物理学史-第四章光学建立与发展课件

1、光学的发展史五个时期：1、萌芽时期：1600年以前2、几何光学时期：1718世纪折射定律、色散、望远镜、显微镜、微粒说3、波动光学时期：18001905年波动说4、量子光学时期：19世纪末-20世纪中叶波粒二象性5、现代光学时期：20世纪50年代以来激光物理学史第四章光学建立与发展光学的发展史五个时期：物理学史第四章光学建立与发展第四章 经典光学的建立 1.几何光学 2.光的波动说和微粒说 3.光速的测定 4.光谱的研究（略） 附：激光器的发明（略）与全息术物理学史第四章光学建立与发展第四章 经典光学的建立 1.几何光学物理学史第四章一.早期光学二.折射定律的建立三.光学仪器的研制四.牛顿对光

2、的色散的研究1.几何光学物理学史第四章光学建立与发展一.早期光学1.几何光学物理学史第四章光学建立与发展几何光学的建立和发展光学是物理学众多学科中最古老的学科之一。在古代，人们除了认识到光的直线传播、反射定律和不完全的折射定律外，对光学知识再没有什么深入的认识。近代光学史是从十七世纪初开普勒的光学研究开始的，以望远镜和显微镜的发明为转折而发展起来。物理学史第四章光学建立与发展几何光学的建立和发展光学是物理学众多学科中最古老的学科之一。一.早期光学物理学史第四章光学建立与发展一.早期光学物理学史第四章光学建立与发展欧几里得光的反射物理学史第四章光学建立与发展欧几里得光的反射物理学史第四章光学建立

3、与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展阿勒.哈增光的折射物理学史第四章光学建立与发展阿勒.哈增光的折射物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展西奥多里克彩虹现象物理学史第四章光学建立与发展西奥多里克彩虹现象物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展达芬奇针孔照相机物理学史第四章光学建立与发展达芬奇针孔照相机物理学史第四章光学建立与发展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。17

4、世纪，望远镜和显微镜的应用大大促进了几何光学的发展。二 折射定律的建立物理学史第四章光学建立与发展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1 开普勒的工作：1611年写了折光学，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BE和两阴影的长度EH和EG，就可算出立方体的入射角和出射角之比。物理学史第四章光学建立与发展1 开普勒的工作：1611年写了折光学，记载了两个实验。第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿S1和S2入射，通过

5、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。物理学史第四章光学建立与发展第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿S1和S2入射，通过 全反射的发现： 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的锥形MON。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。利用光线是可逆的可推出：物理学史第四章光学建立与发展 全反射的发现：若有一束光从玻璃射向空气，当入射角大于42 斯涅耳(W.Snell,

6、1591-1626)的工作： 荷兰人，1621年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。物理学史第四章光学建立与发展2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作： 3 笛卡儿的工作：物理学史第四章光学建立与发展3 笛卡儿的工作：物理学史第四章光学建立与发展4 费马的工作： 1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：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。物理学史第四章光学建立与发展4 费马的工作：同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜。2.160

7、8年，荷兰人李普塞（Hans Lippershey)制成第一台望远镜:凸透镜作物镜，凹透镜作目镜3.伽利略改进成放大32倍，随后又制成放大1000倍的望远镜。三.光学仪器的研制物理学史第四章光学建立与发展1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜。三.光学仪器5.1668年，牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜。反射式望远镜可以避免因透镜折射引起的像差4.1611年开普勒设计了用两个凸透镜构成的天文望远镜，即开普勒望远镜。 第一台开普勒望远镜由天文学家沙伊纳于16131617年制造。物理学史第四章光学建立与发展5.1668年，牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜。反射6.几乎与望远镜同

8、时，荷兰人詹森(Janssen)发明制造了显微镜。7.1665年，胡克出版显微图象，并制造了一个带聚光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用一球形聚光器来照亮待观察的物体。胡克用显微镜观察软木结构，发现了细胞组织，成为用显微镜研究生物学的先驱物理学史第四章光学建立与发展6.几乎与望远镜同时，荷兰人詹森(Janssen)发明制造了四 牛顿的色散研究1、牛顿之前（1）笛卡尔的研究物理学史第四章光学建立与发展四 牛顿的色散研究1、牛顿之前（1）笛卡尔的研究物理学史（2）马尔西的研究物理学史第四章光学建立与发展（2）马尔西的研究物理学史第四章光学建立与发展（3）胡克和玻意耳的研究胡克玻意耳物理

9、学史第四章光学建立与发展（3）胡克和玻意耳的研究胡克玻意耳物理学史第四章光学建立2.牛顿的色散实验物理学史第四章光学建立与发展2.牛顿的色散实验物理学史第四章光学建立与发展目的：证明红色和蓝色的光确实具有不同的折射性能。 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： 色散是不是由于光和棱镜相互作用，或是由于其他原因？比如：由于棱镜的不平或其他偶然的不规则性？牛顿又作了以下实验：物理学史第四章光学建立与发展目的：证明红色和蓝色的光确实具有不同的折射性能

10、。疑问：物理目的：排除棱镜不平等因素造成的颜色的分散他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。物理学史第四章光学建立与发展目的：排除棱镜不平等因素造成的颜色的分散物理学史第四章判决性实验 他用两块木版各开一小孔F和G，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，这样第二块木版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

11、：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。物理学史第四章光学建立与发展判决性实验物理学史第四章光学建立与发展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岸适当比例混合而成。6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射的缘故。7.把光看成实体有充分依据。

12、8.由此可解释棱镜色散和虹。在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：物理学史第四章光学建立与发展1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。在色物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展一.光的早期微粒说二.光的早期波动说三.波动说的复兴四.光应具有波粒二相性2.光的波动说和微粒说物理学史第四章光学建立与发展一.光的早期微粒说2.光的波动说和微粒说物理学史第四章一 光的微粒说： 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，就引起了视觉。 微粒说还认为，

13、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。物理学史第四章光学建立与发展一 光的微粒说：物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展二 早期的波动说1.光的波动说最初是由意大利人格里马第(F. M. Grimaldi，1618-1663）提出的。在他死后不久（1665 年）出版的著作发光、颜色和虹彩的物理数学中，记录了衍射现象的发现，并提出光是一种作波状运动的流体的猜测。2.胡克：胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。3

14、.惠更斯：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。物理学史第四章光学建立与发展二 早期的波动说物理学史第四章光学建立与发展 惠更斯 (Christian Huygens， 1629-1695) ：荷兰物理学家、天文学家、数学家。1629年出生于海牙，1655年获得法学博士学位，1663年成为伦敦皇家学会的第一位外国会员。他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱，是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。物理学史第四章光学建立与发展 惠更斯

15、(Christian Huygens， 162物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展 由于波动说缺乏数学的严密性，理论尚未完善纵波观点和未考虑波面上各点之间的相互干涉，再加上牛顿力学节节胜利，以符合力学规律的粒子行为来描述光学规象被认为是惟一合理的理论。18 世纪微粒说占了上风。物理学史第四章光学建立与发展 由于波动说缺乏数学的严密性，理论尚未完善纵波观点和未三 波动说的复兴19世纪初光的波动说迎来了复兴的春天，这首先归功于英国科学家托马斯 杨（T. Young，1773-1829）。 托马斯 杨(Thomas Young, 17731829 ) 英国物理学家、考古学家（曾破

16、译了古埃及石碑上的文字）、医生。光的波动说的奠基人之一。1773年6月13日生于米菲尔顿，自幼天资过人，两岁就学会了看书，4岁时就已将圣经通读了两遍。曾在伦敦大学、爱丁堡大学和格丁根大学学习，伦敦皇家学会会员，巴黎科学院院士。1829年5月10日在伦敦逝世。物理学史第四章光学建立与发展三 波动说的复兴19世纪初光的波动说迎来了复兴的春天，这首先1. 托马斯杨的研究物理学史第四章光学建立与发展1. 托马斯杨的研究物理学史第四章光学建立与发展杨声明，相干叠加的两束光必须是发自同一光源杨氏双缝实验物理学史第四章光学建立与发展杨声明，相干叠加的两束光必须是发自同一光源杨氏双缝实验物理学2. 菲涅耳的衍

17、射理论 菲涅耳 （Augustin-Jean Fresnel 1788-1827）是法国物理学家和铁路工程师。 1788年5月10日生于诺曼底省，1806年毕业于巴黎工艺学院，1809年又毕业于巴黎桥梁与公路学校。1923年当选为法国科学院院士，1825年被选为英国皇家学会会员。1827年7月14日因肺病医治无效而逝世，终年仅39岁。 菲涅耳具有卓越的数学才能，他随后考虑把波动的周期性相位变化同惠更斯原理结合起来，并用解析的形式进行精确的表达。他考虑的是，在给定时刻，从任何部位传到指定地点的所有振动的叠加。这就是所谓的惠更斯-菲涅耳原理。应用该原理，菲涅耳对衍射问题进行了精确的计算。物理学史第

18、四章光学建立与发展2. 菲涅耳的衍射理论 菲涅耳 （Augustin-J1821 到1822年，菲涅耳公开提出了光的横波理论物理学史第四章光学建立与发展1821 到1822年，菲涅耳公开提出了光的横波理论物理学史3. 光速的测定 关于光是否以有限的速度传播，在伽利略以前的人们一直有不同的看法。伽利略第一个坚持光速有限且可以测定。1607年,他和他的助手曾分别站在两个山头上，用灯闪光方法测定光速，但实验没有成功。 光速是物理学中最重要的基本常数之一，在光学和物理学的发展历史上，光速的测定，一直是许多科学家为之探索的课题。许多光速测量方法那巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究。一

19、、 伽利略测量光速的方法物理学史第四章光学建立与发展3. 光速的测定 关于光是否以有限的速度传播，在伽二.天文学方法1.罗末由木卫蚀测量光速 由丹麦人奥罗斯罗末(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； 惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：214000千米/秒。 现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒，物理学史第四章光学建立与发展二.天文学方法物理学史第四

20、章光学建立与发展利用木星蚀测量光速图：意义：揭示了光的传播需要时间，即光速有限。物理学史第四章光学建立与发展利用木星蚀测量光速图：意义：揭示了光的传播需要时间，即光速有2.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。物理学史第四章光学建立与发展2.由光行差测量光速 17251728年间， 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

21、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/秒物理学史第四章光学建立与发展 如右图，若当地球(人)从B点运动到A点时，恒1849年，法国人菲索（1819-1896）用齿轮旋转法测得光速为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。三. 光速的地面测定方法物理学史第四章光学建立与发展1849年，法国人菲索（1819-1896）用齿轮旋转法测得 在地面上首先成功测出光速的是法国物理学家斐索（A. Fizeau，1819-1896）。他于1849年创造了旋转齿轮法，即巧妙地利用旋转齿轮作为遮光测时

22、设备，确定光传播时间，再通过光程计算光速。1、 斐索的旋转齿轮法物理学史第四章光学建立与发展 在地面上首先成功测出光速的是法国物理学家斐索（A. F他的实验数据为：L（齿轮和平面镜间的距离）= 8.633 公里，N（齿轮齿数）=720，Z（齿轮转数）=12.67/秒。利用公式c=2L/t，t=1/2NZ，则可算出c=315014公里/秒。考虑到他所利用仪器的局限，这个结果已经相当精确了。 物理学史第四章光学建立与发展他的实验数据为：物理学史第四章光学建立与发展 1850 年，斐索的朋友和合作者傅科（J. L. Foucault，1819-1868）设计了测量光速的另一种方法：“转动平面镜方法”

23、。傅科使用快速旋转的镜片替代了斐索的齿轮，快速旋转的镜片会使出射光线偏转一个角度，1862年傅科的测量结果是29.8万公里/秒。2、 傅科的旋转平面镜法物理学史第四章光学建立与发展 1850 年，斐索的朋友和合作者傅科（J. L. Fo 后人对光速的测定大多基于傅科的方法，并不断有所改进，使得测定的光速值的准确度越来越高。最著名的是美国著名物理学家迈克耳逊（A. A. Michelson，1852-1931）。从1879年至1926 年，他从事测定光速50年不间断，对实验设备和技术作了很大的改进，在傅科设计的基础上创设了旋转棱镜法，即用一个正八面钢质棱镜代替了转动平面镜，延长了光路，减小了误差

24、。1926 年他发表的最后一个测定值为：C=299796 公里/秒。这是当时最精确的数值，同傅科的最初结果相比，精确度提高了100 倍。3、 迈克耳逊的旋转棱镜法物理学史第四章光学建立与发展 后人对光速的测定大多基于傅科的方法，并不断有所改进，使 假设镜子不转动，并且处在如图的位置，光恰好可以被观察者看到。当多面镜旋转起来，并且旋转速度不快时，多面镜将不能使光束被反射到观察者的眼睛里。逐渐加快多面镜旋转速度，并恰好当入射光线返回时，使相邻镜面处于前一个镜面原先的位置时，即多面镜转了1/8圈时，观察者将可重新看到被反射的光束。 迈克尔逊1926年的测量结果是299796公里/秒，误差不超过4公里

25、/秒。这是当时的最佳结果。 物理学史第四章光学建立与发展 假设镜子不转动，并且处在如图的位置，光恰好可以被观察者4 其他方法-试验室方法克尔盒法：克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。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。微波谐振腔法：1950年埃文森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速激光测速法：1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速 等等。物理学史第四章光学建立与发展4 其他方法-试验室方法物理学史第四章光学建立与发光速测量一览表物理学史第四章光学建立与发展光速测量一览表物理学史第四章光学建立与发展4. 光谱的研究（略） 1665年

26、，牛顿进行太阳光的实验，它用三棱镜把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布光谱。牛顿的发现不仅为颜色理论奠定了基础，而且为光谱学的发展开辟了道路。不过牛顿没有观测到光谱谱线，因为他当时不是用狭缝，而是用圆孔作光阑，再加上他使用的棱镜的分辨本领很低。(一) 光谱的观测物理学史第四章光学建立与发展4. 光谱的研究（略） 1665年，牛顿进行太阳光的实 1748-1749 年间，英国人梅耳维尔（T. Melvill）用棱镜观察了多种材料的火焰光谱，其中包括钠的黄线。但他的论文一直被忽视，没有引起人们的重视。 1802 年英国化学家沃拉斯顿（W. H. Wollasto

27、n, 1766-1828）研究了通过细长狭缝的太阳光的光谱，发现它被几条暗线所分开。他首次观察到了太阳光谱的不连续性，但误以为那些暗线是颜色的分界线。后来他又研究了火焰的光谱，发现它由五条亮线组成。他的这些发现并未引起人们的注意，他自己也没有进一步去追究。 线光谱的研究基础是由德国物理学家夫琅和费（J. Fraunhofer，1787-1826）奠定的。1815年，通过纵向狭缝的太阳光射入火石玻璃三棱镜，用小望远镜对它进行观察，他发现光谱被若干条暗线所分开，并对其中8条特别显著的暗线以A、B、.H 等字母命名（人称夫琅和费线）。这些暗线后来成为比较不同玻璃材料色散率的标准，为光谱的精确测量提供

28、了基础。 物理学史第四章光学建立与发展 1748-1749 年间，英国人梅耳维尔（T. Mel 赫歇耳生前考察了几种物质的明线光谱，并在1823 年出版的著作论光中指出：每种化学元素只要能变成炙热的气体，就能产生自己独有的线状光谱，利用这些谱线就可以检验某种金属元素的存在。 把光谱分析系统、完善、透彻的是德国物理学家基尔霍夫（G. R. Kirchhoff，1824-1887）。1859-1862 年期间，他对光谱的吸收和发射之间的关系作了深入的研究。 基尔霍夫的这一结果，引起他在两个方向上作深入的研究。一方面是对光谱反转作理论上的说明，提出了基尔霍夫辐射定律，接下去发展到量子论的诞生。另一方

29、面，他根据这一理论说明作出结论：太阳光谱中的暗线只不过是表示，发出与此暗线同样波长的亮线的物质的温度较低的蒸汽包围着温度较高的太阳本体。他断定在太阳大气中存在有钠、镁、铜、锌、钡、镍。这个结论宣告了天文学的新纪元天体物理学的诞生。(二) 光谱分析的创立物理学史第四章光学建立与发展 赫歇耳生前考察了几种物质的明线光谱，并在1823 年出 基尔霍夫和本生（R. W. Bunsen）合作，把光谱分析法应用于化学分析，发现了铯（1860年）和铷（1861 年）。克鲁克斯（W. Crookes）发现了铊，里奇发现了铟（1863 年），波依斯邦德朗发现了镓（1875 年），他们用的都是光谱分析法。物理学史

30、第四章光学建立与发展 基尔霍夫和本生（R. W. Bunsen）合作，把光谱附： 激光器的发明（略）和全息术一、激光器的发明（略）物理学史第四章光学建立与发展附： 激光器的发明（略）和全息术一、激光器的发明（略）物理学物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展物理学史第四章光学建立与发展二、全息术的发明与应用物理学史第四章光学建立与发展二、全息术的发明与应用物理学史第四章光学建立与发展Holograghy(全息术)：词根“Holo”来源于希腊语，意为“完全”，“全部”；“Graphy”意为记录方法。意思是“记录物体全部信息的