光学发展简史.doc

光學發展簡史光學的起源在西方很早就有光學知識的記載，歐幾里得(Euclid，公元前約330260)的(Catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯學者阿勒哈增(AI-Hazen，9651038)寫過一部，討論了許多光學的現象。 光學真正形成一門科學，應該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎。17世紀，望遼鏡和顯微鏡的應用大大促進了幾何光學的發展。 光的本性也是光學研究的重要課題。微粒說把光看成是由微粒組成，認為這些微粒按力學規律沿直線飛行，因此光具有直線傳播的性質。19世紀以前，微粒說比較盛行。但是，隨著光學研究的深入，人們發現了許多不能用直進性解釋的現象，例如干涉、繞射等，用光的波動性就很容易解釋。於是光學的波動說又占了上風。兩種學說的爭論構成了光學發展史上的一根紅線。 光的傳播方式1. 光的由來,陽光熱的物體發出光線。燈光電可以發光(電子在原子能階間運動所釋放出的能量)。冷光化學物質釋出光。2. 波以耳的實驗證實聲音無法在真空中傳播。但光卻可以穿越真空，所以我們才能有溫暖的陽光以及皎潔的月光。但光也可以在空氣、水、玻璃等透光的物質中傳播。3. 光是以直線前進的方式傳播, 當光在傳播過程中，若遇到不透明的物體，就無法繼續前進而在該物體的背後形成陰影，而且陰影的形狀通常與物體的輪廓一樣，這表示光是直線前進的。所以我們常常又將光稱為光線。民俗技藝中的皮影戲，古代的計時工具日晷等都是利用光直線前進傳播的性質 (產生陰影) 。 日蝕及月蝕的現象也都是由於光是直線前進傳播所造成的 。 4. 當光傳播至物體表面時，通常會發生反射、折射及吸收等情形。光的傳播速率一、光速的測量:1.第一位經由光在地球上兩點之間傳遞時,以其距離對時間的比而測出光速的是法國物理學家菲左,於西元1848年完成的。2.在空氣中傳播時光速約為每秒30萬公里。二、光在不同介質中的傳播速率:真空氣態液態固態1.光在真空中傳播時速率最快;在空氣中時則稍慢,幾乎相等。2.在水中的光速約為在真空中時的3/4。3.在玻璃中的光速約為在真空中時的2/3。4.光速每秒30萬公里(3108 m/s),光1秒鐘繞地球七圈半。慶典施放煙火，當我們在遠處欣賞時，常會發現：煙火在高空中先炸散開來，然後才聽到煙火爆炸的聲音；午後雷陣雨時，都是先看到閃電，然後才傳來隆隆雷聲。這些現象表示光在空氣中傳播的速率要比聲音在空氣中傳播的速率快很多。 光的反射一、 光的反射定律:1.當入射光垂直鏡面射向平面鏡時，反射會沿原路徑反射回來。我們把和鏡面垂直的假想線稱為法線。2.當入射光以和法線成一個角度（稱為入射角）射向鏡面，反射光會從法線的另一邊反射出來，反射線與法線的夾角稱為反射角。對於任何表面，光線的反射是遵守下列的反射定律：(1)光線反射時，入射線與反射線分別在法線的兩側，且此三線在同一平面上。(2)入射角反射角。二、平面鏡:1. 成像原理:反射定律。2. 我們能從一般的平面鏡中看到鏡前物體的像，原因是鏡前的物體發出(或反射)的光線經過平面鏡反射後進入我們的眼睛。由於我們的眼睛認為光是直線前進的，所以我們會以為物體的像是在鏡內（或者說鏡後），如圖所示 3.成像性質:正立虛像、左右相反、物距=像距、物長=像長。三、拋物面鏡:1.原理:反射定律。1. 凸面鏡正立縮小的像增加視野。路鏡、後視鏡。2. 凹面鏡倒立放大的像增加光線強度。車燈、手電筒、顯微鏡的聚光鏡。.凸面鏡：如右圖，凸面鏡會發散光線，而凸面鏡產生像的情形要比平面鏡複雜多了。按右邊圖案可連結至臺灣師大物理系的物理教學示範實驗室，可選擇凸面鏡的成像，以進行動畫模擬。 (1)在迴旋的山路邊所架設的凸面鏡，能增加反射鏡前物體的成像範圍，如此可幫助駕駛員看到彎道處的對向來車。 凹面鏡：如右圖，凹面鏡會會聚光線，光線會聚成的一點稱為焦點。此外，如果將光源置於凹面鏡的焦點上，所發出的光線會平行射出。按右邊圖案可連結至臺灣師大物理系的物理教學示範實驗室，可選擇凹面鏡的成像，以進行動畫模擬。 (1)汽車的車前燈手電筒使用凹面鏡，將光源置於凹面鏡的焦點上，所發出的光線會平行射出，以增加照射光線的強度。 (1)平行主軸的光經拋物面鏡反射後會通過焦點。應用:太陽傘、太陽爐。(2)通過焦點的光經拋物面鏡反射後會平行主軸。應用:探照燈、手電筒。哈哈鏡：在遊樂場中的哈哈鏡是以凸、凹面鏡組合而成。站在哈哈鏡前，會看到變形失真的影像。此外，將光亮潔新的鐵片彎曲也也相同的效果。 光的折射光由一介質進入另一介質中，如果前進的方向與第二個介質不互相垂直，則進入第二的介質後，光行進的方向會發生偏折，這種現象稱為光的折射。光之所以會發生折射，是因為光在不同的介質中，傳播的速率不同(光折射後波速、波長及波的前進方向發生改變;但頻率不變。)在真空中，光傳播速率最快；空氣中其次一、 折射定律 1. 入射線、折射線與法線同在一平面上。2. 光由速度快傳入速度慢的介質中時，入射角i 折射角t。空氣水3. 光由速度慢傳入速度快的介質中時，入射角i 折射角t。水空氣 N(法線) (入射線)I i (入射角) 空氣 水 t (折射角) T(折射線)生活中常見的折射現象放入水中的吸管（或筷子）好橡斷掉了？ 筷子前端所發出的光經折射後到達我們的眼睛，由於我們的眼睛認為光是直線前進的，因此我們會以為筷子的位置在。（那麼，這是實像還是虛像？）透鏡成像透鏡可分成兩大類：凸透鏡與凹透鏡透鏡中間部分較邊緣部分厚的稱為凸透鏡，如右圖中的 (a) (b) (c)；若是透鏡中間部分較邊緣部分薄的稱為凹透鏡，如右圖中的 (d) (e) (f)。 二、 凸透鏡1. 成像作圖主軸垂直鏡面的虛設直線。 鏡心透鏡中心。 焦點光線平行主軸經透鏡折射後，其光線或延伸光線匯聚的點。 (實焦點)(虛焦點) 焦距焦點與鏡心的距離。 (1) (2) 鏡心 F 2F 主軸 2F F (3) (焦點) 三光線：(1) 平行主軸，折射後通過實焦點。(2) 通過鏡心不產生折射。(3) 通過虛焦點，折射後平行主軸。2. 凸透鏡成像物體位置成像位置正倒立虛實像放大縮小a無窮遠F實像一點b2F之外F2F之間倒立實像縮小c2F2F實像相等d2FF之間2F之外倒立實像放大eF無窮遠實像無法成像fF之內與物同側在物後方正立虛像放大 a. b. c. d. e. f.(放大鏡)三、 凹透鏡發散透鏡1. 成像作圖 (1) (3) (2)2. 三光線(1) 平行主軸，折射後通過虛焦點。(2) 通過鏡心不產生折射。(3) 通過實焦點，折射後平行主軸。3. 只能成縮小正立虛像。色散西元 1666 年，科學家牛頓 ( Issac Newton, 1642-1727 ) 發現太陽光通過三稜鏡後，會分離出不同顏色的光，此現象稱為色散。原來我們所見的白色太陽光是由不同顏色的光混合而成的。光的三原色我們一般將紅、綠、藍三種顏色的光稱為光的三原色，因為將三種顏色的光以不同的亮度混合，即可呈現各種不同的顏色。電視機 (或電腦) 的螢光幕所顯示的各種顏色，即是調整螢光幕上許多發光體三原色之間亮度的比例。光與顏色而我們在一般物體上所看到各種顏色，它們又是如何來的？1.可透光的物質：玻璃、透明的壓克力板、玻璃紙等透光物質，當光線照射時可讓某些色光通過，而吸收了其他顏色的光，故呈現出來的顏色就是通過的色光的顏色。2.不透光的物質：蘋果、牆壁等不能使光線通過的物體，其表面被光線照射時，會吸收大部分色光，只讓某種色光反射，故呈現出的顏色是物體表面反射的色光的顏色。日光通過三稜鏡會分散出不同的顏色，像色散這樣連續排列的光稱為光譜。光，實際上就是所謂的電磁波。其中人眼可察覺的部分稱為可見光，包括紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等光。而人眼無法察覺的部分稱為不可見光，有紅外線、紫外線、無線電波、X光及其他的光。光譜 可 見 音頻 電波 紅外線 光 紫外線 x射線 r射線 頻率 104 1012 1015 1017 1020 頻率愈高能量愈高光譜中在可見光之外，最靠近紅光的，稱為紅外線。在餐廳中會使用發出紅外線的燈泡以保持食物的溫度。另外，藉助紅外線裝置，可在黑暗中進行照相或觀察事物。此外，耳溫槍也是紅外線的應用。光譜中在可見光之外，最靠近紫光的，稱為紫外線。醫院常用來殺菌消毒。人體皮膚吸收紫外線，會使皮膚細胞轉換成維生素 D， 有助於骨略及牙齒健康。但如果過度曝露於紫外線下，容易造成曬傷，甚至引起皮膚病變。雷射雷射光的性質 1.雷射光是單色光。 普通的光源產生的光通過三稜鏡後會產生色散現象，但雷射光不會，因為雷射是單一顏色的光。一般常見到雷射光都是紅光雷射，此外尚有其他顏色的雷射光，例如綠色、藍色。 2.雷射光束細而直。 夜晚時，以一般的手電筒照向遠處，光線會散開成錐狀，無法照射很遠。但若以市售的雷射光筆指向三、四十公尺外的物體，在物體表面上依然可清晰看到雷射光照射所產生的紅點。將雷射光向天空照射，即使傳播很遠的距離，依然看到光線是一細小光束直射向高空。 3.雷射光能