光学发展简史论文.docx

目录简介1 萌芽时期21.1 中国光学萌芽及发展21.1.1 对光的直线传播的认识21.1.2 光的反射和镜的利用31.1.3 对大气光学现象的探讨31.1.4 对成影现象的认识51.2 西方光学及萌芽6 2 几何光学时期63 波动光学时期74 量子光学时期85 现代光学时期96 参考文献10关键词:光学、萌芽、几何、波动、量子、现代光学简介光是一种重要的自然现象，我们所以能够看到客观世界中五彩缤纷、瞬息万变的景象，是因为眼睛接收物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感官收到外部世界的总信息量中，至少有 90以上通过眼睛。光学是一门古老而又年轻的学科。其悠久的历史几乎和人类文明史本身一样久远；近半个世纪以来它又以令人惊叹的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成果、以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代科学技术的前沿。在全面展开对光学基本知识的讨论之前， 让我们简短地回顾人类获得今天的知识所走过的路程，以便对它的全貌有一概括的了解。尽管这种介绍只能是相当粗糙而简略的。它是物理学中最古老的一个基础学科，也是当前科学研究中最活跃的前沿阵地，具有强大的生命力和不可估量的前途。光学的发展过程是人类认识客观世界的进程中一个重要的组成部分，是不断揭露矛盾和克服矛盾、从不完全和不确切的认识总部走向较完善和较确切认识的过程。它的不少规律和理论是直接从从欧美和生产实践中总结出来的，也有相当多的发现来自长期的系统的科学实验。光学的发展为生产技术提供了许多精密、快速的实验手段和重要的理论依据；而圣餐技术的发展，又反过来不断向光学提出许多要求解决的新课题，并为进一步深入研究光学准备了物质条件。光学的发展大致可换分为 5 个时期：一、萌芽时期；二、几何光学时期； 三、波动光学时期；四、量子光学时期；五、现代光学时期。1. 萌芽时期1.1 中国光学萌芽及发展中国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据书籍记载，中国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。1.1.1 对光的直线传播的认识早在春秋战国时墨经已记载了小孔成像的实验：“景，光之人， 煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”， 以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。宋代， 沈括在梦溪笔谈中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔， 使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中， 其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。1.1.2 光的反射和镜的利用中国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前 2000 年夏初的齐家文化时期已经出现。后来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用 范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各种平面镜、凹面镜和凸面镜，甚 至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。19561957 年河南陕县上村岭1052 号虢国墓出土过春秋早期的一面阳燧(凹面镜)，它直径 7.5 厘米，凹面呈银白色，打磨十分光洁，背面中心还有一高鼻纽以便携带，周围是虎、鸟花纹。镜的利用为光的反射的研究创造了良好的条件，使中国古代对光的反射现象和成像规律有较早的认识。这方面的记载也较多。关于平面镜 反射成像，墨经中记载：“景迎日，说在转”。说明人像投在迎向太 阳的一边，是因为日光经过镜子的反射而转变了方向。这是对光的反射现 象的一种客观描写。关于平面镜组合成像，庄子·天下篇中记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴重影无穷”。生动地描写了光线在两镜之 间彼此往复反射，形成许许多多像的情景。淮南万毕术记载：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣”。其原理和现代的潜望镜很类似。对凸面镜成像的规律，在墨经中有所叙述：“鉴团，景一，说在刑之 大”。经说中进一步解释说：“鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大，其远， 所鉴小，景亦小，而必正”。它说明了凸面镜只成一种像，物体总成一种 缩小而正立的像，对凸面镜成像规律作了细致描写。关于凹面镜，墨经记载：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内”。说明当时已认识到凹面镜有一个“中”(指焦点和球心之间)。物在“中”之外，得到比物体小而倒立的像，物在“中”之内，得到的是比物体大而正立的像， 这种观察是细致而周密的。淮南子·天文训记载：“阳燧见日则燃而 为火'。这说明中国古代已认识到凹面镜对光线有聚作用。梦溪笔谈中也有记载：“阳燧，面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂 倒”。此处不仅述了凹面镜成像的规律，还提出了测凹面镜的焦距的一种 粗略方法，发现成正像和倒像之间有个分界点。梦溪笔谈又说：“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， 着物则火发，此则腰鼓最细处也”。作者(沈括)把聚光点形容如芝麻和豆 粒那么之小，又把它称作“碍”，用“腰鼓最细处”形容地比喻光束的会 聚，十分贴切。1.1.3 对大气光学现象的探讨大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。周礼中记载有“十煇”，指的是括“霾”和“虹”等在内的十种大气光学现象。到唐代对它的认识更加细致、深入。晋书·天文志中明确指出：“日旁有气，圆而周布， 内赤外青，名日晕”。此处不仅为晕下了定义，而且把晕按其形态冠以各 种形象的名称，如将太阳上的一小段晕弧叫做“冠”；太阳左右侧内向的 晕弧叫做“抱”等等。另外在魏书·天象志中对晕也有记载。除此以 外，在宋朝以后的许多地方志中也记载有大气光象，还出现了关于大气光 象的专著及图谱，其中天象灾瑞图解一直流传至今。殷商时期，就出现了有关虹的象形文字，对虹的形状和出现的季节、方位不少书有所记载， 如礼记·月令指出：“季春之月虹始见”，“孟冬之月虹藏 不见”。东汉蔡邕(132192)在明堂月令中写道：“虹见有青赤之色， 常依阴云而昼见于日冲。无云不见，太阳亦不见，见辄与日相互，率以日 西，见于东方?这些记载虽然是很粗浅的，经验性的，但它却是关于虹的确凿记录。魏、晋以后，对虹的本质和它的成因逐渐有所探讨，南朝江淹说自己对虹“迫而察之”，断定是因为“雨日阴阳之气”而成。唐初已认识到虹的成因，”若云薄漏日，日照雨滴则虹生”，明确指出“日照” 和“雨滴”是产生虹的条件。后来，张志和在玄真子·涛之灵中明确 指出：“背日喷乎水，成虹霓之状'。第一次用实验方法得出人工造虹，到南宋时，蔡在毛诗名物解中，对这一种更有发展：“今以水喷日，自 侧视之则晕为虹”。不仅重复了玄真了中的实验方法，而且更进一步 指出了观察者所在的位置。在国外对虹的成因作出解释的是在 13 世纪，因此我们对虹成因的正确描述比西方早约 600 年。关于海市蜃楼，中国古代也早有记载，如史记·天官书：“蜃气 象楼台”。汉书·天文志：“海旁蜃气楼台”。晋书·天文志：“凡海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙，北夷之气如牛羊群畜穹庐，南夷之气类 舟船幡旗”。这是对海市蜃楼的如实描写，但当时并不了解其成因和机理。到宋朝苏轼对它才有较正确的认识，他在登州海市中说：“东方云海空复空，群山出没月明中，荡摇浮进生万象，岂有贝阙藏珠宫”。此处明确地表示海市蜃楼都是幻景，蜃气并不能成宫殿的思想。到明、清之际， 陈霆、方以智等人对海市蜃楼作了进一步探讨，陈霆认为海市蜃楼的成因 是：“为阳焰和地气蒸郁，偶尔变幻'。方以智认为“海市或以为蜃气，“非也”。张瑶星认为蓬莱岛上的蜃景是附近庙岛群岛所成的幻景，后来揭暄 和游艺画了“山城海市蜃气楼台图”，图上右方是左方楼台的倒影。文中 记载了登州(即蓬菜)海市，并说：“昔曾见海市中城楼，外植一管，乃本 府东关所植者。因语以湿气为阳蒸出水上，竖则对映，横则反映，气盛则 明，气微则隐，气移则物形渐改耳，在山为山城，在海为海市，言蜃气， 非也。”这一气“气映”说是对当时海市蜃楼知识的珍贵总结。极光是一 种瞬息变幻、绚丽多彩的大气光象，中国处在北半球，故观察到的只能是北极光。早在二千年前，中国就对北极光人加以观察，并有所记载，竹书纪年中记载：“周昭王末年，夜清，五色光贯紫微。其年，王南巡不返”。此文虽如实地记录了北极光出现的时间、方位和颜色，但把王南巡不返(卒于江上)联系起来，说明当时对北极光还没有正确的认识。对北极光的形状、颜色不少书都有详细的描述，并绘有彩色极光图，这些都是研究北极光的极好史料。1.1.4 关于成影现象的认识日常生活中，在光线照射下，影随时随处可以见到，它引起人们的注意，并探究其形成的规律。立竿见影是中国古代最早被注意的问题，后来用此方法测影定向，并应用于确定墓穴和建筑物的方位上。这套方法在周代已发展很精密，据考工记记载，当时有“土方氏”使用圭表，“典瑞氏”管理土圭，“匠人”则使用土圭辨定方位进行建筑，并指出在测表影之先，要使地面保持水平，使表竿保持垂直，这说明当时已认识到投影的长度和光源位置有关，而且也和物体的斜度有关。墨经中对成影的讨论更加深入，通过实验明确指出：表秆在地面上投影的粗细长短，是随木离光源的远近、木的倾斜度以及光源的大小变化而变化的规律。中国古代对光的认识除以上所述外，还有其他一些方面，如折射现象； 天然晶体的色散；明清时期，光学从西方传入后，还有了光学仪器的制作 等等，但这些认识是零散的，定性的，绝大多数都只停留在对光学现象的 描写和记载上。值得提出的是宋末元初的赵友钦(13世纪中叶至 14 世纪初叶)，在革象新书的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。 通过它可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔(大小和形状)、光源 (形状和强度)、像(形状和亮度)、物距、像距之间的关系进行研究。将两 块圆板上各插 1000 多支蜡烛，放在阱底或桌面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与光源强度之 间的关系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特 色，是中国历史上记载的规模最大的实验。还有值得提出的元代郭守敬(12311316)曾巧妙地利用针孔取像器“景(影)符”解决了历来圭表 读数不准的问题。一般圭表因太阳上下边沿投影在影端生成半影，因此读 数比较模糊。正如元史卷 48所说：“表短，所谓分、秒、太、少、半之数，末易分别表长，影虚而谈，难得实影”。郭守敬在建河南登封观星台时除用水平沟使圭面保持水平外，在表上加一横梁，在圭上 加一可移动的“景符”)即在约宽 2 寸和斜铜时上扎一针孔，以“楮(即斜) 竿”调其倾度以迎晶光。这样，太阳针孔像“仅如米许，隐然见横梁于其 中”，细如发丝，误差可达 0.1 毫米。郭守敬的观测结果之精确令拉普拉