光学绪论091128.ppt

1 光学教程 主讲教师 阎晓娜2009冬学期 2 Office G407 66132520答疑时间 周二 周五下午xnyan 3 光学绪论 一 光学及其研究对象二 光学发展简史三 光学课的主要内容四 光学课程要求 4 一 光学及其研究对象 什么是光光是一种重要的自然现象 我们之所以能看到物体 是因为眼睛接受物体发射 反或散射的光 光学研究对象光学研究内容非常广泛 包括光的发射 传播和接收等规律 光与物质的相互作用 光的本性问题以及它的各种应用科学 5 萌芽时期 几何光学时期 波动光学时期 量子光学时期 现代光学时期 二 光学发展简史 6 萌芽时期 远古 15世纪末 在 墨经 中记载了光的直线传播 小孔成像实验 此外 墨家对飞鸟的影子 物体的本影和半影 凹面镜和凸面镜的成像现象等 也都作了许多研究 欧几里德 Euclid 墨子 光学 平面镜成象 反射角等于入射角的反射定律 对于人眼观察物体的解释 他提出了将光当做类似胡须的投射学说 7 梦溪笔谈 凹面镜 凸面镜的成象规律 测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面都有创造性的阐述 沈括 培根 Roger Bacon 提出用透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜 描述了透镜焦点的位置 证明了虹的产生 阿玛蒂 1285年发明了眼镜 波特 1589年研究了成像暗箱 综上所述 到15世纪末和16世纪初 凹面镜 凸面镜 眼镜 透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现 克莱门德和托勒密 研究了光的折射现象 托勒密依靠经验发现了折射规律 绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表 8 几何光学时期 16世纪初 19世纪初 这一时期可以称为光学发展史上的转折点 在这个时期 建立了光的反射定律和折射定律 奠定了几何光学的基础 同时为了提高人眼的观察能力 人们发明了光学仪器 第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展 显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具 在这一时期 光学真正作为一门物理学科被确定下来 9 李普塞 H Lippershey 1587 1619 荷兰 在1608年发明了第一架望远镜 延森 S Janssen 1588 1632 荷兰 和冯特纳 P Fontana 1580 2656 制作了复合显微镜 伽利略 Galilei 1564 1642 意大利 制作了首架天文望远镜 观测到木星的卫星 开普勒 J Kepler 1571 1642 德国 于1611年发表了 折光学 提出了照度定律 发明了新型望远镜 斯涅耳 W Snell 1591 1626 荷兰 和笛卡儿 R Descartes 1569 1650 法国 分别在1621年和1630年提出了三角函数形式的折射定律 重要科学家及事件 10 费马 P deFermat 1601 1665 在1657年提出了光在介质中传播时所走的光程取极值的原理 综上所述 到17世纪的中叶 基本上已经奠定了几何光学的基础 光学终于作为一门物理学科被正式确立起来 11 光的本性的研究 当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候 却依然有一个最基本的问题没有得到解决 那就是 光在本质上到底是一种什么东西 这个问题看起来似乎并没有那么难回答 但人们大概不会想到 对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久 而这一探索的过程 对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大 其意义超过当时任何一个人的想象 12 光的微粒说以牛顿为代表的一些人提出了光的微粒理论 认为光是从光源中发射出来的粒子 在均匀介质中作匀速直线运动 这一学说直接说明了光的直线传播定律 并能对光的反射和折射作一定的解释 光的波动说大约与牛顿倡导微粒说的同时 惠更斯等人则主张波动说 惠更斯认为光是在 以太 中传播的波 并提出 惠更斯次波原理 波面上 等位相面 上任一点均可看成为一个新的波源 要发次波 同一时刻这些次波的包迹 公切面 便是该时刻的波面 根据惠更斯次波原理 可以解释光的反射定律和折射定律 并能解释方解石的双折射现象 13 综上所述 在这一时期 以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时 由于相继发现了干涉 衍射和偏振等光的波动现象 以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了 因而这个时期也可以说是从几何光学向波动光学的过渡时期 是人们对光的认识逐步深化的时期 1690年 惠更斯的著作 光论 出版 标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点 14 到了19世纪初 初步发展起来的波动光学的体系已经形成 1801年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的 杨氏双缝干涉实验 还第一次成功的测定了光的波长 1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象 随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究 1818年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理 形成了人们所熟知的惠更斯 菲涅耳原理 波动光学时期 19世纪初 20世纪初 1850年 傅科光速的测定 第二次微波战争以波动理论胜利而告终 15 1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系 麦克斯韦在1865年的理论研究说明光是一种电磁现象 这个理论在1888年被赫兹的实验所证实 至此 确立了光的电磁理论 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用 它指出光和电磁现象的一致性 使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步 物理学大厦 力 热 电磁 光 两朵乌云 热辐射 迈克尔逊 莫雷实验 以太 16 量子光学时期 20世纪初 20世纪中 19世纪末到20世纪初 光学的研究深入到光的发生 光和物质相互作用的微观机制中 开始了量子光学时期 1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设 把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中 提出了光量子 光子 理论 圆满地解释了光电效应 并被后来的许多实验 例如康普顿效应 证实 至此 人们一方面通过光的干涉 衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性 另一方面通过黑体辐射 光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性 粒子性 光的本性 物质 实物和场 的本性 波粒二象性 17 迈克尔逊 A A Michelson 1852 1931 美国 发明了干涉仪 1907年获诺贝尔物理学奖 普郎克 M K Plank 1858 1947 德国 在1900年提出了著名的黑体辐射理论 1907年获诺贝尔物理学奖 爱因斯坦 A Einstein 1879 1955 德国 在1905年提出了光量子理论 解释了光电效应 1921年获诺贝尔物理学奖 德布罗意 L V deBroglie 1892 1987 德国 创立了物质波学说 1929年获诺贝尔物理学奖 重要人物及事件 18 戴维孙 C J Davisson 1881 1958 美国 和革末 L H Germer 1896 1971 美国 通过电子衍射证明了物质波理论 1937年获诺贝尔物理学奖 拉曼 SirChandrasekharaVenkataRaman 1888 1970 印度加尔各答大学 研究了光的散射和发现了以他的名字命名的定律 1930年获诺贝尔物理学奖 波恩 M Born 1882 1970 德国 提出了波粒二象性理论以及量子力学解释 1954年获诺贝尔物理学奖 19 现代光学时期 20世纪中 三件大事 1948全息术 1955光学传递函数 1960激光器的诞生 同步辐射光源 光导纤维 光计算机 新学科 傅里叶光学 非线性光学 激光光谱学 量子光学 超快激光光学 20 三 光学课的主要内容 波动光学 以电磁理论为基础 讨论干涉 衍射 偏振 一 二 五章 重点几何光学 以直线传播为基础 讨论成像 光学仪器 三 四章 注意讨论方法不同于中学 量子光学 光与物质的相互作用 光的波粒二象性 六 七章 现代光学基础 主要介绍激光产生的基本原理 非线性光学 信息存储等 第八章 介绍性 21 四 怎样学好光学 1 掌握物理思想 物理图象 2 多观察 多思