高中物理：4.1《光的折射定律》素材 粤教版选修3-4

用心 爱心 专心 光学的进步和发展光学的进步和发展 光与人类的生产 生活联系十分紧密 光能引起人们的视觉 又是一种常见的自然现象 所以光学的起源可以追溯到二 三千年以前 在中国古代的 墨经 西方欧几里得的 反 射光学 阿拉伯学者写的 光学全书 中都有过对光学现象的介绍 但光学真正成为一种 学说应该是从十七世纪几何光学的初步发展开始 几何光学的最初发展就是源于天文学和解剖学的需要 因为光学仪器在天文学和解剖学 的研究中有着重要作用 在人们不断研究 制造光学仪器的过程中 几何光学形成了 几何 光学的基础是光的反射定律和光的折射定律 十七世纪初 德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要开始了对几何光学的 研究 1604 年他发表了一篇论文 对光的反射现象 光的折射现象及视觉现象作了初步的理 论解释 1611 年 他又出版了一部光学著作 其中记载了他的两个重要试验 比较入射角和 出射角的实验 圆柱玻璃试验 在书中 他对几何光学作了进一步的理论探讨 并提出了焦 点 光轴等几何光学概念 发现了全反射 继开普勒之后 荷兰物理学家和数学家斯涅尔对几何光学做出了系统的 数学的分析 斯涅尔通过实验与几何分析 最初发现了光的反射定律 另外 当他对光的反射现象进行系 统的试验观测和几何分析以后 他又提出了光的折射定律 但斯涅尔在世时并没有发表这一 成果 1626 年 他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表 不久后笛卡儿也推出了相同的结论 但他是把光的传播想象成球的传播 是用力学规律来解 释的 不是十分严密 1661 年 费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题 推出了 折射定律 得到了正确的结论 折射定律的确立 促进了几何光学的迅速发展 在早期光学的研究中 色散是另一个古老的课题 因为彩虹现象已经吸引人类多年 在 笛卡儿的 方法论 中 提到了作者早期的色散试验 但他没有观察到全部的色散现象 1648 年布拉格的马尔西成功的完成了光的色散试验 但他做出了错误的解释 牛顿在笛卡儿等人的著作中得到了启示 用三个棱镜重新作了光的色散试验 并在此试 验的基础上 对光的颜色总结出了几条规律 结论全面 论据充分 十七世纪 几何光学初 步形成便得到了蓬勃的发展 随着几何光学的发展 物理光学也随之逐渐发展起来 在人们对物理光学的研究过程中 光的本性问题是研究的焦点 波动说与微粒说的争论几乎贯穿近代物理光学研究的始终 波 粒之争从十七世纪初笛卡儿提出两点假说开始 至二十世纪初以波粒二象性告终 共经历了 用心 爱心 专心 三百多年的时间 物理学巨星牛顿 荷兰著名天文学家 物理学家和数学家惠更斯 英国物 理学家胡克 英国著名物理学家托马斯 杨等多位著名的科学家参与其中 双方争论得十分 激烈 理论发展十分迅速 简单的概括一下波粒之争的过程 波动说一方 格里马第是光的 波动说的提出者 波义耳和胡克是他的支持者 惠更斯继承并完善了胡克的观点 到十九世 纪初 以惠特曼为代表的认为光波是一种横向波的学说发展成为了以杨氏和菲涅耳为代表的 认为光波是一种纵向波的学说 微粒说一方 牛顿最初在他的论文文里用微粒说阐述了光的 颜色理论 后来提出了完整的微粒说理论 并得到牛顿派二百多年的支持 经过三个多世纪的研究 科学家们才得出了光具有波粒二象形的结论 这一结论的得出 经历了一个漫长而曲折的过程 与此同时 光学的其它发展既是他们研究的产物 又成为了 双方的论据 1809 年 马吕斯在试验中发现了光的偏振现象 1811 年 布吕斯特在研究光的偏振现 象时发现了光的偏振现象的经验定律 1887 年 赫兹发现了光电效应 二十世纪初 普朗克 和爱因斯坦提出了光的量子说 另外在光的波粒之争中 光速的测定曾给他们提供重要的依据 1607 年 伽利略进行了 最早的测量光速的实验 1676 年 丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法 1725 年 英国天文学家布莱德雷发现了恒星的 光行差 现象 他用地球公转的速度与光速的 比例估算出了太阳光到达地球需要 8 分 13 秒 这个数值较罗麦法测定的要精确一些 1849 年 法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速 1850 年 法国物理学家傅科改进 了菲索的方法 1928 年 卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速 1972 年 埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值 299792457 4 0 1 米 秒 除在波粒之争中 的作用之外 光速的测定本身在光学的研究历程中也有着重要的意义 牛顿的色散试验揭开了光谱研究的序幕 但当时牛顿并没有观察到光谱线 在以后的一 百多年里 这方面的科学研究并没有取得太大的进展 直到 1803 年 托马斯 杨进行光的干涉试验 第一次提供了测定波长的方法 其后 德国物理学家弗琅和费对太阳光谱作了认真的检验 并向慕尼黑科学院展示了他自己绘编的 太阳光谱图 另外他还发明了衍射光栅 此后 人们逐渐对光谱的性质重视起来 1859 年 基尔霍夫对光谱进行了深入的研究 他发现了物体吸收和发射本领之间的联 系 他和本生研究了各种火焰光谱和火花光谱 并在研究碱金属的光谱时发现了铯和铷 他 们发明了为光谱学的蓬勃发展打下坚实基础的光谱分析 发明了光谱的可见光部分 紫外部 用心 爱心 专心 分和红外部分的光谱学测量方法 随后 用光谱方法人们又发现了几种金属元素 光谱分析 对鉴定化学成分的巨大意义 使光谱研究工作迅速发展 1868 年 埃格斯特朗发表了 标准太阳光谱 记有上千条弗琅和费线的波长 数字十 分精确 为光谱工作者提供了极有价值的资料 1882 年 劳蓝德制作了一个具有很高分辨率 的光栅干涉仪和高分辨率的干涉分光镜 这是光学技术的伟大成就 在这一形势下 许多物理学家都试图寻求光谱的规律 1884 年 瑞士的一位中学数学教 师巴耳末报告了他发现的氢光谱公式 这个公式打开了光谱奥秘的大门 找到了翻译原子 密码 的依据 从此光谱规律陆续总结出来 原子光谱逐渐成为了一门系统的学科 1871 年 G J 斯坦尼第一次尝试用波长的倒数表示光谱线 并建议取名为波长 188