物理学史光的色散.ppt

光学的起源也和力学 热学一样 可以追溯到二 三千年前 光学真正形成一门科学 应该从建立反射定律和折射定律的时代算起 这两个定律奠定了几何光学的基础 光的本性也是光学研究的重要课题 微粒说把光看成是由微粒组成 认为这些微粒按力学规律沿直线飞行 因此光具有直线传播的性质 19世纪以前 微粒说比较盛行 但是 随着光学研究的深入 人们发现了许多不能用直进性解释的现象 例如干涉 衍射等 用光的波动性就很容易解释 于是光的波动说又占了上风 两种学说的争论构成了光学发展史中的一根红线 中国早期对色散的理解中国古代对光的色散现象的认识最早起源于对自然色散现象 虹的认识 我国的 墨经 就记载了许多光学现象 例如投影 小孔成像 平面镜 凸面镜 凹面镜等等 而早在殷代甲骨文里就有了关于虹的记载 当时把 虹 字写成 绛 战国时期 楚辞 中有把虹的颜色分为 五色 的记载 东汉蔡邕 132 192年 在 月令章句 中对虹的形成条件和所在方位作了描述 唐初孔颖达 574 648年 在 礼记注疏 中粗略地揭示出虹的光学成因 若云薄漏日 日照雨滴则生虹 说明虹是太阳光照射雨滴所产生的一种自然现象 公元八世纪中叶 张志和 744 773年 在 玄真子 涛之灵 中第一次用实验方法研究了虹 而且是第一次有意识地进行的白光色散实验 背日喷呼水成虹霓之状 而不可直也 齐乎影也 南宋朝蔡卞进行了一个模拟 日照雨滴 的实验 把虹和日月晕现象联系起来 有意说明虹的产生是一种色散过程 并指出了虹和阳光位置之间的关系 南宋程大昌 1123 1195年 在 演繁露 中记述了露滴分光的现象 并指出 日光通过一个液滴也能化为多种颜色 实际是色散 而这种颜色不是水珠本身所具有 而是日光的颜色所著 这就明确指出了日光中包含有数种颜色 经过水珠的作用而显现出来 可以说 他已接触到色散的本质了 在我国从晋代开始 许多典籍都记载了晶体的色散现象 如记载过孔雀毛及某种昆虫表皮在阳光下不断变色的现象 云母片向日举之可观察到各种颜色的光 李时珍也曾指出较大的六棱形水晶和较小的水晶珠 都能形成色散 到了明末 方以智 1611 1671年 在所著 物理小识 中综合前人研究的成果 对色散现象作了极精彩的概括 他把带棱的自然晶体和人工烧制的三棱晶体将白光分成五色 与向日喷水而成的五色人造虹 日光照射飞泉产生的五色现象 以及虹霓之彩 日月之晕 五色之云等自然现象联系起来 认为 皆同此理 即都是白光的色散 所有这些都表明中国明代以前对色散现象的本质已有了较全面的认识 但也反映中国古代物理学知识大都是零散 经验性的知识 西方早期对色散的理解在光学发展的早期 对颜色的解释显得特别困难 在牛顿以前 欧洲人对颜色的认识流行着亚里士多德的观点 亚里士多德认为 颜色不是物体客观的性质 而是人们主观的感觉 一切颜色的形成都是光明与黑暗 白与黑按比例混合的结果 德国有一位传教士叫西奥多里克 曾在实验中模仿天上的彩虹 他用阳光照射装满水的大玻璃球壳 观察到了和空中一样的彩虹 以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象 不过 他的进一步解释没有摆脱亚里士多德的教义 1663年波义耳也曾研究了物体的颜色问题 他认为物体的颜色并不是属于物体的带实质性的性质 而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的 能完全反射光线的物体呈白色 完全吸收光线的物体呈黑色 欧儿里得 Euclid 公元前约330 260 的 反射光学 Catoptrica 研究了光的反射 天文学家托勒密 约100 170 曾专门做过光的折射实验 他写有 光学 5卷 可惜原著早已失传 从残留下来的资料可知 在那部书中记有折射实验和他得到的结果 折射角与入射角成正比 最早折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳 W Snell 1580 1626 在1621年从实验得到的 但是他没有发表结果 阿拉伯学者阿勒 哈增 Al Hazen 965 1038 写过一部 光学全书 讨论了许多光学现象 笛卡儿对彩虹现象也有兴趣 他用实验检验西奥多里克的论述 在他的 方法论 1637年 中还有一篇附录 专门讨论彩虹 并且介绍了他自己做过的棱镜实验 他用三棱镜将阳光折射后投在屏上 发现彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成 因为不论光照在棱镜的那一部位 折射后屏上的图象都是一样的 遗憾的是 笛卡儿的屏离棱镜太近 大概只有几厘米 他没有看到色散后的整个光谱 只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色 1648年 布拉格的马尔西用三棱镜成功演示了光的色散 但遗憾的是解释错了 胡克是17世纪英国最杰出的科学家之一 他在力学 光学 天文学等多方面都有重大成就 他所设计和发明的科学仪器在当时是无与伦比的 他本人被誉为英国的 双眼和双手 在光学方面 胡克是光的波动说的支持者 1655年 胡克提出了光的波动说 他认为光的传播与水波的传播相似 1672年胡克进一步提出了光波是横波的概念 在光学研究中 胡克更主要的工作是进行了大量的光学实验 特别是致力于光学仪器的创制 他制作或发明了显微镜 望远镜等多种光学仪器 十七世纪 牛顿在英国剑桥上学 他的老师中有一位数学教授名叫巴罗 IsaacBarrow 1630 1677 对光学很有研究 牛顿听过巴罗讲光学 还帮巴罗编写 光学讲义 牛顿很喜欢做光学实验 亲自动手磨制透镜 希望能按自己的设计装配出没有色散的望远镜和显微镜 就是这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨 牛顿 1643年1月4日 1727年3月31日 爵士 英国皇家学会会员 是一位英国物理学家 数学家 天文学家 自然哲学家和基督徒 著有 自然哲学的数学原理 光学 二项式定理 和 微积分 在力学上 牛顿阐明了动量角动量守恒之原理 在光学上 他发明了反射式望远镜 并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察 发展出了颜色理论 他还系统地表述了冷却定律 并研究了音速 在数学上 牛顿与戈特弗里德 莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉 他也证明了广义二项式定理 提出了 牛顿法 以趋近函数的零点 并为幂级数的研究作出了贡献 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 牛顿对色散的思考牛顿从前人著作里得到了很多启示 如笛卡尔的说过 运动慢的光线比运动快的光线折射的更厉害 胡可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 其他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里面的合理成分 但是同时也提出了很多疑问 如 如果光是脉冲 为什么不像声音那样在传播中偏离直线 为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快 为什么水比水蒸气更清晰 为什么煤是黑的 煤烧成的灰反而是白的 等等 牛顿不满意前人 包括他的老师 对光现象的解释 就决定自己动手做起了一系列的实验 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6 7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 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 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 如图4 8 在一张黑纸上画一条线opq 半边op为深蓝色 半边pq为深红色 经棱镜adf观看 只见这根线好象折断了似的 分界处正是红蓝之交 蓝色部分rs比红色部分st更靠近棱脊ab 可见蓝光比红光受到更大的折射 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 牛顿的色散实验牛顿首先设计了我们今天所知的三棱镜的色散实验 并且证明 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 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 牛顿把这个实验称为 判决性实验 他拿两块木板 一块DE放在窗口F紧贴棱镜ABC处 光从S平行进入F后经棱镜折射穿过小孔G 各种颜色以不同的角度射向另一块木板de de离DE约4米远 板上也开有小孔g 在g后面也放有一块三棱镜abc 使穿过的光再折射后抵达墙壁MN 牛顿手持第一块棱镜ABC 缓缓绕其轴旋转 这样使第二块木板上的不同颜色的光相继穿g到达三棱镜abc P133图4 14牛顿的判决性实验 实验结果是 被第一块棱镜折射得最厉害的紫光 经第二块棱镜也偏折得最多 由此可见 白光确是由折射性能不同的光组成 在色散实验的基础上 牛顿总结出了几条规律 即 1 光线随其折射率不同 色也不同 色不是光的变态 而是光线原来的 固有的属性 2 同一色属于同一折射率 不同的色 折射率不同 3 色的种类和折射的程度是光线所固有的 不会因折射 反射或其它任何原因而改变 4 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 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比例混合而成 6 由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的形成 7 自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故 8 把光看成实体有充分根据 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 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 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 胡克对牛顿挑剔得最厉害 他认为牛顿的实验不具判决性 用别的理论也可说明 而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色 为此 牛顿在几年后又做了一个实验 他取一只长而扁的三棱镜 使它产生的光谱相当狭窄 用屏放在位置1接受光 看到的仍然是普通光 但将屏改变角度 放在位置2 就可以看到分解的光谱 这样 由于只涉及屏的角度 结果与棱镜无关 就回答了怀疑者提出的质疑 谢谢观看 主讲 张学成制作 张航