[理学]光学的发展.ppt

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[理学]光学的发展

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

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