[理学]光学的发展.ppt

第五讲 光学的发展 这50年的沉思，并没有使我更接近于什么是光量子“光子”这个问题的解决。 ——爱因斯坦1955年临终前不久的话 人类对光学的研究早在两三千年前就初见端倪。 《墨经》中的光学 在《墨经》中还记载了丰富的几何光学知识。墨子在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果做出了精辟的见解。 在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开 一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋 里相对的墙上就会出现一个倒立的人 影。为什么会这样呢？ 《墨经》中写道： “景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。” 这句话的意思是：因为光线像射箭一样，是直线行进的。人体下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成倒立的影。这是对光沿直线传播的第一次科学解释。 《墨经》中还利用光的直线传播原理解释了物体和投影的关系。 墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在飞动着。实际上并不然。 墨家指出飞鸟遮住了直线前进的光线，形成了影子。一瞬间后，飞鸟移动了位置，原来光线照不到的地方，现在照到了，旧影就消失了，而在新的地方，出现了新的影子。这就是说，鸟在飞翔中，它的影子并不跟着移动，而是新旧投影不断更新。在两千多年前，能这样深入细致的研究光的性质，解释影的动和不动的关系，是非常不容易的。 古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就。在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。 光学学科的形成是从17世纪开始的。 这一讲主要围绕对光的本性的认识展开。首先介绍牛顿在光学上的贡献和他的微粒说，包括牛顿的研究方法。重点放在对光的波动说和光的波粒二象性的介绍。同时介绍一些常见的，有关波传播的物理效应以及光学的一个突破性进展——激光的发明极其应用。 §5.1 光的微粒说 一、牛顿对光的色散的研究 早在剑桥大学高年级时，通过三棱镜实验研究太阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为 光谱学的研究和发展开辟了 道路，被美国《物理学世界》 评为历史上“最美丽的十大物 理实验”之一。 牛顿在《光学》一书中调调了自己从实验观察出发，进行归纳综合的研究方法，他说： “在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。这样的分析方法包括做实验和观察，用归纳法得出普遍结论，并且不使这些结论遭到非议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理。” 二、牛顿的微粒说 牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。 牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的？ 基于光的直线传播和他的自然哲学思想，牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质点”，研究化学时，他相信“原子说”；加上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也是很自然的。 在用微粒说解释光的折射时，他又用了机械论观点。他假定速度为光速的微粒进入介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力，获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度与原来的速度相加的结果，合速度的方向向界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了合速度的大小将大于空气中的光速c。可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验能对此进行判断。 为什么光的微粒说能统治一百多年？ 一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。 值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。 §5.2 光的波动说 一、惠更斯的波动说 波面：波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称为波面。 波前：最前面的一个波面称为波前。 惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法