经典光学的形成

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1、第六章　经典光学的形成第一节　几何光学的完善一、早期的光学研究1.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》以8条文字连续记载了光学问题：影子生成的道理；光线与影子的关系；光线直线行进实验；光反射特性；从物体与光源相对地位关系确定影子的大小；平面镜反射现象；凹面镜反射现象；凸面镜反射现象。墨家认为：“人以目见，而目以火见”《墨经》在光学史上占有重要的地位,它是世界上最早的比较完整的几何光学著作。北宋时期沈括在《梦溪笔谈》卷3中写道：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内。离镜一二寸，光聚为一点大如麻菽，著物则火发，此即腰鼓最细处”。这是关于凹面镜焦

2、点最早是明确描述。欧洲到1267年培根才发现凹面镜的焦点。古希腊欧几里德(Euclid，约公元前330-275）研究光的反射。阿拉伯人到11世纪才发现小孔成像并加以解释。欧几里德说：“在几何学里，大家只能走一条路，没有专为国王铺设的大道。”这句话成为千古传诵的学习箴言。他在光学方面主要研究光的直线传播和光的反射。托勒密(C.Ptolemaeus,希，约公元100-170)研究光的折射。著有《光学》Optics)。从许多方面来看都算是他所有著作中最成功的一部，他在书中提出和说明了各种基本原理，但他对折射的了解似乎是纯经验的。他绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折

3、射表。2.中世纪:阿勒.哈增（965-1038）(阿拉伯人)著《光学》。荷兰人斯涅耳最早提出折射定律，由法国数学家费马（1601-1665）提出费马原理，予以确定，使几何光学理论很快发展。二、折射定律的建立斯涅耳是一位荷兰的物理学家和数学家，他精于实验与测量。1921年，斯涅耳发现了折射定律：在相同的媒质中，入射角的正弦（sini）与折射角的正弦（sinr）之比总是保持相同的值。三、光学仪器的研制1299年，发明了眼镜，意大利人阿玛蒂制造了眼镜。1608年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，伽利略改进成放大32倍的望远镜。几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微镜。四、牛

4、顿对光的色散的研究1666-1704年间，牛顿用色散原理解释了天界神秘而瑰丽的彩虹。中国人在公元10世纪，把经日光照射以后的天然透明晶体叫做“五光石”或“放光石”，认识到“就日照之，成五色如虹霓”。这是世界上对光的色散现象的最早认识。它表明人们已经对光的色散现象从神秘中解放出来，知道它是一种自然现象，这是对光的认识的一大进步。比牛顿通过三棱镜把日光分成七色，说明白光是由这七色光复合而成的认识早了七百年。第二节　光的波动说和微粒说的论争一、光的微粒说支持者有珈桑迪和牛顿1704年，牛顿：“光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子。”二、光的波动学说1.代表人物:、笛

5、卡儿、惠更斯、胡克“光必然是一种振动。”2.波动说的困境:由于当时没发现光的干涉、衍射等波动现象，使光的波动说难以自圆其说。惠更斯是荷兰物理学家、天文学家、数学家。是与牛顿同一时代的科学家，是历史上著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，改进了计时器。到了十七世纪，科学家们对光学现象进行了研究，他们通过出色的实验工作，奠定了近代物理学的基础。这个时期，曾经发生了一场关于光的本性问题的讨论。惠更斯在巴黎工作期间曾致力于光学的研究。1678年，他在

6、法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说，如果光是微粒性的，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这现象，而且利用微粒说解释折射现象，将得到与实际相矛盾的结果。因此，惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推导出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石（丹麦的物理学家巴尔多林首先发现）所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在，却不能

7、对这些现象作出解释，也就是它可以确定光波的传播方向，而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。因此，惠更斯原理是人类对光学现象的一个近似的认识。直到后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。3.19世纪光的波动说的两个英雄1)英国科学家托马斯·杨（1773-1829）两岁认字，四岁能读圣经，23岁获医学学位。牛顿反对波动说，光的微粒说在百年中占了上风，波动说几乎销声匿迹。面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并因此非得认为他是百无一失的。我遗