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1、第六章第六章 经典光学的发展经典光学的发展 光学的发展可追溯到古代，在古中光学的发展可追溯到古代，在古中国和古希腊的典籍中，我们可看到国和古希腊的典籍中，我们可看到古人对光的直线传播和反射等问题古人对光的直线传播和反射等问题的观察和思索的成果。的观察和思索的成果。17世纪光的世纪光的反射定律和折射定律的建立为反射定律和折射定律的建立为几何几何光学光学奠定了基础。光的本性早在古奠定了基础。光的本性早在古希腊时代就成为先贤们争论的课题，希腊时代就成为先贤们争论的课题，17世纪以来微粒说和波动说的争论世纪以来微粒说和波动说的争论成为光学发展的主线和动力。成为光学发展的主线和动力。第一节第一节 几何光
2、学的发展几何光学的发展 近代几何光学的成就与欧洲发达的近代几何光学的成就与欧洲发达的玻玻璃业璃业密切相关，它为光学仪器的发明密切相关，它为光学仪器的发明创造了条件，而光学仪器的发展又为创造了条件，而光学仪器的发展又为人们提供了新的实验事实，促进了光人们提供了新的实验事实，促进了光学理论的进步。学理论的进步。折射定律的建立折射定律的建立1.古罗马学者古罗马学者托勒密托勒密对对光的折射光的折射现现象进行了实验研究，并得出结论：象进行了实验研究，并得出结论：折射角和入射角成正比。折射角和入射角成正比。2.2.开普勒开普勒的工作：的工作：16111611年年根据其对根据其对光的折射光的折射的系统的研究
3、的系统的研究写了写了屈光屈光学学一书一书，该书记载了该书记载了两个实验两个实验。第第一一个个实实验验是比较入射角和折射角：如图，让阳光LMN斜射到竖直屏DBC上，BC边缘在水平底座投下阴影HK；另一部分从光线则从DB射进一玻璃立方体中，在水平底座投下阴影IG。根据屏高BE和两阴影的长度EH和EG，就可算出立方体的入射角和折射角之比。第第二二个个实实验验是：用一个圆柱形玻璃，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。全反射的发现全反射的发现：令令ABAB为为玻玻璃璃与与空空气气的的分分界界面面，如如图图。光光线线从从空空
4、气气进进入入玻玻璃璃发发生生折折射射，由由于于最最大大偏偏折折角角为为42420 0，所所 以以 进进 入入 玻玻 璃璃 的的 光光 线线 将将 构构 成成 一一 个个 夹夹 角角 为为42420 02=842=840 0的锥形的锥形MONMON。若若有有一一束束光光 从从玻玻璃璃射射向向空空气气，当当入入射射角角大大于于42420 0时时，则则到到达达OO点点后后，将将既既不不能能进进入入空空气气，也也不不能能进进入入MONMON锥锥形形区区域域，必定反射为必定反射为。回顾一下回顾一下回顾一下回顾一下全反射的定义全反射的定义 ABDC 3.3.荷兰数学家斯斯涅涅耳耳，从实验得到准确的折射定律
5、。首次将光的折射定律正确表述：对于给定的两种介质，入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。图 斯涅耳 4.笛卡儿笛卡儿的工作 赋予折射定律以赋予折射定律以现代形式现代形式，18371837年发表年发表方法论方法论。他。他用用粒子说粒子说来解释光的反射和折射。来解释光的反射和折射。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但平行薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但平行于界面的方向上的速度不变于界面
6、的方向上的速度不变。据此他得出：据此他得出：v vi isin i sin i=v=vr rsin rsin r，所以有：，所以有：sin i/sin r=vsin i/sin r=vr r/v/vi i=常数常数 对对于于球球偏偏离离法法线线的的现现象象，他他先先后后得得出出哪哪两两个个错错误误的假设的假设？5.费马费马的工作：他认为：光沿着所需时间为极值的路径传播，这就是费马原他认为：光沿着所需时间为极值的路径传播，这就是费马原理。并假设光密介质中的光速比光疏中的要慢，推导如理。并假设光密介质中的光速比光疏中的要慢，推导如下：下：密密 疏疏由此费马正确地推导由此费马正确地推导得出了折射定律的公得出了折射定律的公式。式。同时证明了光从同时证明了光从光疏媒质进入光密媒光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。质时向法线方向偏折。这这样样，从从托托勒勒密密开开始始，经经过过了了15001500年年左左右右的的时时间间才才得得到到了了严严格格的的折折射射定定律律，连连同同光光的的直直线线传传播播和和反反射射定定律律一一起起构构成成了了几几何何光光学的理论基础学的理论基础。