從理論到實踐光學的發(fā)展課件

從理論到實踐

——光學的發(fā)展目錄2.遠場衍射與激光微米尺3.光電效應的研究驗證與應用1.光的全反射與光纖4.擴展閱讀：一升水照明計劃發(fā)現(xiàn)問題提出假設進行實驗得出結論運用實際PLANDESIGNBUILDTESTEVALUATE科學探究法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，高錕即從事光導纖維在通訊領域運用的研究。1964年，他提出在電話網(wǎng)絡中以光代替電流，以玻璃纖維代替導線。1965年，在以無數(shù)實驗為基礎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，在標準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、陶瓷科學（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》的論文，開創(chuàng)性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。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纖維，從而高效傳輸信息。利用石英玻璃制成的光纖應用越來越廣泛，全世界掀起了一場光纖通信的革命。1965年，高氏對各種非導體纖維進行仔細的實驗。按他分析，當光學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到波導。這項關鍵研究結果，推動全球各地連串運用玻璃纖維波導來通訊的研發(fā)工作。光纖在生活中的運用2.遠場衍射與激光微米尺

激光微米尺的原理與制作遠場衍射（光的衍射中的單縫衍射）遠場衍射，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，這種衍射現(xiàn)象稱為遠場衍射。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，後面跟著進來的波動亦是如此，在觀測時把屏幕放在行進路線上來看成像條紋這個方法就用到這樣的原理。當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.光電效應的研究驗證與應用光照射到金屬上，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（Photoelectriceffect）。光電效應分為光電子發(fā)射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應。按照粒子說，光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當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，這種由光能變成電能自動放電的現(xiàn)象，就叫光電效應。光電效應亞歷山大·貝克勒爾海因里?！ず掌澩せ魻柗タ耸繆W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研究的科學家光電效應的應用領域4.擴展閱讀：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