第三章光学的历史概述.ppt

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1、一一.早期光学早期光学二二.折射定律的建立折射定律的建立三三.光学仪器的研制光学仪器的研制四四.牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究1.光学的历史概述光学的历史概述光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述1. 古代光学古代光学:基本上停留在几何光学的研究和基本上停留在几何光学的研究和总结上。总结上。公元前公元前5 5世纪世纪墨经墨经、北宋时期沈括的、北宋时期沈括的梦溪笔谈梦溪笔谈都有记载。都有记载。一一.早期光学早期光学托勒密 (C.Ptolemaeus,希，约公元100-170)古 希 腊欧 几 里 德(Euclid，约公元前330-公元前275）研究光的反射研究光的折射托勒密像光光 学

2、学 的的 历历 史史 概概 述述2.中世纪中世纪: 阿勒哈增（阿勒哈增（965-1038）(阿拉伯人阿拉伯人)著著光学光学。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述荷兰人荷兰人斯涅耳斯涅耳最早提出最早提出折射定律折射定律，由，由法国数学家费马（法国数学家费马（1601-16651601-1665）提出费马原）提出费马原理，予以确定，使几何光学理论很快发展。理，予以确定，使几何光学理论很快发展。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述二二.折射定律的建立折射定律的建立1.12991.1299年，发明了眼镜。意大利人阿玛蒂年，发明了眼镜。意大利人阿玛蒂制造了眼镜。制造了眼镜。2.16082.160

3、8年，荷兰人李普塞制成第一台望远年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，伽利略改进成放大镜，伽利略改进成放大3232倍的望远镜。倍的望远镜。3.3.几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微镜。显微镜。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述三三.光学仪器的研制光学仪器的研制1666-1666-17041704年间，年间，牛顿用色散牛顿用色散原理解释了原理解释了天界神秘而天界神秘而瑰丽的彩虹。瑰丽的彩虹。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述四四.牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究一一.光的微粒说光的微粒说二二.光的波动学说光的波动学说三三.光应具有波粒二相性光

4、应具有波粒二相性2.光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争17041704年，牛顿：年，牛顿：“光是一种细微的大小光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子。不同的而又迅速运动的粒子。”一一.光的微粒说光的微粒说1.代表人物代表人物:惠更斯，胡克惠更斯，胡克：“光必定是一种振动。光必定是一种振动。”2.波动说的困境波动说的困境:由于当时没发由于当时没发现光的干涉、衍射等波动现现光的干涉、衍射等波动现象，使光的波动说难以自圆象，使光的波动说难以自圆其说。其说。惠更斯像光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说

5、说 的的 论论 争争二二.光的波动学说光的波动学说3.19世纪光的波动说的两个英雄世纪光的波动说的两个英雄1) 托马斯杨(1773-1829)：两岁认字，四岁能两岁认字，四岁能读圣经，读圣经，2323岁获医学学位。岁获医学学位。因牛顿反对波动说，因牛顿反对波动说，光的微粒说在百年中占了光的微粒说在百年中占了上风，波动说几乎销声匿上风，波动说几乎销声匿迹。迹。光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争托马斯杨像设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象。象。面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的勇敢精神

6、说：勇敢精神说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我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。我遗憾地看并因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。了科学的进步。”光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争2)菲涅耳(1788-1827) ：法国工程师。完善了惠法国工程师。完善了惠更斯理论，提出了子波相干的思想。更斯理论，提出了子波相干的思想。菲涅耳的理论菲涅耳的理论泊松的计算泊松的计算阿拉阿拉果的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。果的实验找到了有利于波动说的泊松亮点。这

7、样光的波动说赢得了第一回合的胜利。这样光的波动说赢得了第一回合的胜利。光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争在在18181818年法国科学院悬赏征文中一举成名。年法国科学院悬赏征文中一举成名。光的波动说无法解释光电效应，光的波动说无法解释光电效应，但粒子说可以解释。它的思想是爱因斯但粒子说可以解释。它的思想是爱因斯坦光量子理论的起源。坦光量子理论的起源。光光 的的 波波 动动 说说 和和 微微 粒粒 说说 的的 论论 争争三三.光应具有波粒二相性光应具有波粒二相性3. 光谱的研究光谱的研究一一.巴尔末发现氢光谱规律巴尔末发现氢光谱规律二二.广义巴尔末公式广义巴尔

8、末公式光光 谱谱 的的 研研 究究1.背景:杨的干涉实验提供了测定波长的方法杨的干涉实验提供了测定波长的方法。夫琅禾费夫琅禾费对太阳光谱也进行了细对太阳光谱也进行了细心的检验。心的检验。1814年年基尔霍夫在研究碱金属光谱发现基尔霍夫在研究碱金属光谱发现了铯和铷。了铯和铷。1859年年埃格斯特朗埃格斯特朗首先找到氢光谱的谱首先找到氢光谱的谱系。系。1868年年一一.巴尔末发现氢光谱规律巴尔末发现氢光谱规律2.瑞士科学家巴尔末瑞士科学家巴尔末(1825-1898)的贡献的贡献如何从浩繁如何从浩繁的光谱资料中找的光谱资料中找出其中的规律出其中的规律? ?光光 谱谱 的的 研研 究究巴尔末像巴尔末像

9、巴尔末，瑞士的一位中学数学教师，在巴尔末，瑞士的一位中学数学教师，在哈根拜希教授的指点下将氢光谱的规律总结哈根拜希教授的指点下将氢光谱的规律总结出来，于出来，于18841884年年6 6月月2525日正式发表日正式发表: :, 5 , 4 , 3422nnnB次年发表了论文。次年发表了论文。光光 谱谱 的的 研研 究究1)1)由于埃氏对氢谱线的精确测量，提供了氢的由于埃氏对氢谱线的精确测量，提供了氢的可见光部分的四条谱线的精确波长，从中巴可见光部分的四条谱线的精确波长，从中巴尔末提出了一个共同因子：尔末提出了一个共同因子：B=3645.6B=3645.610107 7毫米毫米。光光 谱谱 的的

10、 研研 究究2)2)氢的前四根谱线的波长可以从这一基数，相氢的前四根谱线的波长可以从这一基数，相继乘以系数继乘以系数9/59/5，4/34/3，25/2125/21，9/89/8。初看起。初看起来，这四个系数，没有构成规则数列，但如来，这四个系数，没有构成规则数列，但如果将第二项与第四项分子、分母分别乘以果将第二项与第四项分子、分母分别乘以4 4，则分子为则分子为3 32 2，4 42 2，5 52 2，6 62 2，而分母的完全平方，而分母的完全平方422nn的规律。的规律。相应的差相应的差4 4，这样就出现了，这样就出现了光光 谱谱 的的 研研 究究由于巴尔末公式的发现，光谱成因的由于巴尔

11、末公式的发现，光谱成因的神秘大门被打开了，人们研究原子内部结神秘大门被打开了，人们研究原子内部结构，又有了一个新的依据，此后光谱规律构，又有了一个新的依据，此后光谱规律不断被揭示，不断被揭示， 一门新的系统的科学一门新的系统的科学原子光谱形成了。原子光谱形成了。光光 谱谱 的的 研研 究究光光 谱谱 的的 研研 究究二二. 广义巴尔末公式广义巴尔末公式光光 速速 的的 测测 定定光在真空中的传播速度是一个极其重光在真空中的传播速度是一个极其重要的物理量，能否准确测定是物理实验技要的物理量，能否准确测定是物理实验技术水平和理论水平的标志。术水平和理论水平的标志。4. 光速的测定光速的测定一一.早

12、期的实验早期的实验二二.天文学方法天文学方法三三.地面方法地面方法光光 速速 的的 测测 定定1.伽利略提出:在已知距离的两个高山峰上，放在已知距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间两盏灯，利用接收灯闪亮的时间去除间距，来测光速，但误差较去除间距，来测光速，但误差较大大。一一.早期的实验早期的实验木星有木星有1313个卫星，个卫星，I I0 0（木卫一）是木星的一颗卫（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约星，绕木星旋转一周的时间约4242小时小时2828分分1616秒，因此秒，因此在地球上看在地球上看I I0 0蚀也应是蚀也应是4242小时小时2828分分1616秒一次

13、，但是观秒一次，但是观测后时间却不一样，原因是两次观测木星与地球的距测后时间却不一样，原因是两次观测木星与地球的距离不一样，从离不一样，从I I0 0发出的光信号所传递的空间距离不同。发出的光信号所传递的空间距离不同。用两次木卫蚀的时间差去除两次木星与地球的距离差，用两次木卫蚀的时间差去除两次木星与地球的距离差，即可求得光速。即可求得光速。现代人用此法可测光速为：现代人用此法可测光速为：2.9982.99810108 8米米/ /秒。秒。光光 速速 的的 测测 定定二二.天文学方法天文学方法丹麦人奥罗斯丹麦人奥罗斯罗末罗末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提出。

14、年提出。18491849年，法国人菲索（年，法国人菲索（1819-18961819-1896）用）用齿轮旋转法测得光速为齿轮旋转法测得光速为3.153.1510108 8米米/ /秒。秒。他是第一个首次证明光速可以在实验中测他是第一个首次证明光速可以在实验中测得的人。另外，法国人付科、美国人纽克得的人。另外，法国人付科、美国人纽克姆等都对光速测定做过贡献。姆等都对光速测定做过贡献。光光 速速 的的 测测 定定三三.地面方法地面方法下面介绍阿尔伯特迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：棱镜旋转的转速可棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收以测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学光来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。关系，可以导出光速来。22英里英里光光 速速 的的 测测 定定19071907年，阿尔伯特年，阿尔伯特迈克迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理尔逊是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家。奖的美国科学家。光光 速速 的的 测测 定定