经典光学物理学史

托勒密著有四本重要著作：《天文学大成》（Almagest）、 《地理学》(Geography)、《天 文集》(Tetrabiblos)和 《光学》(Optics)。 了。 在托勒密的著作中，今天还容易得到和广泛被阅读的唯一 一本是《天文集》，这是占星学方面的书籍，这本书很长而 且全面，是自然主义的，在书中托勒密假定能存在某种形式 的、来自天体的自然辐射影响着人类。现在占星学的大多数 概念和争议都可以追溯到这本著作。 托勒密的最后一本重要著作《光学》，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射表。


地球不动的说法，对当时人们的生活是令人安慰 的假设，也符合基督教信仰。 托勒密本人声称他的体系并不具有物理的真 实性，而只是一个计算天体位臵的数学方案。至于 教会利用和维护地心说，那是托勒密死后一千多年 的事情了。教会之所以维护地心说，只是想歪曲它 以证明教义中描绘的天堂人间地狱的图象，如果编 纂教义时流行着别的什么学说，说不定教会也会加 以利用的。所以，托勒密的宇宙学说同宗教本来并 没有什么必然的联系。
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说 三光的波动说的复兴 1、托马斯.杨（英国医生1773-1829）
对光学的研究始于对视觉器官的研究- - 1800年《关于光和声的实验和问题》对微粒说提出异议： （1），既然发射出光的微粒是多种多样的，为何所有的光具有相 同的速度？ （2），光线从一种媒质进入另一种媒质，为何同一类光线有的被 反射，有的却会透过去？ 1801年《光和色的理论》论文： 整个宇宙空间都充满着稀薄的、具有很大弹性的以太，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。 A）以光的波动本性解释了牛顿环现象：光的干涉的结果 B）杨氏双缝干涉实验

A
F
D H

I
HI ( FH x) CD DI CF x M Vi Vr Vi Vr
2 2 2 2
dM 0 dx
sin i vi sin v
第五讲 光学的发展简史/ §5.3牛顿研究光的散射

牛顿发现光的色散实验（1666年，23岁） 红、蓝纸板由于折射好象抬高了，且蓝色半边升得更高。
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 波动光学的兴起




3、1808年马吕斯（1775—1812法国）发现了偏 振的现象（方解石），并用微粒说来解释，这 对光的波动说是一个严峻的挑战- - - - - 1814年托马斯、杨提出用横波来代替以前的纵 波的概念，并用干涉原理解释之，但并不令人 满意 1819年菲湟耳和阿拉果（1786—1853） 证明了相互垂直的偏振光不相干涉
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说




2、菲湟耳对光的干涉和衍射的研究（1788—1827法 国) 30岁的菲湟耳提交了论文：用数学分析的方法，用惠 更斯原理来解释光的衍射现象。 法国数学物理学家、评委、微粒说拥戴者泊松： 应有一个亮斑 亮斑 圆盘 屏

阿拉果用实验验证，菲湟耳荣获这一届的科学奖
版权所有, 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.
第三讲 光学的发展简史
光的历史概述 折射定律的建立
牛顿研究光的散射 光的微粒说和波动说 光谱的研究
第五讲 光学的发展简史/ §5.1十七世纪以前的光学成就


1、公元5 世纪以前中国“墨经”、北宋沈括 （1031—1095）的“梦溪笔谈” 《淮南万毕术》：“取大镜高悬，置水盆于 下，则见四邻矣！”
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立
1，托勒密第一个研究光的折射现象的人
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立



1，托勒密第一个研究光的折射现象的人 折射实验并得出数据：入射角 I 折射角 2，开普勒（1571-1630德国）对折射规律的修正： 1611年 《屈光学》 入射角i<300 i 入射角i >300 seci i

1637年《方法论》：
H
A
C
F
i B
E

D

水平方向的速度相等：
sin i vr vi sin i vr sin r k sin r vi
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立


5、费马对折射定律的发展（1601—1665法国）
光在不同的媒介中传播时， 所走的路程时间取极值。 C i

亚里士多德的首创，他认为宇宙的运动是由上帝 推动的。他说，宇宙是一个有限的球体，分为天地 两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行， 物体总是落向地面。地球之外有9个等距天层，由里 到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太 阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力 天，此外空无一物。各个天层自己不会动，上帝推 动了恒星天层，恒星天层才带动了所有的天层运动。 人居住的地球，静静地屹立在宇宙的中心
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说





二、以牛顿为代表的光的微粒说 1、牛顿在光学领域的功绩 最早用三棱镜分解太阳光的实验； 1665年建立了当时第一流的光学实验室 1675年牛顿环的著名实验；1704年，出版《光学》 2，反对波动说的理论： （1）不能说明光的直线传播这一基本的实验事实 “我们从来不知道光会沿着弯曲的道路走，或者会弯 到影子里去。” （2）不能解释光的偏振现象 进入18世纪后，由于牛顿的威望，由于光的波动说缺 乏数学上的严密性、完美性，光的微粒说为多数人所 接受。
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立 3，斯涅尔（1591—1626荷兰数学家）对折射定律的 贡献

1621年
O i
E
C
D

A
DC DA
DE ED
sin i sin
csc i k csc
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立


4，笛卡儿（1596-1650法国）完善了光的折射定律
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说



1818年法科学院提出有奖征文： 1，利用精确的实验确定光线的衍射效应； 2、据实验，用数学归纳法推导出光线通过物体 附近的运动情况。 本次活动的本意是为了推进微粒说的发展 … 评委有：阿拉果（波动）盖 .吕萨克（ 中） 拉普拉斯、泊松、毕奥（微粒） 30岁的菲湟耳提交了论文：用数学分析的方法， 用惠更斯原理来解释光的衍射现象。
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 波动光学的兴起


阿拉果（Arago, Dominique Francois Jean ）于 1786年2月26日出生在法国东部比利牛斯省的埃斯特 热勒，一个具有西班牙加泰罗尼亚血统的中等地主 家庭里。 1795年，阿拉果的父亲当上了省造币厂的司库， 于是全家迁居省的首府佩皮尼昂市，阿拉果在那里 完成了他的基础教育。由于他立志要当拿破仑军队 炮兵军官，决心上综合工科学校，于是他在15岁时 就只身去巴黎自学，2年半内他掌握了考试所需的一 切知识，还学习了L· 欧拉（Euler）的无限小量分析、 拉格朗日（Lagrange）的解析函数理论和分析力学、 拉普拉斯（Laplace）的天体力学，使主考人蒙日 （Monge）大吃一惊，最后，蒙日给了他最高的评语。 阿拉果1803年底成了巴黎天文台的秘书，从而认识 了拉普拉斯等名人。

托勒密全面继承了亚里士多德的地心说，并利 用前人积累和他自己长期观测得到的数据，写成了8 卷本的《伟大论》。在书中，他把亚里士多德的9层 天扩大为11层，把原动力天改为晶莹天，又往外添 加了最高天和净火天。托勒密设想，各行星都绕着 一个较小的圆周上运动，而每个圆的圆心则在以地 球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫 “均轮”，每个小圆叫“本轮”。同时假设地球并 不恰好在均轮的中心，而偏开一定的距离，均轮是 一些偏心圆；日月行星除作上述轨道运行外，还与 众恒星一起，每天绕地球转动一周。托勒密这个不 反映宇宙实际结构的数学图景，却较为完满的解释 了当时观测到的行星运动情况，并取得了航海上的 实用价值，从而被人们广为信奉。
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 波动光学的兴起

4、菲涅尔、托马斯. 杨将光视为横波 5、1845年法拉第（1791—1867英国） 发现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象， 揭示了光和电磁的内在联系


6、1865麦克斯韦（1831—1879英国）电磁场理 论的建立，说明光是一种电磁现象。

除了在天文学方面的造诣， 托勒密在地理学上 也做出了出色的成就。他认为，地理学 的研究对象 应为整个地球，主要研究其形状、大小、经纬度的 测定以及地图投影的方法等。他制造了测量经纬度 用的类似浑天仪的仪器（星盘）和后来驰名欧洲的 角距测量仪。托勒密有地理学著作八卷，其中六卷 都是用经纬度标明的地点位臵表。 在数学方面，他用圆周运动组合解释了天体视动， 这在当时被认为是绝对准确的。他还论证了四边形 的特性，即有名的托勒密定理。他对光学也作过研 究，认为光线在折射时入射角与折射角成正比关系。
第五讲 光学的发展简史/ §5.3牛顿研究光的色散

牛顿发现光的色散实验：白光通过棱镜时发生的现象。
棱镜 小孔
屏幕
白光的色散是由于白光与棱镜的相互作用？
太 阳 光 棱镜1 棱镜2 黄光 黄光
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 牛顿研究光的色散



结论：白光是由折射性能不同的光组成的。 牛顿颜色理论： 色不是自然物折射或反射出来的的光的属性（如同 一般人相信的那样），而是因不同射线而不同的本 来就有的内在的性质； 同一折射度总是属于同色，而同色也是属于同一折 射度； 色有两类，一类是固有的颜色，另一类是它们的混 合。固有的颜色或原色有红、黄、绿蓝和紫，还有 橙黄、深蓝以及众多的各种各样的中间色。但是最 可令人惊奇的色组合就是白色的组合；白色可以组 成，而其组成部分则要求有上述全部的原色并作适 当比例的混合