科学技术史（第2版） 第二篇 课件 第十五章 考察光现象

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对折射、反射、绕射、干涉的研究

波动说与微粒说波动说的胜利

测定光速红外线、紫外线和夫琅合费暗线

多普勒效应寻找“以太”对折射、反射、绕射、干涉的研究光是光子的运动。它是光源中原子或分子中的电子运动状态发生变化时辐射出来的能量。开普勒最早开始全面研究光。他发现，点光源发出光的强度随着被照物体与光源距离的平方成反比减弱。1618年，荷兰人斯涅尔发现了光的折射定律：光在经过两种介质的界面发生折射时，折射光线与入射光线在同一法面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于第二种介质对第一种介质的相对折射率。开普勒波动说与微粒说荷兰人惠更斯在波动光学上贡献最大，提出了惠更斯原理——介质中波动传播到的各点都可被看作发射子波的波源，任意时刻这些子波的包络就是新的波面。他发明过航海钟、望远镜，并用自制的望远镜在伽利略逝世13年后发现了土星的光环。他在研究钟摆时发现了向心加速度定律。惠更斯在年老时读到牛顿的《自然哲学的数学原理》，立即洞悉了这本书的要旨。惠更斯牛顿在光学方面也是成果累累。他几乎总结了当时光学的所有成果——反射、折射、干涉和颜色。牛顿的光学研究成果反映在他的《光学》一书中。在大多数情况下，他似乎把光看成光源向各个方向阵阵簇射出来的粒子流，它们在以太介质中激起振动，有的被加速，有的被减速，到介质界面时被分开，产生折射、反射现象。按照牛顿的微粒说，被折射的光微粒，其速度增大后偏向法线，光在水中的速度应大于光在空气中的速度。但后来人们测出了与此相反的结果。牛顿波动说的胜利1802年，英国人托马斯·杨让一束光从相距很近的两个小孔通过，射到屏幕上，出现了明暗相间的条纹。他认为，这是同一束光干涉的结果，而干涉是波动的特性。另外，他还以此解释了薄膜干涉现象。1807年，法国人马吕斯发现了光的偏振现象，而偏振是横波的特性，不是纵波的特性。1811年，万花筒的发明者、英国人布儒斯特发现了两个晶轴都不产生双折射的双轴晶体，这也是当时很难解释的现象。托马斯·杨让1817年，托马斯·杨提出，光也可能是像水波那样的横波。1818年，法国物理学家菲涅尔受托马斯·杨的启发，用波动说解释了光的衍射、干涉和偏振现象，还设计了著名的双镜实验，计算了反射光束产生的干涉现象。1819年，他和另一个法国人阿拉戈又发现了偏振方向互相垂直的两条光线互不干涉的现象。从此，光的波动说复活了。洛埃所做的实验证实，从光疏物质进入光密物质时，反射光会发生半波损失，这是对波动说的又一个支持。法国物理学家菲涅尔测定光速天文学家勒麦通过对木星及其卫星运行的观察，大胆假设光速是有限的，并且利用地、日和木星及其卫星的关系，首次测算了光速。他所测的值为193120千米/秒。1725年，格林尼治天文台台长布拉德雷在寻找恒星视差时发现了光行差现象，这一发现支持了勒麦的光以有限速度传播的假设。在勒麦测定光速之后，法国人菲索和傅科各自独立地测定了光速。测试光速红外线、紫外线和夫琅合费暗线1800年，天文学家赫歇耳发现，在太阳光谱线的红外端以下所放的温度计明显受到了热辐射，从而发现了红外线。英国人沃拉斯顿和德国人缪勒先后发现了紫外线。意大利人梅伦尼、德国人诺布劳赫和英国人丁铎尔等研究了红外线同可见光之间相同和不同的性质。1814年，德国人夫琅合费用他制成的分光镜发现了太阳光谱中的暗线——夫琅合费暗线。当他把分光镜对准月球、金星和火星时，在这些星的光谱里也发现了那些暗线。这一研究开创了天体分光学。约瑟夫·冯·夫琅和费基尔霍夫和本生对这些暗线的研究和解释表明，它们同太阳上的元素成分有关。这一发现开始从化学上证明，天体和地球是由同类元素构成的。基尔霍夫和本生合作时，利用了本生发明的本生灯，它能通过化学作用蒸发出一些特殊元素，让其单独发光。另外，他们还研制了分光镜，分析了不同元素的不同光谱，并从矿泉水中发现了金属铯和铷。基尔霍夫多普勒效应奥地利布拉格实业学校的数学教授多普勒在研究声学时发现：声源相对于接收者运动时，接收者接收到的声音频率和声源的频率是不相同的。这一现象被称为多普勒效应，它由英国皇家气象学院的巴洛特在实验中进一步证实。根据多普勒效应，火车进站时汽笛声比实际声调高，离站时则比实际声调低。1842年，多普勒在沿这一思路研究光学时提醒人们注意：发光体的颜色可能正如发声体的声调一样，随物体和观察者的来去运动而变化。多普勒寻找“以太”近代以来人们认识到，机械波（声波、水波）的传播是需要介质的。因此，光——无论是纵波还是横波，它的传播也需要介质。这种介质是什么呢？是“以太”。“以太”被想象为充斥整个宇宙并只在其所在位置做微小振动的静止物质，它可能是所有运动的唯一静止的参考系。根据这一信念，在德国和法国接受了光学教育的美国人迈克尔逊，1881年设计了著名的迈克尔逊实验。1887年，迈克尔逊和莫雷改进了实验装置，考虑了地球的绕日公转，在一年四季重复实验。迈克尔逊-莫雷实验这一实验的结果没有找到绝对静止的“以太”坐标系。爱尔兰人斐兹杰惹和荷兰人洛仑兹提出了大胆的设想：由于物体是由含阴电和阳电的粒子组成的，在斥力和引力的作用下保持一定距离。实际上，洛仑兹变换的理论触角已进入一个新的科学领域，在这里，牛顿的绝对时间观念被动摇了。但洛仑兹却为此感到遗憾，因为完美的经典物理学受到了他自己还无法解释的变换式子的破坏。洛仑兹小

结开普勒研究光的折射现象，斯涅尔发现光的折射定律。格拉马蒂发现光的绕射现象和薄膜干涉现象。惠更斯认为光是以球面波形式传播的，介质是“以太”。根据惠更斯原理，可用几何方法证明光和波的反射与折射。牛顿用棱镜分解太阳光，发现牛顿环，并解释了牛顿环和薄膜干涉；他倾向于把光看成粒子流。托马斯·杨的小孔实验支持波动说，认为光是横波。思

考

题1、列出对近代光学有贡献的几位科学家，叙述其主要成就。2、什么是光的微粒说？什么是光的波动说？3、夫琅合费、基尔霍夫、本生等人在光谱研究方面有何贡献？4、什么是多普勒效应？5、了解迈克尔逊莫雷实验的结果及意义。延

伸

阅

读1、［荷兰］克里斯蒂安·