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1、物理学史讲稿光学第1页，本讲稿共55页萌芽时期 v从我国春秋战国的墨翟（公元前468376）开始直到以后的二千年之间，可谓光学的萌芽时期。它是光学发展史上缓慢前进的年代。在这一时期中，一方面对光的直线传播、反射和折射现象进行了实验和观察；另一方面，由于生产和生活的需要，发明了透镜、凹面镜，并应用于实际。第2页，本讲稿共55页萌芽时期v最早且有据可查的是我国春秋战国时期的墨翟及其弟子的工作。v欧几里德（古希腊，公元前330275）也提出了光的直线传播性，他在光学一书中写道：“我们假想光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上
2、的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了”。第3页，本讲稿共55页萌芽时期v公元二世纪，托勒密（希腊人，公元70147）研究了折射现象，写了光学一书，书中记载光由空气进入水中的入射角和折射角，得出一系列数据。他认为折射角和入射角成正比。v阿尔一哈金（阿拉伯人，公元 9651038）首先发明了凸透镜，并对它进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。第4页，本讲稿共55页萌芽时期v1299年，阿玛蒂（十三世纪）发明了眼镜。因此到15世纪和16世纪纪，凹面镜，凸面镜，眼镜，透镜等光学元件已相继出现。v我国宋代的沈括（10311095）在梦溪笔谈中，记载了极为丰富的几何光学知识。v我国
3、元代的自然科学家赵友钦（12791368）著有革象新书，书中记有“小罅光景”的大型光学实验，其中讨论了物体表面照度与光源发光强度以及距离之间的关系。第5页，本讲稿共55页几何光学时期 v从时间上来看，大约包括十七、十八两个世纪，这是光学的转折时期。在这期间建立了光的反射定律和折射定律，为几何光学奠定了基础。同时为了扩大人眼的观察能力，出现了一些光学仪器。v如李普塞（荷兰人，15871619）所制作的第一架望远镜的诞生、促进了天文学和航海事业的发展，延森（15881632）和冯特纳（15801656）最早制作了复合显微镜，为生物学的研究提供了强有力的工具。第6页，本讲稿共55页几何光学时期v16
4、09年，伽里略（意大利人，15641642）制造了用凸透镜做物镜，用凹透镜做目镜的伽里略望远镜。他的不朽的功勋之一是第一个把望远镜指向天空，当时的目的是为了证实哥白尼（波兰人。14731543）的日心说。v开普勒（德国人，15711630）汇集前人的光学知识，于1611年发表了屈光学一书。书中记载：他研究了折射现象，断定托勒密关于折射定现的结论并不正确，第7页，本讲稿共55页折射定律的建立 v有两个创始人，一个是荷兰数学家斯涅耳（荷兰人，15911626），斯涅耳于 1621年，从实际测量中抽象出这一定律，这一定律的表述是在斯涅耳去世后，于1626年在他的遣稿中找到的。v另一个是苗卡儿（法国人
5、，15961650），笛卡儿虽然倾向于光的波动说，但在解释光的折射时，又把光看作由无数小球组成。因此，他是从光的微粒观念中推导出折射定律的。在1637年出版的折光学一书中，他第一个正式公布具有现代形式的折射定律，把余割之比换成了正弦之比。第8页，本讲稿共55页几何光学时期v费马（法国人，1601一1665）在1657年，首先指出光在介质中传播时，所走路程取极值的原理，并根据这个原理，推导出光的反射定律和折射定律。v到十七世纪中叶，已经建立了光的反射和折射定律，从而奠定了几何光学的基础。v以上理论是从光的直线传播作为基础的，但在实际观察中也存在违背这一原则的现象。如格里马（意大利人，161816
6、63）等人首先观察到衍射现象。第9页，本讲稿共55页几何光学时期v胡克（英国人，16351703）也观察到了衍射现象，并和玻义耳（英国人，16271691）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。以上这些都是波动光学的萌芽。v到了十七世纪后半叶，牛顿（英国人，16431727）和惠更斯（荷兰人，1629一1695）等对光的研究，才真正把光学引上了发展的道路。第10页，本讲稿共55页牛顿光学上的伟大贡献v在1704年出版的光学-论光的反射、折射、弯曲和颜色一书中，书中描述了他所做过的实验和所得出的结论。v首先，他为了改善望远镜头而磨制三棱镜，从而发现了色散现象。证明了白光是由各种色光复合而成的。第
7、11页，本讲稿共55页几何光学时期v牛顿的另一个实验是这样进行的，他用一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成兰色，把它放在窗户边，通过一块玻璃棱镜来观察它。他发现：“如果把棱镜的折射棱角朝上，使纸板由于折射看起来好象是被抬高了。那么折射的结果使兰色半边比红色半边升得更高。但是当棱镜的棱角朝下，使纸板由于折射看起来好象是被放低了，兰的半边就比红的半边降得更低了。”根据以上实验，牛顿断定兰光折射得比红光更厉害些，并得出透镜聚光时，兰光和红光一定是聚集在离透镜不同的距离上。第12页，本讲稿共55页亚里士多德（希腊,公元前384一322）v认为白色阳光通过美丽的古老大教堂的彩色玻璃窗之后变得五颜六色，
8、好象白衣服放入不同染料的溶液中被染了色一样，是光把透明介质物体的可见性变成了现实。认为颜色是人们主观的感觉，一切颜色都是光明与黑暗，白与黑按光的比例混合的结果。第13页，本讲稿共55页几何光学时期v不同颜色的光线具有不同的折射本领，被牛顿用来解释虹的成因。v牛顿根据实验结果，也提出了错误的看法，他断定透镜成象存在根本的缺点，即不能形成清晰的物象。v但是必须指出，牛顿的前提是错误的，他的错误在于他认为不同的透明物质是从相同的方式折射不同颜色的光线的。第14页，本讲稿共55页几何光学时期v牛顿在光学中另一项精彩的发现是牛顿环。v牛顿环是光具有波动性的最好证明之一，也说明了光的周期性。但是，因为牛顿
9、在关于光的本性的讨论中倾向于微粒说，所以他不可能对光的以上性质加以进一步的探讨。v牛顿的高明之处是：他不仅详细地定性的描述了实验现象，而是进一步作了定量的测量。第15页，本讲稿共55页惠更斯的贡献v和牛顿同时代的惠更斯，他主张光的波动说，认为光是在“以太”中传播的波。v提出次波原理：惠更斯原理。v惠更斯原理虽然能够解释不少光学现象，但他的波动说是比较粗糙的，又错误的认为光是一种纵波，因此他还摆脱不了几何光学的观念。第16页，本讲稿共55页几何光学时期v十七世纪还讨论了另一个问题，即“是不是有一个有限的光速？”笛卡儿采取否定的态度，而伽里略是肯定的。v在整个十八世纪，光学几乎没有什么发展，多数科
10、学家赞成光的微粒说，而欧拉（瑞士人，17071783）和伯努利（瑞士人。17001782）却坚持和发展了“从太”的波动理论。第17页，本讲稿共55页波动光学时期 v 进入 1800年，由于英国医生杨（英国人，17731829）和法国工程师菲涅耳（法国人，17881827）的工作，使波动说又重新提出，并取得成功。第18页，本讲稿共55页波动光学时期v扬在1800年的论文中。根据光的波动本性解释了牛顿环的现象，并描述了杨氏双缝干涉实验，第一次用实验显示了光的干涉现象，并由此成功地测出了红光和紫光的波长，并且认为光是横波。扬取得了很多研究成果，其中包括人眼的构造和功能。第19页，本讲稿共55页波动光
11、学时期v菲涅耳继续了扬的工作，1815年他用扬的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯菲涅耳原理。运用这一原理不仅能解释光在各向同性介质中的直线传播，同时也能解释光的衍射现象。v 1808年马吕斯（英国人，17751812）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。v菲涅耳和阿拉果（1786一1853）在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明，这是光的横向振动理论最终的证实。第20页，本讲稿共55页波动光学时期v夫琅和费（德国人，17871826）对折射的研究。1835年施维尔德（17921871）发表了总结性的文章；题为从波动论的基本定理出发分析地阐明衍射现象之后，才告一段落。v1
12、845年，法拉第（英国人，17911867）发现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象，从而揭示了光和电磁的内在联系。1856年韦伯（德国 人，18041891）和 柯 尔 劳 斯（德 国 人，18091858），发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。第21页，本讲稿共55页波动光学时期v 1865年，麦克斯韦（苏格兰人，18311879）电磁场理论建立，得出电磁波以光速传播，所以说明光是一种电磁现象。这一理论，于1888年被赫兹（德国人，18571894）用实验证实。因此建立了光的电磁理论。v1849年菲索（法国人，18191896）利用转动齿轮法，1862年佛科（法国人
13、，18191868）利用旋转镜法，第一次在实验室测定了光的速度，这就完全证实了波动说的正确性。第22页，本讲稿共55页量子光学时期 v黑体辐射的能量按波长的分布，和光电效应。v维恩（德国人，1864-1928）公式和瑞利（英国人，1842-1919）金斯（英国人，18771946）公式，前者在短波区和实验结果相符，而后者，在长波区和实验结果相符。第23页，本讲稿共55页普朗克公式v在1900年，普朗克（德国人，18581947）大胆地提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能从一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，它的值是光的频率和普朗克常数的乘积的整数倍，它和实验结果完全符合。不仅如
14、此，量子论还以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。它不但给光学而且给整个物理学提供了新的概念，因此，它的诞生被看作近代物理学的起点。第24页，本讲稿共55页光电效应v 当光照在某些金属上会逸出电子，这就是光电效应。v爱因斯坦（生于德国，18791955）于1905年，提出了对以上现象的一个解释。v被康普顿（美国人，18921962）效应所证实。v1924年德布罗意（法国人，1892一）创立了物质波学说，他大胆地设想每一物质的粒子的运动都和一定的波动相联系 第25页，本讲稿共55页现代光学时期 v 二十世纪五十年代以来，尤其是在激光问世以后，光学和许多科学技术领域紧密结合，相互渗透，派生
15、了不少崭新的分支学科，因此光学开始了一个新的发展时期，成为现代物理学和现代科学技术的前沿阵地之一。第26页，本讲稿共55页现代光学时期v在激光器诞生以后，为摄影术向前发展提供了可能，因此出现了全息摄影术。v由于激光的出现，光学的重要发展之一，是将数学中的付里叶（法国人，17681830）变换和通讯中的线性系统理论引入光学，形成了一个新的光学分支付里叶光学。v在激光器出现一年以后，非线性光学（也称强光学）作为光学的一个分支也发展起来了。第27页，本讲稿共55页 二、人类对光的本性的认识 v关于光的本性究竟是什么？人类进行了大约三百年的争论，其间有各种不同的学派，但总的来说不外乎粒子说和波动说两种
16、。这两种学说在不同时期各自占据着统治地位，随着认识的发展，人们对粒子和波的概念的看法也有所发展。最后当爱因斯坦和德布罗意提出波粒二象性后，争论才告一段落。第28页，本讲稿共55页二、人类对光的本性的认识v人类对光的本性的认识，追溯其历史，可以看出，它是由初浅到深入，由片面到全面，从实验到理论，由现象到本质逐步发展起来的，最后建立起光的本性的理论。但是从科学发展的眼光来看关于光的本性的理论并没有穷尽，还待于进一步的探讨。第29页，本讲稿共55页1.惠更斯和牛顿之争 v早在十七世纪就开始了对光的本性的问题的讨论，当时有两种不同的观点，一种是以笛卡儿、胡克、惠更斯为代表的波动说，另一种是以牛顿为代表
17、的微粒说。v笛卡儿所著光学一书中，对光的本性虽然没有提出什么明确的观点，由于他的主张的核心是强调了媒质的影响，是以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出发点，所以人们把他的主张归属于波动说这一面。第30页，本讲稿共55页胡克的工作v 胡克在1665年发表了显微术一书，主张“光是一种振动”。v提出：发光是说明“运动的部分”返回来了。提出这种运动不可能是圆运动，球状运动，也不可能是其他的不规则运动。“它是一种很短的振动”。第31页，本讲稿共55页胡克的工作v他写道：“在一种均匀煤质中这一运动在各个方向上都以相等的速度传播，于是发光体的每一脉动和振动都必须形成一个球面，这个球面将不断
18、增大，如同投石入水后引起的越来越大的环状波一样。由此可知，在均匀媒质中扰动而成的球面的一切部分都与射线正交”。第32页，本讲稿共55页胡克的工作v从胡克的记述中，我们看出已经含有波前、波面的概念。他又把有关波面的思想用于对光的折射现象的研究，然后又讨论了薄膜的颜色。他在讨论薄膜的颜色时，从强光和弱光的超前；落后来说明光的颜色。这种想法虽然是不正确的，但是他却接触到薄膜干涉的基本要领前后两面上反射光的叠加，甚至于可以说，在这里已经包含了两束光的位相差的初步概念。第33页，本讲稿共55页惠更斯的工作 v于1690年出版的一部书论光。v他还把光的传播方式和声音在空气中的传播作比较，明确地提出关于光是
19、一种波动的想法。又根据光速的有限性论证了光是从煤质的一部分依次向其他部分传播的一种运动。它和声波、水波一样是球面波。v 惠更斯从光是波动的传播这一观念出发，提出了著名的以他名字命名的原理。第34页，本讲稿共55页惠更斯的工作v惠更斯根据他的波动说和绘制波前图的方法，很好的解释了反射、折射以及方解石的双折射现象。在解释方解石的双折射现象时，提出寻常光线的波面是通常的球面，而非常光线的波面是一个椭球面的思想。第35页，本讲稿共55页惠更斯的工作v当用惠更斯的波动说解释光的干涉、衍射和偏振现象时却遇到了困难。可见惠更斯的波动说是不够完善的，他所谓的波看来只是一种脉冲。又认为它是一种纵波。也没有建立起
20、波的周期性的概念。第36页，本讲稿共55页 牛顿对光本性的看法 v第一：他认为光的波动说不能很好地说明光的直线传播这一最基本的事实。v第二，波动说不能解释偏振现象。v第三：对光的波动说赖以存在的“以太”的怀疑，他写道：“对于天空为流体媒质（除非它们非常稀薄）所填满的那种主张，一个最大的反对理由在于行星和彗星在天空中各种轨道上的运动是那样地有规则和持久。第37页，本讲稿共55页牛顿对光本性的看法v牛顿在反对波动说的同时，提出了另一假说即微粒说：“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样一些物体能够直线穿过均匀媒质而不弯曲到影子区域里去，这正是光线的本性。”第38页，本讲稿共55页牛顿对光
21、本性的看法v应该指出，牛顿并不是根本不承认光的波动性。他认为：当光投射到一个物体上的时候，可能激起物体中以太粒子的振动，就好象投入水中的大石块在水面上激起波纹一样，并且设想可能正是由于这种波依次地赶过光线而引起干涉现象。可以说，他甚至是第一个提出光在本质上是一种周期过程的人。第39页，本讲稿共55页牛顿对光本性的看法v在解释薄膜干涉（牛顿环）时，他提出了“猝发理论”，认为“每一光线在它通过任何折射面时，都形成一定的过渡性结构或状态。v牛顿曾多次提到关于光可能是一种振动以及与声的对比，但是，在解释光从一种煤质进入另一种媒质时得出，光在密媒质的速度大于疏媒质中的速度。第40页，本讲稿共55页微粒说
22、一直占着统治的地位原因 v第一、在十七、十八世纪，研究机械运动规律的学科古典力学已经建成，并且在解释自然现象和指导生产实践方面卓有成效。v第二、从社会情况来看，正如恩格斯指出的那样“这个时代的特征是一个特殊的总观点的形成，这个总观点的中心是自然界绝对不变这样一个见解。”第41页，本讲稿共55页微粒说一直占着统治的地位原因v 第三、牛顿建立了古典力学，在人们头脑中，牛顿的威望比惠更斯的威望高，所从权威提出的理论容易被人接受。v 第四、惠更斯提出的波动说本身不够完善。第42页，本讲稿共55页微粒说一直占着统治的地位原因v微粒说和波动说争论的交点在于：对折射现象的分析得出了不同的结论。用微粒说分析时
23、得出，密媒质中的光速大于疏煤质中的光速，而用波动说分析时得出密媒质中的光速小于疏煤质中的光速。第43页，本讲稿共55页2杨氏双缝实验 v1800年，杨在论文在声和光方面的实验和问题中，提出了反对微粒理论的新论据：在解释由强光和弱光源所发出的光粒子有同样的速度方面碰到的困难，在解释射线从一种介质进入另一种介质时，一部分不断地被反射，而另一部分不断地发生折射的困难。v首次提出干涉这个术语。第44页，本讲稿共55页2杨氏双缝实验v 杨在1801年的报告中，已经形成波动光学的基本原理，他提出了比惠更斯进一步的四条假设和八条命题。从这些条款中，推导出光的传播速度和以太的弹性和密度有关；也解决了惠更斯所没
24、有解决的问题波为什么不向后面传播；用命题解释了牛顿环。v并测定了光波的波长和波数，因此，波动光学的基本概念波长，也是杨首次提出的。第45页，本讲稿共55页2杨氏双缝实验v 在1801年，发表于哲学会报上的论文中，解释了干涉现象。v关于杨氏的干涉实验和原理，后来被记载在1807年出版的他的基础性论著自然哲学讲义中，书中描述了双缝干涉的基本实验，而缝的图象是产生干涉和计算的基础。第46页，本讲稿共55页 菲涅耳的功绩v菲涅耳的功绩是他对衍射问题的研究，他提出了把波阵面分解为波带的近似计算方法，并用于研究屏幕边缘和圆孔的衍射，计算和实验符合得很好。还详细地研究了互不相干的垂直振动的迭加问题，在引入椭
25、圆偏振和圆偏振的概念后，说明了偏振面的转动现象。第47页，本讲稿共55页菲涅耳的功绩v托马斯杨和菲温耳的发现，标志着光学进入了新的时期弹性以太光学的时期。牛顿的观念受到了强有力的冲击。尤其在1849年菲索（法国人，1819一1896）利用转动齿轮法和 1862年佛科（法国人，18191868）利用旋转镜法，使得光速的测定第一次能在实验室进行，由此证明了波动说在解释折射时的正确性。这样波动光学在关于光的本性的争论中，上升为统治地位。第48页，本讲稿共55页麦克斯韦的工作v麦克斯韦在18641865年间，曾发表了题为“电磁场的动力理论”的论文。这篇文章的第五部分“光的电磁学说”。在这部分里，他从基
26、本方程组导出了波动力方程，并证明电磁波是一横波，求得电磁波的传播速度在空气中等于电量的电磁单位与静电单位之比，即等于空气或真空中的光速。第49页，本讲稿共55页麦克斯韦的工作v由此得出结论：“这一速度与光速如此接近，看来我们有强烈的理由断定，光本身乃是从波的形式在磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动。”以上理论大约在二十年之后，由赫兹用实验证明。第50页，本讲稿共55页3爱因斯坦对光的本性的研究 v爱因斯坦为了解释光电效应，于1905年提出了光量子假说，得出光电效应方程。v十年以后由起初完全不相信爱因斯坦理论的密立根（美国人，18681953）用实验加以证明。密立根在1949年为纪念爱因斯坦七十
27、诞辰而发表的一篇文章中说道“在我的一生中，花费了十年时间来检验1905年的爱因斯坦方程。同我原来的全部期望相反，1915年我迫于事实，宣布了对这个方程的毫不含糊的实验验证，尽管它不合常理，因为它似乎违背了我们所知道的有关光的干涉的全部事实”。第51页，本讲稿共55页3爱因斯坦对光的本性的研究v 爱因斯坦关于光量子的假说是清楚的。但当时曾遭到包括普朗克在内的一些物理学家的反对。为此爱因斯坦继续研究他的微粒说，并且更深入地探索辐射的本性。第52页，本讲稿共55页3爱因斯坦对光的本性的研究v1909年，爱国斯坦在萨尔茨堡的一次科学会议上所做的学术报告里，讲了这样一段话：“不可否认的是，有关黑体辐射的
28、很大一类实验说明，光所具有的一些基本性质，从牛顿的微粒论去理解要比从波动说去理解容易得多。因此我认为，在理论物理发展的下一阶段，将会出现关于光的理论，根据这种理论可能被看作是波动和微粒论的一种融合体我们关于光的本性和光的结构的看法的深刻改变是不可避免的”。第53页，本讲稿共55页德布罗意的工作 v德布罗意的工作，使光的波粒二象性得到了进一步阐述，并推广到了一切实物粒子都具有波粒二象性的结论。1924年11月，德布罗意在法国索邦提交了一篇论文，该文中把一种称之为物质的波与每一个粒子的运动联系起来，并得出两个关系 Eh，Ph/其中 E是粒子的能量；是物质波的频率；是波长；P是动量的大小。第54页，本讲稿共55页人类对光的本性的认识v人类对光本性的认识是否已经达到了终点呢？根据科学发展的规律和目前的状况看，答案是清楚的。至少是有些问题还没有彻底解决。例如：光量子还能再分吗，光子还有没有内部结构？光子真的没有静止质量吗？这些问题都有待于进一步的探索。第55页，本讲稿共55页