经典光学的建立教学课件

经典光学的建立经典光学的建立56、死去何所道，托体同山阿。57、春秋多佳日，登高赋新诗。58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴理荒秽，带月荷锄归。道狭草木长，夕露沾我衣。衣沾不足惜，但使愿无违。59、相见无杂言，但道桑麻长。60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。1 1 开普勒的工作：开普勒的工作：16111611年写了折光学，记载了两个年写了折光学，记载了两个实验。实验。第一个实验第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光是比较入射角和折射角：如图，日光LMNLMN斜射到器壁斜射到器壁DBCDBC上，上，BCBC边沿的影子投射到底座于边沿的影子投射到底座于HKHK；另一部；另一部分从分从DBDB射进一玻璃立方体射进一玻璃立方体ADBEFADBEF内，阴影的边沿形成于内，阴影的边沿形成于IGIG。根据屏高根据屏高BEBE和两阴和两阴影的长度影的长度EHEH和和EGEG，就可，就可算出立方体的入射角和算出立方体的入射角和出射角之比。出射角之比。4.3 4.3 折射定律的建立折射定律的建立6第二个实验是：第二个实验是：用一个圆柱型玻璃，令光线沿用一个圆柱型玻璃，令光线沿S S1 1和和S S2 2入射，入射，通过圆柱中心的光线通过圆柱中心的光线S S1 1方向不变，和圆柱边沿相切的光线方向不变，和圆柱边沿相切的光线S S2 2偏折最大，并发现最大偏折角约为偏折最大，并发现最大偏折角约为42420 0。7 全反射的发现：全反射的发现：开普勒虽然没有找到正确的折射定开普勒虽然没有找到正确的折射定律表达式，但通过这些实验发现了全反射。他是这样思律表达式，但通过这些实验发现了全反射。他是这样思考的：考的：令令ABAB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻璃发生折射，由于最大偏折角为璃发生折射，由于最大偏折角为42420 0，所以进入玻璃的，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为光线将构成一个夹角为42420 02=842=840 0的锥形的锥形MONMON。若有一束光若有一束光从玻璃射向空从玻璃射向空气，当入射角大于气，当入射角大于42420 0时，时，则到达则到达OO点后，将既不能进点后，将既不能进入空气，也不能进入入空气，也不能进入MONMON锥形区域，必定反射为锥形区域，必定反射为。8v开普勒的论证方法很巧妙，他利用光的可逆性，从反面倒推得出结论。这是科学论证中常用的一种很有说服力的方法。92 斯涅耳斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：的工作：折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳在1621 年从实验得到的。斯涅耳斯涅耳 10 16211621年他从实验得年他从实验得到准确的折射定律到准确的折射定律 。方法和开普勒基。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳本相同，但斯涅耳发现，比值发现，比值OS OS/OS/OS恒为常数，并恒为常数，并由此导出图中所示由此导出图中所示式子。式子。113 笛卡儿的工作：笛卡儿的工作：现代形式的折射定律是笛卡儿在现代形式的折射定律是笛卡儿在16371637年出版的方法论年出版的方法论中提出的。中提出的。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层很脆薄的布，看作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但但平行于界面的方向上的速度不变平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：。据此他得出：visin i=vrsin r，所以有：所以有：sin i/sin r=vr/vi=常数常数 这正是折射定律的正弦表达式。这正是折射定律的正弦表达式。但由于他假设介质交界面两但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相等是侧的光速的平行分量相等是错误的，为使理论与实验数错误的，为使理论与实验数据相符，必须假设光密媒质据相符，必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。这内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。显然都是不正确的。12v从笛卡儿的公式可以看出：v1他用球的运动来阐述光的折射，而球的运动服从力学规律。可见，他采用的是微粒说。v2他假设光在两种媒质中的速度不一样，把折射现象归因于光速不同。v3他假设平行于媒质交界面的光速分量不变。134 费马的工作：费马的工作：v 1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：年费马用最短时间原理推出了折射定律：笛卡儿笛卡儿的的推导受到了他的同国人推导受到了他的同国人费马费马的批评。的批评。16611661年，费马把数学家年，费马把数学家赫赫里贡里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。这就是著名的最短时间原理。正确的结论。这就是著名的最短时间原理。同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。14v 折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动，因为天文观测总是会受大气折射的影响，后来 又加上光学仪器制造的需要，所以到了 17 世纪，许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律，几何光学理论很快得到了发展。15第四章第四章 经典光学经典光学 4.1 4.1 历史概述历史概述 4.2 4.2 早期的光学研究（略）早期的光学研究（略）4.3 4.3 折射定律的建立折射定律的建立 4.4 4.4 光学仪器的研制光学仪器的研制 4.5 4.5 牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究 4.6 4.6 光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争 4.7 4.7 光速的测定光速的测定 4.8 4.8 光谱的研究（略）光谱的研究（略）161.1.12991299年由意大利人年由意大利人阿玛蒂阿玛蒂发明并发明并制造了眼镜。制造了眼镜。2.2.16081608年年，荷荷兰兰人人李李普普塞塞（Hans Hans Lippershey)Lippershey)制制成成第第一一台台望望远远镜镜:他他用用一一个个凸凸透透镜镜作作为为物物镜镜，用用一一个个凹凹透透镜镜作作为为目目镜镜组组合合而成。现在仍把这种组合称为而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。荷兰望远镜。3.3.伽伽利利略略知知道道后后很很快快改改进进成成放放大大3232倍倍，随随后后又又制制成成放放大大10001000倍倍的的望望远远镜镜，并并用用它它对对天天体体进进行行了了观观察察，于于16101610年年写写出出了了星星界信使的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。界信使的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。4.4.16111611年年开开普普勒勒出出版版了了屈屈光光学学，解解释释了了荷荷兰兰望望远远镜镜和和显显微微镜镜所所涉涉及及到到的的光光学学原原理理。并并设设计计了了一一种种用用两两个个凸凸透透镜镜构构成成的的天天文文望望远远镜镜，即即开开普普勒勒望望远远镜镜。这这种种望望远远镜镜很很快快就就取取代代了了荷荷兰望远镜兰望远镜(因为它视野宽因为它视野宽)。第一台开普勒望远镜由天文学家第一台开普勒望远镜由天文学家沙伊纳沙伊纳于于1613161316171617年制造。年制造。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述4.4 光学仪器的研制光学仪器的研制175.5.几几乎乎与与望望远远镜镜同同时时，荷荷兰兰人人发发明明制制造造了了显显微微镜镜，由由眼眼镜镜制制造造师师詹詹森森(Janssen)(Janssen)发发明明：由由一一双双凸凸透透镜镜作作物物镜镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。和一个双凹透镜作目镜组合而成。后后来来，意意大大利利那那不不勒勒斯斯的的冯冯特特纳纳(Fontana)(Fontana)第第一一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。个用凸透镜代替了凹透镜目镜。6.6.16651665年，年，胡克胡克出版显微图象，并制造了一个出版显微图象，并制造了一个带聚带聚光镜光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用一球形聚光器来照亮待观察的物体。一球形聚光器来照亮待观察的物体。187.7.16681668年年，牛牛顿顿设设计计并并制制造造了了第第一一架架小小型型反反射射式式望望远远镜镜，全全长长1515厘厘米米，口口径径2.52.5厘厘米米，但但其其放放大大倍倍数数和和当当时时使使用用的的2 2米米长长的的望望远远镜镜相相同同。16711671年年又又制制造造了了第第二二架架较较大大的的反反射射式式望望远远镜镜，全全长长1.21.2米米，口口径径2 2米米，献献给给了了英英国国皇皇家家学学会会，现现仍仍保保存存在在英英国国皇皇家家学学会图书馆。会图书馆。19第四章第四章 经典光学经典光学 4.1 4.1 历史概述历史概述 4.2 4.2 早期的光学研究（略）早期的光学研究（略）4.3 4.3 折射定律的建立折射定律的建立 4.4 4.4 光学仪器的研制光学仪器的研制 4.5 4.5 牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究 4.6 4.6 光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争 4.7 4.7 光速的测定光速的测定 4.8 4.8 光谱的研究（略）光谱的研究（略）204.5 牛顿的色散研究牛顿的色散研究1.色散的早期研究色散的早期研究：（：（略）略）牛顿是一位科学巨匠。他不仅在力学上有伟大的成就，在数学、天 文学、化学以至光学上都有杰出的贡献。单就光学方面的工作，就足以 被后人敬为科学上的伟人。和力学方面的综合工作不同，牛顿在光学方 面的工作多是奠基性的实验研究，其中尤以色散的研究最为突出。色散也是一个古老的课题，最引人注目的是彩虹现象。早在 13 世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨。德国的传教士西奥多里克、笛卡尔、布拉格的马尔西都研究过彩虹现象。21v2.2.问题：问题：v 1717世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观察世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观察天体，胡克用显微镜观察微小物体。然而，当放大倍数增大天体，胡克用显微镜观察微小物体。然而，当放大倍数增大时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为什么图时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？怎样才象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？怎样才能消除？能消除？这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗，对光学很有研究。牛顿听过他讲光学，还帮他编写光学讲义。牛顿很喜欢做光学实验，还亲自动 手磨制透镜，想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。22v牛顿对色散现象的思考v 牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过：“运 动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害，”胡克描述过肥皂泡的颜色 变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色 是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这些 说法的合理成分，同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问和思考，例如，他问道：v 如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？v 为什么水比水蒸汽更清晰？v 为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？.v 牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，就自己动手做 起了一系列实验 23 3.牛顿的色散实验牛顿的色散实验 牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约 60 厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到 1 米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为 67 米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。24v这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。v为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验。25 如图在一张黑纸上画一条线如图在一张黑纸上画一条线abcabc，半边，半边abab为红色，半为红色，半边边bcbc为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断了似的，分界处正是红兰之交，兰色部分比红色部了似的，分界处正是红兰之交，兰色部分比红色部分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。疑问：疑问：色散是不是由于光和色散是不是由于光和棱镜作用的结果？棱镜作用的结果？牛顿牛顿又作了以下实验：又作了以下实验：26v 为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其 它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性 牛顿又做了一个实验。v 他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不一样，如图 所示。倘若颜色的分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性，那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性。27 可是实验结果是，可是实验结果是，原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜后又还原成白光，形状和原来一样。再经过第三个棱镜，后又还原成白光，形状和原来一样。再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。证明色散现象为不同成分，又可使不同成分合成为白光。证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性。而是由于不同颜色具有不同的折射性。28v牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。他预料会遭到科学界的反对，于是又做了一个很有说服力的实验。v 牛顿把这个实验称为“判决性实验”，如下图所示。29 他用两块木版各开一小孔他用两块木版各开一小孔F F和和G G，并分别放于三棱镜两侧，并分别放于三棱镜两侧，光从光从S S 处平行射入处平行射入F F后，经棱镜折射穿过小孔后，经棱镜折射穿过小孔G G，到达另一，到达另一块木版块木版dede上，投过小孔上，投过小孔g g的光再经棱镜的光再经棱镜abc的折射后，抵达的折射后，抵达墙壁墙壁MNMN。使第一个棱镜使第一个棱镜ABCABC缓缓绕其轴旋转，缓缓绕其轴旋转，这样第二块这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔木版上不同颜色的光相继穿过小孔g g到达三棱镜到达三棱镜abcabc。实验。实验结果是：结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个三棱镜时也偏折的最多三棱镜时也偏折的最多。结论：。结论：白光是由折射性能不同的白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。各种颜色的光组成。30在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。2.2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。3.3.色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变。或其它任何原因而改变。4.4.必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。原始的颜色复合而成的色。5.5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。比例混合而成。6.6.自然物质的色是由于对某种光的反射大于其它光的反射的缘自然物质的色是由于对某种光的反射大于其它光的反射的缘故。故。7.7.把光看成实体有充分依据。把光看成实体有充分依据。8.8.由此可解释棱镜色散和虹。由此可解释棱镜色散和虹。31 牛顿的这些结论相当全面，而且论据充分。但是当时人们难牛顿的这些结论相当全面，而且论据充分。但是当时人们难以接受，因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。以接受，因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。牛顿对这个问题并没有作出判决，但是他的结论与光的本性牛顿对这个问题并没有作出判决，但是他的结论与光的本性密切相关。牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太密切相关。牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太新奇了，怀疑和攻击不断对牛顿袭来。有人认为牛顿的光谱新奇了，怀疑和攻击不断对牛顿袭来。有人认为牛顿的光谱实验没有考虑到太阳本身的张角，实验没有考虑到太阳本身的张角，有人主张光谱变长是一种有人主张光谱变长是一种衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛。胡克对牛顿挑剔得最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理顿挑剔得最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理论也可说明，而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。论也可说明，而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。32第四章第四章 经典光学经典光学 4.1 4.1 历史概述历史概述 4.2 4.2 早期的光学研究（略）早期的光学研究（略）4.3 4.3 折射定律的建立折射定律的建立 4.4 4.4 光学仪器的研制光学仪器的研制 4.5 4.5 牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究 4.6 4.6 光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争 4.7 4.7 光速的测定光速的测定 4.8 4.8 光谱的研究（略）光谱的研究（略）331 光的微粒说光的微粒说2 光的早期波动说光的早期波动说3 光应具有波粒二相性光应具有波粒二相性4.6 光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争341 1 光的微粒说：光的微粒说：近代微粒说最早由近代微粒说最早由笛卡儿笛卡儿首先提出，后来首先提出，后来牛顿牛顿发展了微发展了微粒说，并和波动说展开了长期的争斗。粒说，并和波动说展开了长期的争斗。微粒说认为：微粒说认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉。网膜，就引起了视觉。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。所以很快获得了人们的承认和支持。微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。缺陷：缺陷：无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前进时，为什么光线并不是永远走直线，而是不干扰地独立前进时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。352 2 早期的波动说早期的波动说 胡克：胡克：胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。惠更斯：惠更斯：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就是著名的惠更斯原理是著名的惠更斯原理光在任何时刻的波阵面上的每一点都光在任何时刻的波阵面上的每一点都可以作为次波的波源，各自发出球面次波，在以后的任意时刻，可以作为次波的波源，各自发出球面次波，在以后的任意时刻，所有这些次波的波阵面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。所有这些次波的波阵面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。16901690年惠更斯论光一书出版。年惠更斯论光一书出版。36 托马斯托马斯杨杨杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 托马斯杨是英国人，从小聪慧过 人，博览群书，多才多艺，17 岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作。他是医生，但对物理学也有很深造诣，在学医时，研究过眼睛的构造和 其光学特性。就是在涉及眼睛接受不同颜色的光这一类问题时，对光的 波动性有了进一步认识，导致他对牛顿做过的光学实验和有关学说进行 深入的思考和审查。托马斯托马斯杨杨371801 年，托马斯杨发展了惠更斯的波动理论，成 功地解释了干涉现象。上图 是他在论文中用于说明干涉现象的插图。他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同 的。”3839 托马斯杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一 光源。这是他用实验成功地演示干涉现象的关键。许多人想尝试这类实验往往都因用的是两个不同的光源而失败。v在 1807 年托马斯杨的论文中描述了他的双缝实验，他写道：v “使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射。在这种情况下，当新形成的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条暗带。图形的中心则总是亮的。”“比较各次实验，看来空气中极红端的波的宽度约为三万六千分之一英寸，而极紫端则为六万分之一英寸。”v 托马斯杨所谓“波的宽度”，就是波长，这些结果与近代的精确值近似相等。v 40 1809年，法国的马吕斯（1775-1812）发现偏振现象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动性理论与事实矛盾。然而，托马斯杨并没动摇自己观点。给马吕斯回信说：“您的实验证明我的理论有不足之处，但这些实验并没有证明它是虚伪的。”经过几年的研究，托马斯 杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而这正是菲涅耳继续发展光的波动理论的出发点。41菲涅耳：菲涅耳：双光束干涉实验及泊双光束干涉实验及泊松亮斑松亮斑 菲涅耳是法国的一位工程师，对光学很感兴趣，曾发明一种用于灯塔的螺纹透镜，人称菲涅耳透镜。他精通数学，因此有条件在光学的数学理论方面作出特殊的贡献。菲涅耳菲涅耳42v 1817 年 1 月 12 日，托马斯杨写信给阿拉果，告诉他已找到了用波动理论解释偏振的线索，说：“用这个理论也可以解释沿半径方向以相等速度传播的横向振动，其粒子的运动是在相对于半径的某个恒定的方向。这就是偏振。”v 1818 年 4 月 29 日，托马斯杨再次写信给阿拉果，又提到偏振问题，他把光比之于绳索的振动。阿拉果把这封信给菲涅耳看，菲涅耳立即看出这一比喻为互相垂直的两束偏 振光之所以不能相干提供了真正的解释，而这一不相干性正可作为杨氏假说的极好佐证。v 阿拉果和菲涅耳合作研究光学多年，互相垂直的两束偏振光的相干 性是他们共同研究的课题，就这个课题已进行了多次实验得到了重要 成果。v菲涅耳的实验研究：菲涅耳的实验研究：43菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验获获得得两两相相干干光光源源的的实实验验44 菲涅耳对光学的研究与法国科学院1818年的悬奖征文活动有一些联系。竞赛题目为：“利用精密的实验确定光线的衍射效应。根据实验用数学归纳法推导出光线通过物体附近时的运动情况。”主持这项活动的著名科学家有：比奥、拉普拉斯和泊松。他们鼓励用微粒说解释衍射现象。但是，菲涅耳用严密的数学推导，从横波观点出发，圆满解释了光的偏振，并用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，理论与实验符合很好。如：泊松亮斑等。45 在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学家在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学家泊松泊松应用菲涅耳对光绕过障碍物衍应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明：如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在射的数学方程证明：如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后称为泊松亮斑），泊其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后称为泊松亮斑），泊松认为这是不可能的，从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实松认为这是不可能的，从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影的中央出现了一个亮斑验，果然在阴影的中央出现了一个亮斑。托马斯杨的双缝干涉实验和泊松亮斑证实了光的波托马斯杨的双缝干涉实验和泊松亮斑证实了光的波动性。动性。46 18171817年年1 1月和月和18181818年年4 4月月托马斯托马斯杨先后两次写信给杨先后两次写信给阿拉果，讨论有关偏振问题，并把光比作绳索和弦的振阿拉果，讨论有关偏振问题，并把光比作绳索和弦的振动，建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳，动，建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳，菲涅耳立即看出：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不菲涅耳立即看出：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不能相干提出了解释。并于能相干提出了解释。并于18191819年发表了关于偏振光线年发表了关于偏振光线的相互作用，于的相互作用，于18211821年发表了光的横波性理论。年发表了光的横波性理论。托马托马斯斯杨和菲涅耳的发现，标志着光学进入了新的发展时杨和菲涅耳的发现，标志着光学进入了新的发展时期期-波动光学时期波动光学时期。18501850年傅科测定了光在水中和空气年傅科测定了光在水中和空气中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动说占据了统治地位。说占据了统治地位。19 19世纪世纪6060年代，麦克斯韦发表了电磁场理论，并计年代，麦克斯韦发表了电磁场理论，并计算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约2020年后被赫兹年后被赫兹实验证实。实验证实。473 3 光的波粒二相性光的波粒二相性 1887 1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验，否定年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验，否定了以太存在。赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的了以太存在。赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的否定，使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和否定，使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒子说暂时爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒子说暂时占据了上风。占据了上风。直到直到1921年，德布罗意年，德布罗意提出了光的波粒二相性提出了光的波粒二相性理论。理论。才暂时平息了关于光本性的争论。才暂时平息了关于光本性的争论。48第四章第四章 经典光学经典光学 4.1 4.1 历史概述历史概述 4.2 4.2 早期的光学研究（略）早期的光学研究（略）4.3 4.3 折射定律的建立折射定律的建立 4.4 4.4 光学仪器的研制光学仪器的研制 4.5 4.5 牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究 4.6 4.6 光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争 4.7 4.7 光速的测定光速的测定 4.8 4.8 光谱的研究（略）光谱的研究（略）49光光 速速 的的 测测 定定4.7 光速的测定光速的测定1 早期的实验早期的实验2 天文学方法天文学方法3 地面测量方法地面测量方法4 “以太漂移以太漂移”的测定的测定50光光 速速 的的 测测 定定1.早期的实验早期的实验在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。1607 1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验：在已知年，伽利略进行了最早的测量光速的实验：在已知距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间去除间距，来测光速，但误差较大。去除间距，来测光速，但误差较大。512 2 天文学方法天文学方法 由木卫蚀测量光速由木卫蚀测量光速 由丹麦人奥罗斯由丹麦人奥罗斯罗末罗末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提年提出。木星有出。木星有1313个卫星，个卫星，I I0 0（木卫一）是木星的一颗（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约卫星，绕木星旋转一周的时间约4242小时小时2828分分1616秒，秒，因此在地球上看因此在地球上看I I0 0蚀也应是蚀也应是4242小时小时2828分分1616秒一次，秒一次，但他在观测木卫但他在观测木卫I I0 0的隐食周期时发现：在一年的不的隐食周期时发现：在一年的不同时期，它们的周期有所不同；经过仔细推算，同时期，它们的周期有所不同；经过仔细推算，他他证明这是由于地球运行在轨道的不同部位，光从木证明这是由于地球运行在轨道的不同部位，光从木星卫星传到地球的时间有差异的缘故星卫星传到地球的时间有差异的缘故。16761676惠更惠更斯斯据此观察计算出了光的传播速度：据此观察计算出了光的传播速度：214000千米千米/秒。秒。现代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果现代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果是是298000千米千米/秒，秒，52 1676年9月罗默向巴黎的法国科学院宣布，预计在11月9 日5 时25 分45 秒发生的木星卫星蚀将推迟10分钟。巴黎天文台的天文学家，莫不嗤之以鼻。等到那一天，众人守在天文望远镜旁，想看罗默的笑话。哪里想到，卫蚀不迟不早，正好推迟十分钟。53利用木卫蚀测量光速图：利用木卫蚀测量光速图：意义：意义：揭示了光的传播需要时间，即光速有限。揭示了光的传播需要时间，即光速有限。54 由光行差测量光速由光行差测量光速 17251728年间，年间，英国英国天文学家布拉德雷天文学家布拉德雷（Bradley)Bradley)在地球上观察恒在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在绕椭圆轨所有恒星似乎都在绕椭圆轨道运行一周他认为这种现道运行一周他认为这种现象的产生是由于恒星发出的象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化。因公转而发生了位置的变化。55 如右图，若当地球如右图，若当地球(人人)从从B点运点运动到动到A点时，恒星发出的光线从点时，恒星发出的光线从C点点传播到传播到A，则光速和地球的公转速，则光速和地球的公转速度之比为：度之比为：由此测得光速为：由此测得光速为：C=299930千米千米/秒秒5618491849年年，法法国国人人菲菲索索2828次次（1819-18961819-1896）用用齿齿轮轮旋旋转转法法测测得得光光速速的的平平均均值值为为3.15103.15108 8米米/秒秒。他他是是第第一一个个首首次次证证明明光光速速可可以以在在实实验验中中测得的人。测得的人。另另外外，法法国国人人傅傅科科、美美国国人人纽纽克克姆姆等等都都对对光速测定做过贡献。光速测定做过贡献。光光 速速 的的 测测 定定3.光速的地面测定方法光速的地面测定方法57 旋转齿轮法：旋转齿轮法：18491849年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测定了光速。其装置如下：控制齿轮转速，使其由零逐渐增加，定了光速。其装置如下：控制齿轮转速，使其由零逐渐增加，观察者开始将看到闪光，当齿轮旋转而达到第一次看不到光时，观察者开始将看到闪光，当齿轮旋转而达到第一次看不到光时，齿缝被齿所代替，再增加转速，当看到光且不再闪时，说明光齿缝被齿所代替，再增加转速，当看到光且不再闪时，说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据此即可算出光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据此即可算出光速。菲索测得的光速是速。菲索测得的光速是315000315000千米千米/秒。由于齿轮有一定的宽度，秒。由于齿轮有一定的宽度，用这种方法很难精确的测出光速。用这种方法很难精确的测出光速。58 傅科的旋转平面镜法傅科的旋转平面镜法 1850 1850年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜法测定光速，如下图所示。所测速度为法测定光速，如下图所示。所测速度为298000500298000500千米千米/秒。秒。59阿尔伯特阿尔伯特迈克尔逊迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：旋转棱镜法：光光 速速 的的 测测 定定 迈克尔逊从迈克尔逊从1879年开年开始对光速进行了长达始对光速进行了长达50年的测量工作，基本上年的测量工作，基本上沿用了傅科的方法，后沿用了傅科的方法，后来将斐索的齿轮法和傅来将斐索的齿轮法和傅科的转镜法相结合，创科的转镜法相结合，创立了棱镜旋转法。立了棱镜旋转法。棱镜旋转的转速可以棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收光测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。系，可以导出光速来。60 转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源S S发出的光射发出的光射到转镜面到转镜面R R上，经上，经R R反射后又射到反射后又射到3535公里以外的一块反射公里以外的一块反射镜镜C C上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是t=2D/ct=2D/c。在在t t时间中转镜转过一个角度。实验时，逐渐加快转镜转时间中转镜转过一个角度。实验时，逐渐加快转镜转速，当转速达到速，当转速达到 528 528转转/秒时，在秒时，在t t时间里正好转过时间里正好转过1/81/8圈。圈。返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜M M可可以从望远镜里看到返回光线所成的像。以从望远镜里看到返回光线所成的像。用这种方法得到用这种方法得到c=2997964c=2997964公里秒。公里秒。19071907年，阿尔伯特年，阿尔伯特迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家。奖的美国科学家。61 其他方法其他方法-试验室方法试验室方法 克尔盒法：克尔盒法：克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。19281928年，年，卡娄拉斯卡娄拉斯和和米太斯塔德米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测首先提出利用克尔盒法来测定光速。定光速。微波谐振腔法：微波谐振腔法：19501950年年埃文森埃文森最先采用测定微波波长和频最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速率的方法来确定光速 激光测速法：激光测速法：19701970年美国国家标准局和美国国立物理实验年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速室最先运用激光测定光速 等等。等等。62现在实验室测量光速方法：光拍法。现在的方法例如63 光速是基本物理常数之一。它的测定花费了好几代物理学家的心血，方法不断改进，测试结果越来越精，特别是由于激光的应用，光速已成为最精确的基本常数之一。1973 年国际标准值c=299 792 458 米秒。1983 年第十七届国际计量大会决定，将光在真空中在1/299 792 458 秒的时间隔内运行路程的长度作为“米”的新定义。1986 年，国际科技数据委员会又规定1973 年的光速国际标准值为精确值。也就是说，从此光在真空中的速度不再变动了，人们就认定它精确地等于这一国际标准值。64 光速的测定在历史上起了重要作用。对微粒说和波动说作出判决，只是其历史意义的一例。第3 章曾经讲到，麦克斯韦在研究电磁理论时，当他发现理论推出的电磁波速度正是光速时，他抓住了一个最有说服力的证据，说明光就是电磁波。爱因斯坦也跟光速有特殊的缘分，他正是从光速不变的假设出发，提出了狭义相对论。可见，光速测定的丰硕成果既反映科学技术的进步，又推动了科学理论进一步发展。65光速测量一览表光速测量一览表664 “以太漂移以太漂移”的测定的测定 早期对早期对“以太以太”的认识的认识（略）略）“以太以太”的运动观：的运动观：18181818年菲涅耳提出静止以太说年菲涅耳提出静止以太说 1845 1845年斯托克斯提出完全拖曳说年斯托克斯提出完全拖曳说 1851 1851年年斐索斐索提出部分拖曳说提出部分拖曳说“以太漂移以太漂移”的测定的测定 斐索的流水实验斐索的流水实验 迈克耳逊干涉实验迈克耳逊干涉实验 洛奇的转盘实验洛奇的转盘实验67 斐索的流水实验斐索的流水实验 1851年，斐索在流水中比较光速，实验原理如下图年，斐索在流水中比较光速，实验原理如下图,光光源发出的光经半透镜反射进入两狭缝源发出的光经半透镜反射进入两狭缝S1和和S2形成两光束，进形成两光束，进入水管，一束顺水流方向，一束逆水流方向，均经反射镜入水管，一束顺水流方向，一束逆水流方向，均经反射镜M反射，在反射，在S处会合发生干涉。处会合发生干涉。观察干涉条纹观察干涉条纹可以检查因受可以检查因受水流曳引形成水流曳引形成的光程差。的光程差。68假如水中的以太不被流水曳引，两束光在水中的速率是一假如水中的以太不被流水曳引，两束光在水中的速率是一样的，无论水是否流动，干涉条纹都不会发生变化。如果样的，无论水是否流动，干涉条纹都不会发生变化。如果以太被流水曳引，拖曳系数为以太被流水曳引，拖曳系数为k，水流的速度为，水流的速度为v，则以太，则以太被拖曳的速率为被拖曳的速率为kv；两束光在流水中相对于地球的速率就；两束光在流水中相对于地球的速率就不相同，于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对不相同，于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对于地球的速度为于地球的速度为:c=c/nkv,斐索通过实验测得斐索通过实验测得 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，菲涅耳通过理论年，菲涅耳通过理论导出以太被物体拖曳的常数为导出以太被物体拖曳的常数为 1-1/n2。对水而言，其值为。对水而言，其值为0.438，两结果一致。，两结果一致。)根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，n1，所以，所以 k=0。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意义，当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论义，当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论才得到圆满的解释。才得到圆满的解释。69 迈克耳逊干涉仪：迈克耳逊干涉仪：18811881年迈克耳逊设计了一种干涉仪，如图，用于寻找绝年迈克耳逊设计了一种干涉仪，如图，用于寻找绝对静止的以太是否存在。对静止的以太是否存在。当两光束有一定光程差时，在当两光束有一定光程差时，在d d处则出现干涉条纹。如处则出现干涉条纹。如果以太是静止不动的，则由于地球绕太阳的运转，地球表面果以太是静止不动的，则由于地球绕太阳的运转，地球表面应有应有“以太风以太风”刮过。这以太风相当于斐索实验中水的流动。刮过。这以太风相当于斐索实验中水的流动。如果把仪器转动如果把仪器转动9090度，则必然会出现条纹的移动。度，则必然会出现条纹的移动。通过推导，条纹的移动量为：通过推导，条纹的移动量为：=ct/,估计应有估计应有0.40.4条纹条纹的移动，但实验结果只有的移动，但实验结果只有0.10.1条纹条纹的移动，而这一微的移动，而这一微小数值可以理解为实验中的小数值可以理解为实验中的误差。误差。70 1887 1887年迈克尔逊与莫雷合作，对仪器改进后又进行了年迈克尔逊与莫雷合作，对仪器改进后又进行了更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上，再将石板更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上，再将石板浮在水银槽上，可以自由旋转改变方位。光路经多次反射，浮在水银槽上，可以自由旋转改变方位。光路经多次反射，光程可达光程可达1111米。但结论仍是米。但结论仍是“零结果零结果”。因此得出：。因此得出：以太被完全拖曳；或者是以太被完全拖曳；或者是根本不存在以太。根本不存在以太。早在早在17281728年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实验中，就已判明以太没有被太阳拖曳验中，就已判明以太没有被太阳拖曳(洛奇的转盘实验也洛奇的转盘实验也证明以太静止证明以太静止)，以太相对于太阳是静止的。，以太相对于太阳是静止的。迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说，但从完全曳迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说，但从完全曳引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速度梯度的区域，如果靠得很近，总可以觉察出这一效应。度梯度的区域，如果靠得很近，总可以觉察出这一效应。71 洛奇的转盘实验洛奇的转盘实验 18921892年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以实验实验“以太以太”的漂移。他把的漂移。他把靠得很近的大钢锯圆盘（直径靠得很近的大钢锯圆盘（直径3 3英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达40004000转转/分）。一束光经半透镜分为两路，分别沿相反方向在钢盘分）。一束光经半透镜分为两路，分别沿相反方向在钢盘之间走三圈，再回合于望远镜产生干涉条纹。之间走三圈，再回合于望远镜产生干涉条纹。如果钢盘转动拖曳周围以太旋转，则两路光线将产生时如果钢盘转动拖曳周围以太旋转，则两路光线将产生时间差，造成干涉条纹移动。间差，造成干涉条纹移动。但实验结果为：不论钢盘转速如何，钢盘正转或反转，但实验结果为：不论钢盘转速如何，钢盘正转或反转，造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。所以迈克尔逊所以迈克尔逊莫雷实验的莫雷实验的“以太风的以太风的零结果零结果”表明：以太根本不存在。表明：以太根本不存在。72附录：量子光学介绍v量子光学 激光与物质作用的半经典理论，全量子理论。v量子信息v量子计算v量子成像73附录：现代光学介绍v傅里叶光学傅里叶光学v光全息光全息v导波光学导波光学74谢谢46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。卡耐基47、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。史美尔斯49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。孙洙50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。莫扎特