经典光学的建立课件

1、物理学史（第二版）History of Physics (Second Edition)郭奕玲 沈慧君 编著1第四章 经典光学发展 4.1 历史概述 4.2 反射定律和折射定律的建立 4.3 牛顿研究光的色散 4.4 光的微粒说和波动说 4.5 光速的测定 4.6 光谱的研究2 历史概述 光学的起源也和力学、热学一样，可以追溯到二三千年前。我国的墨经就记载了许多的光现象和成像规律，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等。 西方欧几里得（Euclid 公元前约330-前260）的反射光学就研究记载了光的反射。3 光学真正形成一门科学，应该是从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠

2、定了几何光学的基础。 关于光的本性，存在两种看法，也就是微粒说和波动说，这两种学说的争论构成了光学发展的一根主线。4第四章 经典光学发展 4.1 历史概述 4.2 反射定律和折射定律的建立 4.3 牛顿研究光的色散 4.4 光的微粒说和波动说 4.5 光速的测定 4.6 光谱的研究5 关于光的反射 我国古代很早就已经记载了大量与光有关的反射有关的现象和规律，在古希腊，比墨翟稍晚的柏拉图学派在讲授光的直线传播时，同时提到了入射角等于反射角的知识。可见光的反射定律早在公元前3世纪就已经发现61 开普勒的工作：1611年写了折光学一书，记载了两个实验。第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光LMN

3、斜射到器壁DBC上，BC边沿的影子投射到底座于HK；另一部分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内，阴影的边沿形成于IG。根据屏高和两阴影的长度和，就可算出立方体的入射角和出射角之比。4.3 折射定律的建立7第二个实验是：用一个圆柱型玻璃，令光线沿S1和S2入射，通过圆柱中心的光线S1方向不变，和圆柱边沿相切的光线S2偏折最大，并发现最大偏折角约为420。8 全反射的发现：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。 他是这样思考的： 令AB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420，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为4202=840的锥

4、形MON。他进一步设想：若有一束光从玻璃射向空气，当入射角大于420时，则到达O点后，将既不能进入空气，也不能进入MON锥形区域，必定反射为。92 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)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 10 1621年他从实验得到准确的折射定律 。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳发现，比值OS /OS恒为常数，并由此导出图中所示式子。 可惜他在世没有发表这一结果，直到1626年他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表113 笛卡儿的工作：笛卡儿在1637年出版方法论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，设想有一小

5、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，但平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数 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侧的光速的平行分量相等是错误的，为使理论与实验数据相符，必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。124 费马的工作： 笛卡儿的推导受到了他的同国人费马的批评。 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。 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

6、。13 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。14第四章 经典光学发展 4.1 历史概述 4.2 反射定律和折射定律的建立 4.3 牛顿研究光的色散 4.4 光的微粒说和波动说 4.5 光速的测定 4.6 光谱的研究154.5 牛顿的色散研究1.色散的早期研究：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、

7、笛卡尔、布拉格的马尔西等人先后都研究过彩虹现象。 16 牛顿对色散现象的思考 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： 如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？ 为什么水比水蒸汽更清晰？ 为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？ . 牛顿不满意前人（包括他的老师 巴罗）对光现象的解 解释，就自己动手做 起了一系列实验 17 3. 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

8、口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。18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。 19 如图在一张黑纸上画一条线abc，半边ab为红色，半边bc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，兰色部分比红色部分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。疑问：色散是不是由于阳光和棱镜作用的结果？牛顿又作了以下实验：20 他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放

9、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。21 可是实验结果是， 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，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。 这样也就证明了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。22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”，如下图所示。23

10、 他用两块各开一小孔的木板，并分别放于三棱镜两侧，光从S 处平行射入F后，经棱镜折射穿过小孔G，到达另一块木版de上，投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后，抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块木板上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。 实验结果是：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。 结论：白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。24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。2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。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

11、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.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。7.把光看成实体有充分依据。8.由此可解释棱镜色散现象和彩虹的形成。25 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，

12、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。26第四章 经典光学发展 4.1 历史概述 4.2 反射定律和折射定律的建立 4.3 牛顿研究光的色散 4.4 光的微粒说和波动说 4.5 光速的测定 4.6 光谱的研究271 光的微粒说： 波动说最早由笛卡儿首先提出，后来牛顿发展了微粒说，并和波动说展开了长期的争斗。 微粒说认为：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，

13、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。 微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。 缺陷：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，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。282 早期的波动说 胡克：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：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。29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

14、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。1690年惠更斯论光一书出版。30 托马斯杨杨氏双缝干涉实验 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。 托马斯杨311801 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

15、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。” 32杨氏双缝干涉实验图33 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。在 1807 年托马斯杨的论文中描述了他的双缝实验，他写道： “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

16、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。”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。 34 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

17、点。35菲涅耳的贡献 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361817 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。”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

18、一不相干性正可作为杨氏假说的极好佐证。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。37 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。38 在评审菲涅耳的论文

19、时，法国数学物理学家泊松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。可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，这一事实轰动了巴黎的法国科学院。 菲涅尔获得科学奖，后人却喜剧般的称这个亮点为泊松亮点393 光的波粒二相性 1887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占据了上

20、风。 直到1921年，德布罗意提出了光的波粒二相性理论。才暂时平息了关于光本性的争论。40第四章 经典光学发展 4.1 历史概述 4.2 反射定律和折射定律的建立 4.3 牛顿研究光的色散 4.4 光的微粒说和波动说 4.5 光速的测定 4.6 光谱的研究41光 速 的 测 定1. 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。 1607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去除间距，来测光速，但误差较大。422 天文学方法 由木卫

21、蚀测量光速 由丹麦人奥罗斯罗默(1644-1710)于1675年提出。木星有13个卫星，I0（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约42小时28分16秒，因此在地球上看I0蚀也应是42小时28分16秒一次，但他在观测木卫I0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，他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。43 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，

22、卫蚀不迟不早，正好推迟十分钟。1676惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：214000千米/秒。 现代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒，44 由光行差测量光速 17251728年间，英国天文学家布拉德雷（Bradley) 在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在绕椭圆轨道运行一周他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化。45 如右图，若当地球(人)从B点运动到A点时，恒星发出的光线从C点传播到A，则光速和地球的公转速度之比为：由此测得光速为：C=299930千米/

23、秒461849年，法国人斐索28次（1819-1896）用齿轮旋转法测得光速的平均值为3.15108米/秒。他是第一个首次证明光速可以在实验中测得的人。另外，法国人傅科、美国人纽克姆等都对光速测定做过贡献。光 速 的 测 定3. 光速的地面测定方法47 旋转齿轮法： 1849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，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，说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。再根据齿轮 的转速即可算出光速。菲索测得的光速是315000千米/秒。由于

24、齿轮有一定的宽度，用这种方法很难精确的测出光速。48 傅科的旋转平面镜法 1850年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜法来比较光速，得出结论：水中的光速比空气中的慢。1862年，他改进了装置，如下图所示，所测光的速度为298000500千米/秒。49阿尔伯特迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：光 速 的 测 定 迈克尔逊从1879年开始对光速进行了长达50年的测量工作，基本上沿用了傅科的方法，后来将斐索的齿轮法和傅科的转镜法相结合，创立了棱镜旋转法。 棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。50 转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源S发出

25、的光射到转镜面R上，经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是t=2D/c。在t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 528转/秒时，在t时间里正好转过1/8圈。返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像。 用这种方法得到c=2997964公里秒。 1907年，阿尔伯特迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家。51光速测量一览表52 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。53 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