光学的发展

第五章光学的发展教学目的和要求：掌握：几何光学概念及其发展的过程；牛顿对光的色散的研究；人们对光的本性认识的探讨过程；光速测定的几种测量方法；了解：对光谱的认识过程。光谱分析的方法是如何建立的。教学重点，难点：几何光学概念及其发展的过程；牛顿对光的色散的研究；人们对光的本性认识的探讨过程；光速测定的几种测量方法；教学内容：§1.光学的历史概述一早期光学古代光学基本上停留在几何光学的研究和总结上。公元前5世纪《墨经》、北宋时期沈括的《梦溪笔谈》都有记载。如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等。古希腊时期的天文学家托勒密专门作过光的折射实验，写有《光学》5卷，记载折射角与入射角成正比.欧几里德在其《反射光学》中记载了光的反射；中世纪时阿拉伯人阿勒哈增（965-1038）著《光学全书》，讨论了许多光的现象。二折射定律的建立1．开普勒的工作1611年写了《折光学》，记载了两个实验。第一个实验：比较入射角和折射角：如图6-1-1，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。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出射角之比。第二个实验：如图6-1-2，用一个圆柱性玻璃，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：令AB为玻璃与空气的分界面，如图6-1-3。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。若有一束光∑从玻璃射向空气，当入射角大于420时，则到达O点后，将既不能进入空气，也不能进入MON锥形区域，必定反射为∑’。2．斯涅耳的工作荷兰人，1621年从实验得到折射定律。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1637年出版的《方法论》中记载了笛卡儿的方法：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。据此他得出：visini=vrsinr所以有：sini/sinr=vr/vi=常数这正是折射定律的正弦表达式，但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相等，为使理论与实验数据相符，必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是错误的。4．费马的工作1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。这样，从托勒密开始，经过了1500年左右的时间才得到了严格的折射定律，连同光的直线传播和反射定律一起构成了几何光学的理论基础。三光学仪器的研制1．眼镜的制造1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜。2．荷兰望远镜1608年，荷兰人李普塞（HansLippershey)制成第一台望远镜：他用一个凸透镜作为物镜，用一个凹透镜作为目镜组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。3．伽利略的改进伽利略知道后很快改进成放大32倍，随后又制成放大1000倍的望远镜，并用它对天体进行了观察，于1610年写出了《星际使者》的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。4．开普勒望远镜1611年开普勒出版了《屈光学》，解释了荷兰望远镜和显微镜所涉及到的光学原理。并设计了一种用两个凸透镜构成的天文望远镜，即开普勒望远镜。这种望远镜很快就取代了荷兰望远镜。因为它视野宽，且能把一个遥远的物体的像与放在两个透镜共同焦点处的一个小物体相比较。这种比较导致了后来测微计的发明。第一台开普勒望远镜由天文学家沙伊纳于1613～1617年制造。5．显微镜几乎与望远镜同时，荷兰人发明制造了显微镜，由眼镜制造师詹森(Janssen)发明：由一双凸透镜作物镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。后来，意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。6.胡克的显微镜1665年，胡克出版《显微图象》，并制造一带聚光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用一球形聚光器来照亮待观察的物体。7.反射式望远镜1668年，牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜，全长15厘米，口径2.5厘米，但其放大倍数和当时使用的2米长的望远镜相同。1671年又制造了第二架较大的反射式望远镜，全长1.2米，口径2米，献给了英国皇家学会，现仍保存在英国皇家学会图书馆。四牛顿的色散研究1．色散的早期研究①十三世纪，德国一位传教士西奥多里克(Theodoric)曾用实验模仿天上的虹，他用阳光照射装满水的大玻璃球壳，观察到了和空中一样的虹，并说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的。由于受亚里士多德教义的影响，他说各种颜色的产生由于光受到不同阻滞所引起的。②笛卡儿在《方法论》的一篇附录中专门讨论了彩虹，并介绍了他所做的棱镜实验：他用棱镜将阳光投射到荧屏上，发现不论光照到棱镜的那一部位，折射后屏上的图象都是一样的。从而否定了光是由于受到不同阻滞而产生不同颜色的说法。由于笛卡儿的屏离棱镜太近（只有几厘米），他没有看到色散后的整个光谱。只注意到光带的两侧分别呈现兰色和红色。③1648年，法国的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他的解释错了。他认为红色是浓缩了的光，兰色是稀释了的光；之所以出现五颜六色，是由于光受到物质的不同作用。2．问题17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观察天体，胡克用显微镜观察微小物体。然而，当放大倍数增大时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？怎样才能消除？3．牛顿的色散实验这一时期，牛顿正在剑桥大学学习，他的老师巴罗对光学很有研究，牛顿还帮巴罗编写《光学讲义》，使他对光学产生了浓厚兴趣。他亲自动手磨制透镜，想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的研究。牛顿从笛卡儿的棱镜实验、胡克及玻意耳的分光实验得到启发，他将室外阳光经一小洞引入室内，经三棱镜后投射到对面的墙上。这样从三棱镜到墙的距离达到6～7米，从而获得了展开的光谱。而他之前的实验者均由于屏离折射位置太近而只能看到两侧的彩色光带。牛顿意识到展开的光谱可能是由于不同颜色的光具有不同的折射性能造成的，于是作了如下实验：①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。为了证明色散现象不是由于棱镜和阳光的相互作用及其它原因造成的，牛顿又作了以下实验：②他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。③他用两块木版各开一小孔F和G，并分别放于三棱镜两侧，光从S处平行射入F后，经棱镜折射穿过小孔G，到达距木版DE4米的另一块木版de上，投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后，抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。④有人提出光谱变长是因为衍射效应，为此牛顿又作如下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当狭窄。当屏放在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明：光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无关。因而也就否定了衍射效应的说法。在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。3.色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变。4.必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线岸适当比例混合而成。6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射的缘故。7.把光看成实体有充分依据。8.由此可解释棱镜色散和虹。§2.光的波动说和微粒说的论争一光的微粒说对光的本性自古以来就有两种认识：波动说和微粒说，代表人物分别是惠更斯和牛顿。近代微粒说最早由笛卡儿首先提出，他认为光是由大量微小弹性粒子所组成，并用此解释了光的反射和折射。后来牛顿发展了微粒说，并和波动说展开了长期的争斗。二早期的波动说1．胡克胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。在1667年出版的《显微图象》中他写到：“在一种均匀介质中这一运动在各个方向都以相等速度传播，所以发光体的每一个脉动都必将形成一个球面。这个球面将不断的增大，就如同把一石块投入水中后在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈一样（尽管要快得多）。由此可见，在均匀媒质中激起的这些球面的所有部分都与射线以直角相交。”2．惠更斯荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想。①他提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。1678年他向法国科学院报告了自己的论点，并于1690年以《光学》正式发表。他写到：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，…其射线在传播中，一条穿过另一条而互相毫无影响，就可以完全明白：当我们看到发光的物体时，决不会是由于这个物体发出的物质的迁移所引起的。”他认为光的传播，并不是媒质以太粒子本身的远距离移动，而是发光体中微小粒子的振动通过象沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。②惠更斯原理下图是惠更斯描绘光波的示意图。他用子波和波阵面的概念论述了光的传播原理--惠更斯原理：光在传播过程中，使以太中的每一个受激粒子都变成一个球形子波，每一个子波在发光点和子波中心的连线方向上形成的波前的组合，构成一波阵面；形成的波阵面上的每一点又都变成一个球形子波的中心…。并用这一原理说明了光的反射和折射。③对双折射的解释1669年，丹麦的巴塞林纳斯（Bartholinus)发现了双折射现象：当他用方解石观察物体时，注意到有双像显示。经过反复试验，确定是这种晶体对光有两种折射：寻常折射和非寻常折射。惠更斯得知这一情况后，重复并证实了这一实验，并且观察到其它晶体（如石英）也有类似效应。惠更斯对这一现象作了如下解释：寻常光线仍遵循折射定律，非寻常光线则不遵循折射定律，可能是因为方解石等晶体的颗粒具有特殊形状，以至光波通过时，在某一方向传播的更快一些。于是出现了不同的折射。早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而牛顿的微粒说因符合力学规律而占据统治地位.3．托马斯·杨（ThomasYoung)1773年6月出生在英国的一个富裕家庭，青年时就多才多艺，通晓希腊语、拉丁语、法语、意大利语等语言，能演奏多种乐器，先后在伦敦、爱丁堡、哥廷根学医，于1796年获哥廷根医学博士学位，1799年开始行医。托马斯·杨的光学研究，始于对视觉器官的研究，他第一个发现眼球在注视不同距离的物体时会改变晶状体的曲率。1800年发表了《关于光和声的实验问题》，对光的微粒说提出异议：①既然发射光微粒的力是多种多样的，为何所发的光的速度相同？②光由一种媒质进入另一种媒质时，为何同一类光有的被反射，有的透射？托马斯·杨认为光和声音类似；根据水波的叠加现象，声波也会由于叠加而出现声音的加强和减弱，光波也应如此。并首先提出“干涉”术语。1801年发表《光和色的理论》，以假说的形式阐述了光的波动理论：整个宇宙充满了以太，光是发光体在以太中激起的波动，光的颜色取决于光波动的频率。并提出著名的干涉原理。干涉原理：“同一束光的两个不同部分，以不同的路径要么完全一样地，要么在方向上十分接近地进入眼睛，在光线光程差是某个长度的整倍数的地方，光就增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色