從理論到實踐光學(xué)的發(fā)展課件

從理論到實踐

——光學(xué)的發(fā)展目錄2.遠(yuǎn)場衍射與激光微米尺3.光電效應(yīng)的研究驗證與應(yīng)用1.光的全反射與光纖4.擴(kuò)展閱讀：一升水照明計劃發(fā)現(xiàn)問題提出假設(shè)進(jìn)行實驗得出結(jié)論運(yùn)用實際PLANDESIGNBUILDTESTEVALUATE科學(xué)探究法1.光的全反射與光纖光的全反射小實驗光纖通訊之父——高錕高錕，華裔物理學(xué)家，生于中國上海，祖籍江蘇金山（今上海市金山區(qū)），擁有英國、美國國籍并持中國香港居民身份，在香港和美國加州山景城兩地居住。從1957年開始，高錕即從事光導(dǎo)纖維在通訊領(lǐng)域運(yùn)用的研究。1964年，他提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線。1965年，在以無數(shù)實驗為基礎(chǔ)的一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作長程信息傳遞，將帶來一場通訊業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維損耗率下降到20分貝/公里時，光纖維通訊就會成功。1966年，在標(biāo)準(zhǔn)電話實驗室與何克漢共同提出光纖可以用作通信媒介。高錕在電磁波導(dǎo)、陶瓷科學(xué)（包括光纖制造）方面獲28項專利。由于他取得的成果，有超過10億公里的光纜以閃電般的速度通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)，為全球各地的辦事處和家居提供數(shù)據(jù)。1966年，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來越廣泛，全世界掀起了一場光纖通信的革命。1965年，高氏對各種非導(dǎo)體纖維進(jìn)行仔細(xì)的實驗。按他分析，當(dāng)光學(xué)訊號衰減率能低于每公里20分貝時，光束通信便可行。他更進(jìn)一步分析了吸收、散射、彎曲等因素，推論被包覆的石英基玻璃有可能滿足衰減需求達(dá)到波導(dǎo)。這項關(guān)鍵研究結(jié)果，推動全球各地連串運(yùn)用玻璃纖維波導(dǎo)來通訊的研發(fā)工作。光纖在生活中的運(yùn)用2.遠(yuǎn)場衍射與激光微米尺

激光微米尺的原理與制作遠(yuǎn)場衍射（光的衍射中的單縫衍射）遠(yuǎn)場衍射，也稱夫瑯和費衍射。在光的衍射實驗中，若光源或觀察屏離開衍射孔或縫為無限遠(yuǎn)，這種衍射現(xiàn)象稱為遠(yuǎn)場衍射。夫瑯和費衍射使用惠更斯－菲涅耳原理，藉以把通過圓孔或狹縫的一波動分成多個向外的波動，使用透鏡來有目的地衍射光的觀測實驗一般被用作描述這個原理。當(dāng)波動通過時，波動會被衍射分成兩個波動，之後以平行的角度各自行進(jìn)，後面跟著進(jìn)來的波動亦是如此，在觀測時把屏幕放在行進(jìn)路線上來看成像條紋這個方法就用到這樣的原理。當(dāng)一遭到衍射的波動在最初衍射點的近場距離，在與其他波動平行下被觀測到時，我們會看到菲涅耳衍射，因為用圓孔與屏幕σ間距離用菲涅耳數(shù)方程式計算出的結(jié)果小於1，這方程可在觀測平行波的衍射程度時用到，方程需要的物理量為圓孔或縫隙的大小a、波長λ以及離圓孔的距離L。當(dāng)距離或波長增加時，由於在圓孔或物件邊緣的波動開始變得像平面波，所以會產(chǎn)生夫瑯和費衍射。這是衍射的分析圖。其中L為發(fā)射端，也是細(xì)絲到接受屏的距離，r為中心到第一級亮紋之間的距離，θ為從中心到第一級亮紋。（不是暗紋！這是狹縫的全反屏！可以從下面的一幅圖中看出0級亮紋直接接的又是一條亮紋，就像土星一樣）由圖可以得出，光程差?u=dtanθ又因為θ角非常小，所以sinθ≈θ≈tanθ≈(r/L)當(dāng)處于第一級亮紋時?u=λ，即一倍波長。d=λL/r，由此可以計算出狹縫的寬度激光微米尺測算狹縫寬度3.光電效應(yīng)的研究驗證與應(yīng)用光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)，又稱光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。按照粒子說，光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當(dāng)某一光子照射到對光靈敏的金屬(如硒)上時，它的能量可以被該金屬中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，動能立刻增加;如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時間內(nèi)，入射光子的數(shù)量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強(qiáng)，這種由光能變成電能自動放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)亞歷山大·貝克勒爾海因里希·赫茲威廉·霍爾伐克士奧古斯圖·里吉亞歷山大·史托勒托夫約翰·艾斯特約翰·艾斯特約瑟夫·湯姆孫菲利普·萊納德阿爾伯特·愛因斯坦羅伯特·密立根威利斯·蘭姆馬蘭·斯考立赫茲霍爾瓦克斯參與光電效應(yīng)研究的科學(xué)家光電效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域4.擴(kuò)展閱讀：一升水照明計劃1升水照明計劃（LiterofLight），來自菲律賓，1升水（外加漂白粉若干，消毒用），1個礦泉水瓶，將水灌入瓶子，并安裝進(jìn)屋頂，一半在屋頂下（室內(nèi)），一半露出在外，就能搜集和放大陽光，為室內(nèi)提供不遜于60瓦電燈泡的照明效果。目前，這個計劃已經(jīng)為菲律賓無數(shù)沒有電力的家庭帶來了光明。而最