第6章 光学的发展PPT讲稿.ppt
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1、第6章 光学的发展第1页,共20页,编辑于2022年,星期一6.1 西方古代和中世纪的光学成就简述西方古代和中世纪的光学成就简述古代光学古代光学基本上停留在几何光学的研究和总结上。基本上停留在几何光学的研究和总结上。公元前公元前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都有记载。如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等。记载。如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等。托勒密对折射现象的实验研究托勒密对折射现象的实验研究 古希腊时期的天文学家古希腊时期的天文学家托勒密托勒密专门专门作过光的折射实验,写有作过光的折射实验,写有光学光学5卷,记载卷,记载:折射角与入射
2、角成正比折射角与入射角成正比。今天我们知道这个结论是不正确今天我们知道这个结论是不正确的,它只有在入射角很小的情况的,它只有在入射角很小的情况下才近似成立下才近似成立第2页,共20页,编辑于2022年,星期一 留给我们的沉思:留给我们的沉思:从托勒密的实验设计实验方法到实验数据从托勒密的实验设计实验方法到实验数据的收集可以说是完全正确的。他的实验结果也是相当精确的,与的收集可以说是完全正确的。他的实验结果也是相当精确的,与现代值几乎没有多大的差别。但是托勒密可惜的是未能从正确的现代值几乎没有多大的差别。但是托勒密可惜的是未能从正确的数据中发现正确的规律,从这里可看出对实验数据正确处理,加数据中
3、发现正确的规律,从这里可看出对实验数据正确处理,加上正确理论的指导在发现规律中的重要性。托勒密是第一个用实上正确理论的指导在发现规律中的重要性。托勒密是第一个用实验方法测定入射角和折射角的人,他曾求出具有单位半径的圆中验方法测定入射角和折射角的人,他曾求出具有单位半径的圆中弧与所对应的弦长数字,并巧妙地用数学方法编制了表弧与所对应的弦长数字,并巧妙地用数学方法编制了表(相当于现(相当于现代的正弦三角函数表),代的正弦三角函数表),他当时对折射角和入射角的测量是相当他当时对折射角和入射角的测量是相当精确的,如果他当时把关于光折射的实验数据与他所编制的这精确的,如果他当时把关于光折射的实验数据与他
4、所编制的这份表作一比较的话,他就会不难发现入射角的正弦与折射角的份表作一比较的话,他就会不难发现入射角的正弦与折射角的正弦之比对给定的两种介质来说是一个常数,这样他就会发现正弦之比对给定的两种介质来说是一个常数,这样他就会发现折射定律,然而他却没有这样做,以致错过了一次发现的机会。折射定律,然而他却没有这样做,以致错过了一次发现的机会。第3页,共20页,编辑于2022年,星期一中世纪时阿拉伯人中世纪时阿拉伯人阿勒哈增阿勒哈增(965-1038)著)著光学全书光学全书,讨论了,讨论了许多光的现象。许多光的现象。欧几里德欧几里德在其在其反射光学反射光学中记载了光的反射。中记载了光的反射。6.2 折
5、射定律的建立折射定律的建立 这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律,奠定了反射定律和折射定律,奠定了几何光学几何光学的基础。同时为了提高人眼的的基础。同时为了提高人眼的观察能力,人们发明了光学仪器,第一架观察能力,人们发明了光学仪器,第一架望远镜望远镜的诞生促进了天文的诞生促进了天文学和航海事业的发展,学和航海事业的发展,显微镜显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。工具。荷兰的荷兰的李普塞李普塞在在1608年发明了第一架年发明了第一架望远镜望远镜。第4页,共
6、20页,编辑于2022年,星期一开普勒对折射规律的修正开普勒对折射规律的修正 德国人开普勒德国人开普勒在汇集前人光学知识的在汇集前人光学知识的基础上,断定托勒密关于折射规律基础上,断定托勒密关于折射规律的结论是不正确的。于是他开始便的结论是不正确的。于是他开始便想通过实验发现折射定律,但实验想通过实验发现折射定律,但实验最后没有成功。他便转向从理论上最后没有成功。他便转向从理论上加以探索,他得出的折射定律是:加以探索,他得出的折射定律是:折射角由两部分组成,一部分正比于入折射角由两部分组成,一部分正比于入射角,另一部分正比于入射角的正割;射角,另一部分正比于入射角的正割;只有在入射角小于只有在
7、入射角小于30时,入射角时,入射角和折射角成正比的关系才成立,和折射角成正比的关系才成立,显然,开普勒关于折射定律的研究显然,开普勒关于折射定律的研究和修正比托勒密前进了一步。但还没能给出正确的折射定律。和修正比托勒密前进了一步。但还没能给出正确的折射定律。第5页,共20页,编辑于2022年,星期一 开普勒开普勒还于还于1611年发表了他的著作年发表了他的著作屈光学屈光学,提出照度定律,提出照度定律,还设计了几种新型的望远镜。折射定律的精确公式则是还设计了几种新型的望远镜。折射定律的精确公式则是斯涅耳斯涅耳和和笛卡笛卡儿儿提出的。提出的。1621年年斯涅耳斯涅耳在他的一篇文章中指出,入射角的余
8、割和折在他的一篇文章中指出,入射角的余割和折射角的余割之比是常数,而笛卡儿约在射角的余割之比是常数,而笛卡儿约在1630年在年在屈光学屈光学中给出了中给出了用正弦函数表述的用正弦函数表述的折射定律。折射定律。第6页,共20页,编辑于2022年,星期一斯涅耳发现折射定律斯涅耳发现折射定律 荷兰数学家荷兰数学家斯涅耳斯涅耳(15911626)于)于1620年前后,通过实验确年前后,通过实验确立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律。他注意研究了立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律。他注意研究了水中的物体看起来象飘浮的现象,做了如下实验:当在空气中水中的物体看起来象飘浮的现象,做了如下实验:当在
9、空气中的的0点观察水中的点观察水中的F点时,犹如在点时,犹如在C点一样,如点一样,如P156图图6-2(a)所示。所示。斯涅耳发现,对于任意入射角存在以下关系如图斯涅耳发现,对于任意入射角存在以下关系如图6-2(b)所示所示 斯涅耳没有用理论推导,而是用实验又验证了它。斯涅耳对折斯涅耳没有用理论推导,而是用实验又验证了它。斯涅耳对折射定律作了如下表述:射定律作了如下表述:在不相同的介质里,入射角和折射角的余割之比总是保持相同的在不相同的介质里,入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。值。由于余割和正弦成反比,所以这个叙述等价于现代折射定律的由于余割和正弦成反比,所以这个叙述等价于现代折射定律
10、的表达式。表达式。第7页,共20页,编辑于2022年,星期一笛卡儿进一步完善了光的折射定律笛卡儿进一步完善了光的折射定律 法国人笛卡儿法国人笛卡儿,他以媒质中球的运动作类比,试图说明折射,他以媒质中球的运动作类比,试图说明折射定律。假设球在媒质定律。假设球在媒质中运动,当进入媒质中运动,当进入媒质时,球速的水平分时,球速的水平分量不变,垂直部分增大,量不变,垂直部分增大,中的光速变成中的光速变成中光速的中光速的u倍其结倍其结果球在媒质果球在媒质内部偏转,而所需时间仅为通过媒质内部偏转,而所需时间仅为通过媒质中所需时间中所需时间的的1/u。因此根据几何关系,可得在这段时间内,球在水平方因此根据几
11、何关系,可得在这段时间内,球在水平方向前进的距离等于向前进的距离等于CB/u。所以:。所以:式中式中i为入射角,为入射角,r为折射角为折射角 笛卡儿第一次给出了折射定律的现代表述形式。笛卡儿第一次给出了折射定律的现代表述形式。第8页,共20页,编辑于2022年,星期一费马对折射定律的发展与理论论证费马对折射定律的发展与理论论证 法国人费马法国人费马(16011665)从理论上得到费马原理,并用演绎方法从)从理论上得到费马原理,并用演绎方法从费马原理中推导出折射定律。费马原理中推导出折射定律。1费马从理论上得到费马原理:费马从理论上得到费马原理:费马从理论上推导出:费马从理论上推导出:光沿着光光
12、沿着光程为极值的路径传播。程为极值的路径传播。根据变分法原理,得出光程的极值条件。即费根据变分法原理,得出光程的极值条件。即费马原理的数学表达式,由费马原理可以推导出反射定律和折射定律,马原理的数学表达式,由费马原理可以推导出反射定律和折射定律,并可证明它们的光程为极值。并可证明它们的光程为极值。2费马用演绎方法导出折射定律费马用演绎方法导出折射定律:费马在前人发现折射定律的基础费马在前人发现折射定律的基础上对光的折射定律又有了新的发展。费马认为,导出折射定律可以采取另上对光的折射定律又有了新的发展。费马认为,导出折射定律可以采取另一种截然不同的思考方法。他假定不同媒质对光的传播表现出不同的阻
13、力,一种截然不同的思考方法。他假定不同媒质对光的传播表现出不同的阻力,他首先指出,光在不同媒质中传播时,所走路程取极值,即遵从费马原理。他首先指出,光在不同媒质中传播时,所走路程取极值,即遵从费马原理。即是说,光从空间的一点到另一点,是沿着光程为极值(最小、最大或常即是说,光从空间的一点到另一点,是沿着光程为极值(最小、最大或常量)的路程传播的。量)的路程传播的。第9页,共20页,编辑于2022年,星期一6.3 17世纪关于光的本性的争论世纪关于光的本性的争论 关于光的本性的概念,是以光的直线传播观念为基础关于光的本性的概念,是以光的直线传播观念为基础的,但从十七世纪开始,就发现有与光的直线传
14、播不完全的,但从十七世纪开始,就发现有与光的直线传播不完全符合的事实。意大利人符合的事实。意大利人格里马第格里马第首先观察到光的首先观察到光的衍射现象。衍射现象。接着,接着,胡克胡克也观察到衍射现象,并且和也观察到衍射现象,并且和波意尔波意尔独立地研究独立地研究了薄膜所产生的彩色了薄膜所产生的彩色干涉条纹干涉条纹,这些都是光的波动理论的,这些都是光的波动理论的萌芽。萌芽。借助于光程这个概念可将光在媒质中所走过的路程折算为光在真借助于光程这个概念可将光在媒质中所走过的路程折算为光在真空中通过的路程,这样便于比较光在不同媒质中所走路程的长短。空中通过的路程,这样便于比较光在不同媒质中所走路程的长短
15、。1661年费马运用费马原理成功地导出了折射定律。年费马运用费马原理成功地导出了折射定律。第10页,共20页,编辑于2022年,星期一 在在17世纪中,主张波动说的有世纪中,主张波动说的有笛卡尔、胡克笛卡尔、胡克和和惠更斯惠更斯,主张微,主张微粒说的有粒说的有伽桑迪伽桑迪和和牛顿。牛顿。1、关于波动说、关于波动说 十七世纪下半叶,十七世纪下半叶,牛顿牛顿和和惠更斯惠更斯等把光的研究引向进一步岁展等把光的研究引向进一步岁展的道路。的道路。1672年牛顿完成了著名的三棱镜色散实验,并发现了年牛顿完成了著名的三棱镜色散实验,并发现了牛顿圈(但最早发现牛顿圈的却是胡克)。在发现这些现象的牛顿圈(但最早
16、发现牛顿圈的却是胡克)。在发现这些现象的同时,牛顿于公元同时,牛顿于公元1704年出版的年出版的光学光学,提出了光是,提出了光是微粒流微粒流的的理论,他认为这些微粒从光源飞出来。在真空或均匀物质内由于惯性理论,他认为这些微粒从光源飞出来。在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动,并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解而作匀速直线运动,并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿圈时,却遇到了困难。同时,这种微粒流的假设也难以说明光释牛顿圈时,却遇到了困难。同时,这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。衍射现象。第11页,共20页,编辑于2
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