zhàn)國時期的墨翟及其弟子的工作。歐幾里德（古希臘，公元前330—275）也提出了光的直線傳播性，他在《光學》一書中寫道：“我們假想光是以直線進行的，在線與線間還留出一些空隙來，光線自物體到人眼成為一個錐體，錐頂在人眼，錐底在物體，只有被光線碰上的東西才給我們看見，沒有碰上的東西就看不見了”。第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三萌芽時期公元二世紀，托勒密（希臘人，公元70－147）研究了折射現(xiàn)象，寫了《光學》一書，書中記載光由空氣進入水中的入射角和折射角，得出一系列數(shù)據(jù)。他認為折射角和入射角成正比。阿爾一哈金（阿拉伯人，公元965－1038）首先發(fā)明了凸透鏡，并對它進行了實驗研究，所得的結(jié)果接近于近代關(guān)于凸透鏡的理論。第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三萌芽時期1299年，阿瑪?shù)伲ㄊ兰o）發(fā)明了眼鏡。因此到15世紀和16世紀紀，凹面鏡，凸面鏡，眼鏡，透鏡等光學元件已相繼出現(xiàn)。我國宋代的沈括（1031—1095）在《夢溪筆談》中，記載了極為豐富的幾何光學知識。我國元代的自然科學家趙友欽（1279—1368）著有《革象新書》，書中記有“小罅光景”的大型光學實驗，其中討論了物體表面照度與光源發(fā)光強度以及距離之間的關(guān)系。第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期從時間上來看，大約包括十七、十八兩個世紀，這是光學的轉(zhuǎn)折時期。在這期間建立了光的反射定律和折射定律，為幾何光學奠定了基礎(chǔ)。同時為了擴大人眼的觀察能力，出現(xiàn)了一些光學儀器。如李普塞（荷蘭人，1587－1619）所制作的第一架望遠鏡的誕生、促進了天文學和航海事業(yè)的發(fā)展，延森（1588—1632）和馮特納（1580－1656）最早制作了復(fù)合顯微鏡，為生物學的研究提供了強有力的工具。第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期1609年，伽里略（意大利人，1564—1642）制造了用凸透鏡做物鏡，用凹透鏡做目鏡的伽里略望遠鏡。他的不朽的功勛之一是第一個把望遠鏡指向天空，當時的目的是為了證實哥白尼（波蘭人。1473—1543）的日心說。開普勒（德國人，1571—1630）匯集前人的光學知識，于1611年發(fā)表了《屈光學》一書。書中記載：他研究了折射現(xiàn)象，斷定托勒密關(guān)于折射定現(xiàn)的結(jié)論并不正確，第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三折射定律的建立有兩個創(chuàng)始人，一個是荷蘭數(shù)學家斯涅耳（荷蘭人，1591－1626），斯涅耳于1621年，從實際測量中抽象出這一定律，這一定律的表述是在斯涅耳去世后，于1626年在他的遣稿中找到的。另一個是苗卡兒（法國人，1596—1650），笛卡兒雖然傾向于光的波動說，但在解釋光的折射時，又把光看作由無數(shù)小球組成。因此，他是從光的微粒觀念中推導出折射定律的。在1637年出版的《折光學》一書中，他第一個正式公布具有現(xiàn)代形式的折射定律，把余割之比換成了正弦之比。第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期費馬（法國人，1601一1665）在1657年，首先指出光在介質(zhì)中傳播時，所走路程取極值的原理，并根據(jù)這個原理，推導出光的反射定律和折射定律。到十七世紀中葉，已經(jīng)建立了光的反射和折射定律，從而奠定了幾何光學的基礎(chǔ)。以上理論是從光的直線傳播作為基礎(chǔ)的，但在實際觀察中也存在違背這一原則的現(xiàn)象。如格里馬（意大利人，1618—1663）等人首先觀察到衍射現(xiàn)象。第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期胡克（英國人，1635－1703）也觀察到了衍射現(xiàn)象，并和玻義耳（英國人，1627—1691）獨立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色干涉條紋。以上這些都是波動光學的萌芽。到了十七世紀后半葉，牛頓（英國人，1643－1727）和惠更斯（荷蘭人，1629一1695）等對光的研究，才真正把光學引上了發(fā)展的道路。第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三牛頓光學上的偉大貢獻在1704年出版的《光學---論光的反射、折射、彎曲和顏色》一書中，書中描述了他所做過的實驗和所得出的結(jié)論。首先，他為了改善望遠鏡頭而磨制三棱鏡，從而發(fā)現(xiàn)了色散現(xiàn)象。證明了白光是由各種色光復(fù)合而成的。第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期牛頓的另一個實驗是這樣進行的，他用一塊長紙板，一半涂成鮮紅色，另一半涂成蘭色，把它放在窗戶邊，通過一塊玻璃棱鏡來觀察它。他發(fā)現(xiàn)：“如果把棱鏡的折射棱角朝上，使紙板由于折射看起來好象是被抬高了。那么折射的結(jié)果使蘭色半邊比紅色半邊升得更高。但是當棱鏡的棱角朝下，使紙板由于折射看起來好象是被放低了，蘭的半邊就比紅的半邊降得更低了?！备鶕?jù)以上實驗，牛頓斷定蘭光折射得比紅光更厲害些，并得出透鏡聚光時，蘭光和紅光一定是聚集在離透鏡不同的距離上。第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三亞里士多德（希臘,公元前384一322）認為白色陽光通過美麗的古老大教堂的彩色玻璃窗之后變得五顏六色，好象白衣服放入不同染料的溶液中被染了色一樣，是光把透明介質(zhì)物體的可見性變成了現(xiàn)實。認為顏色是人們主觀的感覺，一切顏色都是光明與黑暗，白與黑按光的比例混合的結(jié)果。第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期不同顏色的光線具有不同的折射本領(lǐng)，被牛頓用來解釋虹的成因。牛頓根據(jù)實驗結(jié)果，也提出了錯誤的看法，他斷定透鏡成象存在根本的缺點，即不能形成清晰的物象。但是必須指出，牛頓的前提是錯誤的，他的錯誤在于他認為不同的透明物質(zhì)是從相同的方式折射不同顏色的光線的。第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期牛頓在光學中另一項精彩的發(fā)現(xiàn)是牛頓環(huán)。牛頓環(huán)是光具有波動性的最好證明之一，也說明了光的周期性。但是，因為牛頓在關(guān)于光的本性的討論中傾向于微粒說，所以他不可能對光的以上性質(zhì)加以進一步的探討。牛頓的高明之處是：他不僅詳細地定性的描述了實驗現(xiàn)象，而是進一步作了定量的測量。第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三惠更斯的貢獻和牛頓同時代的惠更斯，他主張光的波動說，認為光是在“以太”中傳播的波。提出次波原理：惠更斯原理?；莞乖黼m然能夠解釋不少光學現(xiàn)象，但他的波動說是比較粗糙的，又錯誤的認為光是一種縱波，因此他還擺脫不了幾何光學的觀念。第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三幾何光學時期十七世紀還討論了另一個問題，即“是不是有一個有限的光速？”笛卡兒采取否定的態(tài)度，而伽里略是肯定的。在整個十八世紀，光學幾乎沒有什么發(fā)展，多數(shù)科學家贊成光的微粒說，而歐拉（瑞士人，1707—1783）和伯努利（瑞士人。1700—1782）卻堅持和發(fā)展了“從太”的波動理論。第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三波動光學時期

進入1800年，由于英國醫(yī)生楊（英國人，1773－1829）和法國工程師菲涅耳（法國人，1788－1827）的工作，使波動說又重新提出，并取得成功。第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三波動光學時期揚在1800年的論文中。根據(jù)光的波動本性解釋了牛頓環(huán)的現(xiàn)象，并描述了楊氏雙縫干涉實驗，第一次用實驗顯示了光的干涉現(xiàn)象，并由此成功地測出了紅光和紫光的波長，并且認為光是橫波。揚取得了很多研究成果，其中包括人眼的構(gòu)造和功能。第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三波動光學時期菲涅耳繼續(xù)了揚的工作，1815年他用揚的干涉原理補充了惠更斯原理，提出了惠更斯——菲涅耳原理。運用這一原理不僅能解釋光在各向同性介質(zhì)中的直線傳播，同時也能解釋光的衍射現(xiàn)象。

1808年馬呂斯（英國人，1775—1812）偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時的偏振現(xiàn)象。菲涅耳和阿拉果（1786一1853）在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的證明，這是光的橫向振動理論最終的證實。第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三波動光學時期夫瑯和費（德國人，1787－1826）對折射的研究。1835年施維爾德（1792—1871）發(fā)表了總結(jié)性的文章；題為《從波動論的基本定理出發(fā)分析地闡明衍射現(xiàn)象》之后，才告一段落。1845年，法拉第（英國人，1791—1867）發(fā)現(xiàn)了偏振光的振動面在強磁場中旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，從而揭示了光和電磁的內(nèi)在聯(lián)系。1856年韋伯（德國人，1804－1891）和柯爾勞斯（德國人，1809—1858），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。第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三波動光學時期

1865年，麥克斯韋（蘇格蘭人，1831—1879）電磁場理論建立，得出電磁波以光速傳播，所以說明光是一種電磁現(xiàn)象。這一理論，于1888年被赫茲（德國人，1857－1894）用實驗證實。因此建立了光的電磁理論。1849年菲索（法國人，1819—1896）利用轉(zhuǎn)動齒輪法，1862年佛科（法國人，1819～1868）利用旋轉(zhuǎn)鏡法，第一次在實驗室測定了光的速度，這就完全證實了波動說的正確性。第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三量子光學時期

黑體輻射的能量按波長的分布，和光電效應(yīng)。維恩（德國人，1864--1928）公式和瑞利（英國人，1842--1919）—金斯（英國人，1877—1946）公式，前者在短波區(qū)和實驗結(jié)果相符，而后者，在長波區(qū)和實驗結(jié)果相符。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三普朗克公式在1900年，普朗克（德國人，1858—1947）大膽地提出了能量子假說，認為各種頻率的電磁波只能從一定的能量子方式從振子發(fā)射，能量子是不連續(xù)的，它的值是光的頻率和普朗克常數(shù)的乘積的整數(shù)倍，它和實驗結(jié)果完全符合。不僅如此，量子論還以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。它不但給光學而且給整個物理學提供了新的概念，因此，它的誕生被看作近代物理學的起點。

第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三光電效應(yīng)當光照在某些金屬上會逸出電子，這就是光電效應(yīng)。愛因斯坦（生于德國，1879－1955）于1905年，提出了對以上現(xiàn)象的一個解釋。被康普頓（美國人，1892－1962）效應(yīng)所證實。1924年德布羅意（法國人，1892一）創(chuàng)立了物質(zhì)波學說，他大膽地設(shè)想每一物質(zhì)的粒子的運動都和一定的波動相聯(lián)系第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三現(xiàn)代光學時期

二十世紀五十年代以來，尤其是在激光問世以后，光學和許多科學技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合，相互滲透，派生了不少嶄新的分支學科，因此光學開始了一個新的發(fā)展時期，成為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術(shù)的前沿陣地之一。第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三現(xiàn)代光學時期在激光器誕生以后，為攝影術(shù)向前發(fā)展提供了可能，因此出現(xiàn)了全息攝影術(shù)。由于激光的出現(xiàn)，光學的重要發(fā)展之一，是將數(shù)學中的付里葉（法國人，1768－1830）變換和通訊中的線性系統(tǒng)理論引入光學，形成了一個新的光學分支——付里葉光學。在激光器出現(xiàn)一年以后，非線性光學（也稱強光學）作為光學的一個分支也發(fā)展起來了。第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三二、人類對光的本性的認識關(guān)于光的本性究竟是什么？人類進行了大約三百年的爭論，其間有各種不同的學派，但總的來說不外乎粒子說和波動說兩種。這兩種學說在不同時期各自占據(jù)著統(tǒng)治地位，隨著認識的發(fā)展，人們對粒子和波的概念的看法也有所發(fā)展。最后當愛因斯坦和德布羅意提出波粒二象性后，爭論才告一段落。第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三二、人類對光的本性的認識人類對光的本性的認識，追溯其歷史，可以看出，它是由初淺到深入，由片面到全面，從實驗到理論，由現(xiàn)象到本質(zhì)逐步發(fā)展起來的，最后建立起光的本性的理論。但是從科學發(fā)展的眼光來看關(guān)于光的本性的理論并沒有窮盡，還待于進一步的探討。第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三1.惠更斯和牛頓之爭早在十七世紀就開始了對光的本性的問題的討論，當時有兩種不同的觀點，一種是以笛卡兒、胡克、惠更斯為代表的波動說，另一種是以牛頓為代表的微粒說。笛卡兒所著《光學》一書中，對光的本性雖然沒有提出什么明確的觀點，由于他的主張的核心是強調(diào)了媒質(zhì)的影響，是以“作用”的傳播為出發(fā)點，特別是以接觸作用或近距作用為出發(fā)點，所以人們把他的主張歸屬于波動說這一面。

第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三胡克的工作

胡克在1665年發(fā)表了《顯微術(shù)》一書，主張“光是一種振動”。提出：發(fā)光是說明“運動的部分”返回來了。提出這種運動不可能是圓運動，球狀運動，也不可能是其他的不規(guī)則運動。“它是一種很短的振動”。第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三胡克的工作他寫道：“在一種均勻煤質(zhì)中這一運動在各個方向上都以相等的速度傳播，于是發(fā)光體的每一脈動和振動都必須形成一個球面，這個球面將不斷增大，如同投石入水后引起的越來越大的環(huán)狀波一樣。由此可知，在均勻媒質(zhì)中擾動而成的球面的一切部分都與射線正交”。第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三胡克的工作從胡克的記述中，我們看出已經(jīng)含有波前、波面的概念。他又把有關(guān)波面的思想用于對光的折射現(xiàn)象的研究，然后又討論了薄膜的顏色。他在討論薄膜的顏色時，從強光和弱光的超前；落后來說明光的顏色。這種想法雖然是不正確的，但是他卻接觸到薄膜干涉的基本要領(lǐng)—前后兩面上反射光的疊加，甚至于可以說，在這里已經(jīng)包含了兩束光的位相差的初步概念。第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三惠更斯的工作于1690年出版的一部書《論光》。他還把光的傳播方式和聲音在空氣中的傳播作比較，明確地提出關(guān)于光是一種波動的想法。又根據(jù)光速的有限性論證了光是從煤質(zhì)的一部分依次向其他部分傳播的一種運動。它和聲波、水波一樣是球面波?；莞箯墓馐遣▌拥膫鞑ミ@一觀念出發(fā)，提出了著名的以他名字命名的原理。第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三惠更斯的工作惠更斯根據(jù)他的波動說和繪制波前圖的方法，很好的解釋了反射、折射以及方解石的雙折射現(xiàn)象。在解釋方解石的雙折射現(xiàn)象時，提出尋常光線的波面是通常的球面，而非常光線的波面是一個橢球面的思想。第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三惠更斯的工作當用惠更斯的波動說解釋光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象時卻遇到了困難?？梢娀莞沟牟▌诱f是不夠完善的，他所謂的波看來只是一種脈沖。又認為它是一種縱波。也沒有建立起波的周期性的概念。

第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三牛頓對光本性的看法第一：他認為光的波動說不能很好地說明光的直線傳播這一最基本的事實。第二，波動說不能解釋偏振現(xiàn)象。第三：對光的波動說賴以存在的“以太”的懷疑，他寫道：“對于天空為流體媒質(zhì)（除非它們非常稀?。┧顫M的那種主張，一個最大的反對理由在于行星和彗星在天空中各種軌道上的運動是那樣地有規(guī)則和持久。第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三牛頓對光本性的看法牛頓在反對波動說的同時，提出了另一假說即微粒說：“光線是否是發(fā)光物質(zhì)發(fā)射出來的很小的物體？因為這樣一些物體能夠直線穿過均勻媒質(zhì)而不彎曲到影子區(qū)域里去，這正是光線的本性?！钡谌隧?，共五十五頁，編輯于2023年，星期三牛頓對光本性的看法應(yīng)該指出，牛頓并不是根本不承認光的波動性。他認為：當光投射到一個物體上的時候，可能激起物體中以太粒子的振動，就好象投入水中的大石塊在水面上激起波紋一樣，并且設(shè)想可能正是由于這種波依次地趕過光線而引起干涉現(xiàn)象?？梢哉f，他甚至是第一個提出光在本質(zhì)上是一種周期過程的人。第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三牛頓對光本性的看法在解釋薄膜干涉（牛頓環(huán)）時，他提出了“猝發(fā)理論”，認為“每一光線在它通過任何折射面時，都形成一定的過渡性結(jié)構(gòu)或狀態(tài)。牛頓曾多次提到關(guān)于光可能是一種振動以及與聲的對比，但是，在解釋光從一種煤質(zhì)進入另一種媒質(zhì)時得出，光在密媒質(zhì)的速度大于疏媒質(zhì)中的速度。第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三微粒說一直占著統(tǒng)治的地位原因

第一、在十七、十八世紀，研究機械運動規(guī)律的學科——古典力學已經(jīng)建成，并且在解釋自然現(xiàn)象和指導生產(chǎn)實踐方面卓有成效。第二、從社會情況來看，正如恩格斯指出的那樣“這個時代的特征是一個特殊的總觀點的形成，這個總觀點的中心是自然界絕對不變這樣一個見解?！钡谒氖豁?，共五十五頁，編輯于2023年，星期三微粒說一直占著統(tǒng)治的地位原因

第三、牛頓建立了古典力學，在人們頭腦中，牛頓的威望比惠更斯的威望高，所從權(quán)威提出的理論容易被人接受。第四、惠更斯提出的波動說本身不夠完善。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三微粒說一直占著統(tǒng)治的地位原因微粒說和波動說爭論的交點在于：對折射現(xiàn)象的分析得出了不同的結(jié)論。用微粒說分析時得出，密媒質(zhì)中的光速大于疏煤質(zhì)中的光速，而用波動說分析時得出密媒質(zhì)中的光速小于疏煤質(zhì)中的光速。

第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三2．楊氏雙縫實驗1800年，楊在論文《在聲和光方面的實驗和問題》中，提出了反對微粒理論的新論據(jù)：①在解釋由強光和弱光源所發(fā)出的光粒子有同樣的速度方面碰到的困難，②在解釋射線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，一部分不斷地被反射，而另一部分不斷地發(fā)生折射的困難。首次提出干涉這個術(shù)語。第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三2．楊氏雙縫實驗

楊在1801年的報告中，已經(jīng)形成波動光學的基本原理，他提出了比惠更斯進一步的四條假設(shè)和八條命題。從這些條款中，推導出光的傳播速度和以太的彈性和密度有關(guān)；也解決了惠更斯所沒有解決的問題——波為什么不向后面?zhèn)鞑?；用命題解釋了牛頓環(huán)。并測定了光波的波長和波數(shù)，因此，波動光學的基本概念——波長，也是楊首次提出的。第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三2．楊氏雙縫實驗

在1801年，發(fā)表于《哲學會報》上的論文中，解釋了干涉現(xiàn)象。關(guān)于楊氏的干涉實驗和原理，后來被記載在1807年出版的他的基礎(chǔ)性論著《自然哲學講義》中，書中描述了雙縫干涉的基本實驗，而縫的圖象是產(chǎn)生干涉和計算的基礎(chǔ)。第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三菲涅耳的功績菲涅耳的功績是他對衍射問題的研究，他提出了把波陣面分解為波帶的近似計算方法，并用于研究屏幕邊緣和圓孔的衍射，計算和實驗符合得很好。還詳細地研究了互不相干的垂直振動的迭加問題，在引入橢圓偏振和圓偏振的概念后，說明了偏振面的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。

第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三菲涅耳的功績托馬斯·楊和菲溫耳的發(fā)現(xiàn)，標志著光學進入了新的時期——彈性以太光學的時期。牛頓的觀念受到了強有力的沖擊。尤其在1849年菲索（法國人，1819一1896）利用轉(zhuǎn)動齒輪法和1862年佛科（法國人，1819—1868）利用旋轉(zhuǎn)鏡法，使得光速的測定第一次能在實驗室進行，由此證明了波動說在解釋折射時的正確性。這樣波動光學在關(guān)于光的本性的爭論中，上升為統(tǒng)治地位。第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三麥克斯韋的工作麥克斯韋在1864—1865年間，曾發(fā)表了題為“電磁場的動力理論”的論文。這篇文章的第五部分“光的電磁學說”。在這部分里，他從基本方程組導出了波動力方程，并證明電磁波是一橫波，求得電磁波的傳播速度在空氣中等于電量的電磁單位與靜電單位之比，即等于空氣或真空中的光速。第四十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三麥克斯韋的工作由此得出結(jié)論：“這一速度與光速如此接近，看來我們有強烈的理由斷定，光本身乃是從波的形式在磁場中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動?！币陨侠碚摯蠹s在二十年之后，由赫茲用實驗證明。第五十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三3．愛因斯坦對光的本性的研究愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)，于190