物理学史讲稿(讲义光学)
2020高中物理竞赛(科普版)物理学史03光学：几何光学(共14张PPT)
惠更斯的贡献
❖和牛顿同时代的惠更斯，他主张光的 波动说，认为光是在“以太”中传播 的波。
❖提出次波原理：惠更斯原理 。
❖惠更斯原理虽然能够解释不少光学现 象，但他的波动说是比较粗糙的，又 错误的认为光是一种纵波，因此他还 摆脱不了几何光学的观念。
几何光学时期
❖ 十七世纪还讨论了另一个问题，即“是 不是有一个有限的光速？”笛卡儿采取 否定的态度，而伽里略是肯定的。
量子光学时期
❖黑体辐射的能量按波长的分布，和 光电效应。
❖ 维 恩 （ 德 国 人 ， 1864--1928 ） 公 式 和 瑞 利 （ 英 国 人 ， 1842--1919 ） — 金 斯 （ 英 国 人 ， 1877—1946 ） 公 式 ， 前者在短波区和实验结果相符，而 后者，在长波区和实验结果相符。
波动光学时期
❖ 1865年，麦克斯韦（苏格兰人，1831— 1879）电磁场理论建立，得出电磁波以 光速传播，所以说明光是一种电磁现象。 这一理论，于1888年被赫兹（德国人， 1857－1894）用实验证实。因此建立了 光的电磁理论。
❖ 1849年菲索（法国人，1819—1896）利 用转动齿轮法，1862年佛科（法国人， 1819～1868）利用旋转镜法，第一次在 实验室测定了光的速度，这就完全证实 了波动说的正确性。
❖ 1845年，法拉第（英国人，1791—1867）发 现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象， 从而揭示了光和电磁的内在联系。1856年韦伯 （德国人，1804－1891）和柯尔劳斯（德国 人 ， 1809—1858 ） ， 发 现 电 荷 的 电 磁 单 位 和 静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。
光电效应
❖ 当光照在某些金属上会逸出电子，这就是光 电效应。
高中物理竞赛资料：几何光学讲话稿(无答案)
几何光学一、几何光学的四大基本定律1、直线传播定律；2反射定律 3独立传播定律：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。
4、折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面，并且有： 光纤保证发生全反射的条件： 光线在光学纤维内发生全反射的临界条件是n sin i c =2n 1 （ n 2 < n 1 ）π-i c =2i 1sin ( ) =i =2-i 1πn n 21cos 1 n n ²n 0 sin i 0= n 1 sin i 1cos 1 –i 1²= n 1=21-² 入射角小于 i 0 的入射光线，在光学纤维内都能满足全反射条件而不断向前传播, 从光学纤维的一端传到另一端。
（一）. 光通过平行媒质层时的折射 对n 1和n 2媒质的分界面应用折射定律得 对n 2和n 3媒质的分界面应用折射定律得 联立解得(1) 从平行媒质层出射光线的折射角 i 3 , 只取决于入射光线的入射角i 1以及入射和出射空间媒质的折射率 n 1 和 n 3 , 其间的平行媒质层并没有改变出射光线的折射方向 。
(2) 若 n 3 = n 1 ，则 i 3 = i 1 。
例如当光线以某一入射角i 1入射于处在空气中的平板玻璃时,则从平板玻璃出射的光线的折射角 i 3 = i 1 , 即出射光线与入射光线平行。
例1设有一块透明光学材料，由折射率略有不同的许多相互平行、厚度为 d=0.1mm 的薄层紧密连接构成。
如下图表示与各薄层垂直的一个截面， AB 为此材料的端面，与薄层界面垂直。
各薄层的折射率 n k 的数值为 n k =n 0 — kv ，其中 n 0= 1.41 ， v =0.025 。
今有一光线 PO 以入射角θ 0=60 0 射向 O 点。
求此光线在材料内能够到达的离 OO ‘ 最远的距离解：最远处将发生全反射，sin i=n k sin r k 且sin r k =1 即 Kv n i -=0sin K=21.16第21层的上表面就是光线能到达的最深处。
物理学史—光学
西方古代对光学的认识和研究(一)牛顿在光学上的杰出成就，就可以使他成为科学界的头等人物，跻身于科学伟人的行列。
当牛顿只有21 岁的时候，他已开始了自己的研究工作，对光学问题的研究，又是牛顿全部科学研究、创造生活的开端。
1666年牛顿得到了用三棱镜把白光分成七种颜色的光的实验结果，并于1672年发表论文描述了这一色散实验；1704 年出版了《光学》一书，为光学的发展作出了贡献。
这本书和《自然哲学的数学原理》一书是牛顿的两部基本著作。
1666 年，牛顿正在磨制一些非球面形的光学透镜，同时做了一块三角形的玻璃棱镜，以便重复观察包括意大利物理学家格里马耳迪（F.M.Grimaldi，1618—1663）在内的所做的那些著名实验。
牛顿想办法把自己的房间弄暗，在窗板上开了一个小孔，让适度的太阳光进入室内，然后把他自已磨制的棱镜放在光的入口处，使光线由此折射到对面的墙上。
起初牛顿对墙上产生的那些鲜艳、浓烈的颜色，很感兴趣。
但是经过周密考虑后，他惊异地发现它们是长条形的，而根据公认的折射定律，它们的形状应该是圆形的。
为什么会这样？经过反复思考与实验，牛顿悟出了一个道理，并决心做一个判决性的实验。
牛顿取两块板，把其中的一块放在靠近窗户的棱镜的后面，板上开有一个小孔，光线可以通过这个小孔并落到另一块板上。
他把另一块板放在相距约12 英尺的地方，板上也开有一个小孔，并使光线的一部分通过它，然后再把第二块棱镜放在第二块板的后面。
当第一块棱镜绕它的轴转动时，落在第二块板上的像也跟着移动，同时使全部光线都相继通过板上的小孔，射到它后面的棱镜上，记下光线落在墙上的位置。
牛顿发现，在第一块棱镜上被折射得最厉害的蓝光，在第二个棱镜上受到的折射也最大，而红光在这两个棱镜上都被折射得很少。
牛顿便领悟到长条形的像形成的真实原因：光不是同类的和均匀的，它是由不同类型的光线组成的，其中一些比另一些更能被折射。
1672 年2 月6 日，牛顿向英国皇家学会提交了题为“关于光和色的新理论”的论文，详细地描述了上述实验，并提出了对颜色的新见解。
福建省漳州市芗城中学高三物理学史《现代光学的兴起》课件
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• 2、光子学 • • 1970年，在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学 家Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他认 为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学”。 其后，相继出现不少类似的定义。例如，法国颇有 影响的DGRST组织提出：激光二极管的问世，使光子替 代了电子成为信息的载体，从而促成了光子学的形成。 世界著名的美国《SPECTRA》杂志，也于1982年率先更 名为《 PHOTONICS—spectra》，并提出光子学是“研 究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他辐射形 式的科学”，并认为，“光子学的应用范围从能量的 发生到通信与信息处理”。贝尔实验室著名的 Ross 教 授为光子学作了一个颇为广义的定义，他认为，可与 电子学类比，“电子学是关于电子的科学”，光子学 则应是“关于光子的科学”。
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• 光子从激光的相干光束中出射光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能 量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就 有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道 ,具有电子跃迁的分 子就从基态变成了激发态。
• 光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC2=hv,求出 M=hv/C2,
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非线性光学、强光光学、自适应光学
4、非均匀介质 非均匀介质光学、散射光学、组织光学
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§2.激光的发展
一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理 二.研制过程 三.激光的优点
四.激光的应用
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激
光
的
发
展
一.爱因斯坦提出的受激辐射的原理
1916 年，爱因斯坦提出，原子中处于高能级 的电子，受外来光子的作用，当外来光子的频率 与它的跃迁频率一致时，原子中的电子就会从高 能级跳到低能级，并发射一个光子，新光子与原 光子频率、发射方向、相位等都相同，这样一个 光子变成了两个光子，条件合适的情况下，光子 就会象雪崩一样，得到加强和放大，这种放大的 光称为激光。
物理学史(光学)
牛顿有一句名言:“不作虚假的假设”( hypot heses non f ingo) 。他的光 学研究正是从实验和观察出发, 进行归纳综合, 总结出一套完整的科学的理 论。归纳法是科学研究的重要方法之一( 当然不是唯一的方法) , 牛顿对色 散的研究为后人树立了光辉的样板。
第四节 光的微粒说和波动说
2他借助几何图形领悟到谱线波长趋近于某一极值又从几何图形推测出平方关系经过反复校核确定埃格斯特朗的数据最为精确并找到了这个共同因3后来他得到哈根拜希教授之助将建立的公式与紫外区的五根氢谱线核对证明也是正确的这才有把握公之于众
第四章 光学的发展
§ 4.1 历史概述 § 4.2 折射定律的建立 § 4.3 牛顿研究光的色散 § 4.4 光的微粒说和波动说 § 4.5 光谱的研究
光学真正形成一门科学, 应该从建立反射定律和折射定律的时代算起, 这两个定律奠定了几何光学的基础。
光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成, 认为这些微粒按力学规律沿直线飞行, 因此光具有直线传播的性质。19 世纪以前, 微粒说比较盛行。但是, 随着光学研究的深入, 人们发现了许 多不能用直进性解释的现象, 例如干涉、衍射等, 用光的波动性就很容易 解释, 于是光的波动说又占了上风。两种学说的争论构成了光学发展史 中的一根红线。
实验结果是：原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜后又还原成白光， 形状和原来一样。再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色。由此证明， 棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。
高中物理光学、原子物理知识要点讲课稿
光学一、光的折射1．折射定律：大角小角2．光在介质中的光速：3．光射向界面时，并不是全部光都发生折射，一定会有一部分光发生反射。
4．真空/空气的n等于1，其它介质的n都大于1。
5．真空/空气中光速恒定，为，不受光的颜色、参考系影响。
光从真空/空气中进入介质中时速度一定变小。
6．光线比较时，偏折程度大（折射前后的两条光线方向偏差大）的光折射率n大。
二、光的全反射1．全反射条件：光由光密（n大的）介质射向光疏（n小的）介质；入射角大于或等于临界角C，其求法为。
2．全反射产生原因：由光密（n大的）介质，以临界角C射向空气时，根据折射定律，空气中的sin角将等于1，即折射角为90°；若再增大入射角，“sin空气角”将大于1，即产生全反射。
3．全反射反映的是折射性质，折射倾向越强越容易全反射。
即n越大，临界角C越小，越容易发生全反射。
4．全反射有关的现象与应用：水、玻璃中明亮的气泡；水中光源照亮水面某一范围；光导纤维（n大的内芯，n小的外套，光在内外层界面上全反射）三、光的本质与色散1．光的本质是电磁波，其真空中的波长、频率、光速满足（频率也可能用表示），来源于机械波中的公式。
2．光从一种介质进入另一种介质时，其频率不变，光速与波长同时变大或变小。
3．将混色光分为单色光的现象成为光的色散。
不同颜色的光，其本质是频率不同，或真空中的波长不同。
同时，不同颜色的光，其在同一介质中的折射率也不同。
4．色散的现象有：棱镜色散、彩虹。
5．红光和紫光的不同属性汇总如下：四、光的干涉1．只有频率相同的两个光源才能发生干涉。
2．光的干涉原理（同波的干涉原理）：真空中某点到两相干光源的距离差即光程差Δs。
当时，即光程差等于半波长的奇数倍时，由于两光源对此点的作用总是步调相反，叠加后使此点振动减弱；当时，即光程差等于波长的整数倍，半波长的偶数倍时，由于两光源对此点的作用总是步调一致，叠加后使此点振动加强。
3．杨氏双缝干涉：单色光源经过双缝形成相干光，在屏上形成明暗相间的等间距条纹。
物理学史(5)经典光学(2017年3月27日)
以经典理论（含经典机械波和电磁 波理论和几何光学）为基础的光学叫 经典光学
几何光学： 以1621年，斯涅尔提出光的折射定律 提出为标志。 波动光学： 以1800年托马斯· 杨进行杨氏双缝干涉实验为 标志。 量子光学： 以1905年6月，爱因斯坦在[德国物理] 上，发表论文--关于光的产生和转化的 一个启发性观点，提出光子概念为标志。
2、波动光学的建立和发展
1665年意大利的格里马第论述光的衍射和颜色。 1667年，胡克出版《显微术》，认为光是与水波 类似的脉冲波。 1678年法国的惠更斯在《论光》中认为光是发光 体中微小振动，弥漫于宇宙中的波动过程，并提出 惠更斯原理。 1690年，荷兰的惠更斯提出早期的波动说，认为 光是粒子振动的传播； 1704年牛顿出版《光学》系统介绍色散的理论和 实验研究。 1800年，托马斯· 杨进行杨氏双缝干涉实验。
1801年，托马斯· 杨在论文中全面论述光的 干涉原理。 1809年，法国的马吕斯发现反射光的偏振现 象，并提出光偏振的马吕斯定律。 1819年，荷兰的菲涅尔提出新的波动说和菲 涅尔原理； 1811年，英国的布鲁斯特发现布鲁斯特角， 此时反射光为平面偏振光。 1849年，菲索测得光速（值为 315300km.s）; 1851年，麦克斯威提出光的电磁波理论。
1611年开普勒出版—折光学 ； 1621年，荷兰的菲涅尔实验得到光的 折射定律，建立了几何光学； 1637年荷兰的斯涅利乌斯发现，笛卡 尔正式提出了光的折射定律。几何光学 诞生； 1704年，牛顿提出光的微粒说，并得 到光的折射定律，并对颜色给予解释。 1712年，延森制成第一架显微镜
物理学史——第四章光学建立与发展
一.早期光学
物理学史——第四章光学建立与发 展
欧几里得——光的反射
物理学史——第四章光学建立与发 展
物理学史——第四章光学建立与发 展
阿勒.哈增——光的折射
物理学史——第四章光学建立与发 展
物理学史——第四章光学建立与发 展
西奥多里克——彩虹现象
物理学史——第四章光学建立与发 展
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。
物理学史——第四章光学建立与发 展
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
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。
利用光线是可逆的可推出：
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∑’。
物理学史——第四章光学建立与发 展
2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：
荷兰人，1621年从实验得到准确的折射定律 。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。
物理学史——第四章光学建立与发 展
3 笛卡儿的工作：
物理学史——第四章光学建立与发 展
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。