物理学史讲稿(光学

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1、第三章人类对光和光的本性的认识光学和几何学、天文学、力学一样，是一门有悠久历史的学科，也是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一。光学的发展史，大体可分为五个时期。1．萌芽时期。2．几何光学时期。3．波动光学时期。4．量子光学时期。5．现代光学时期。萌芽时期从我国春秋战国的墨翟（公元前468－376）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。萌芽时期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

2、工作。欧几里德（古希腊，公元前330—275）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，只有被光线碰上的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了”。萌芽时期公元二世纪，托勒密（希腊人，公元70－147）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。阿尔一哈金（阿拉伯人，公元965－1038）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。萌芽时

3、期1299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。我国宋代的沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》中，记载了极为丰富的几何光学知识。我国元代的自然科学家赵友钦（1279—1368）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。几何光学时期从时间上来看，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。如李普塞（荷兰人，158

4、7－1619）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（1588—1632）和冯特纳（1580－1656）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。几何光学时期1609年，伽里略（意大利人，1564—1642）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。1473—1543）的日心说。开普勒（德国人，1571—1630）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，折射

5、定律的建立有两个创始人，一个是荷兰数学家斯涅耳（荷兰人，1591－1626），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。另一个是苗卡儿（法国人，1596—1650），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。几何光学时期费马（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

6、据这个原理，推导出光的反射定律和折射定律。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。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，1618—1663）等人首先观察到衍射现象。几何光学时期胡克（英国人，1635－1703）也观察到了衍射现象，并和玻义耳（英国人，1627—1691）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。到了十七世纪后半叶，牛顿（英国人，1643－1727）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。牛顿光

7、学上的伟大贡献在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。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。几何光学时期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，

8、牛顿断定兰光折射得比红光