经典光学的建立.ppt

物理学史（第二版）History of Physics (Second Edition);第四章 经典光学发展; 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。 ; 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。;第四章 经典光学发展; 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;1 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。;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。; 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420×2=840的锥形MON。;2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：; 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。 ;3 笛卡儿的工作：;4 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。; 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。 ;第四章 经典光学发展;4.5 牛顿的色散研究; 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 ; 3. 牛顿的色散实验 ①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 6—7 米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。 ;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。 ; 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。; 他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不一样， 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。; 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。;牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念