物理与文化物理与文化物理与文化 (29).pdf

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1、第五讲：无处不在的波2光的认识光的认识.墨经墨经（400 B.C.）：“小孔成像”：“小孔成像”淮南子发明用以取火的“阳燧”淮南子发明用以取火的“阳燧”凸面镜的成像，日食、月食的起因和预报等凸面镜的成像，日食、月食的起因和预报等3梦溪笔谈记载：4 伊本海赛木（11世纪）：发明透镜 开普勒（1611年）：折光学 李普希、伽利略和开普勒（17世纪初）：发明望远镜 笛卡儿（17世纪中）：折射与反射定律 牛顿（1666年）：棱镜色散反射光学（欧几里得，300 B.C.）：光的反射5物理学世界杂志十大“最美丽”的实验之一牛顿的第一篇科学论文关于光和色的新理论记载了他的棱镜实验。光的科学认识史：几何光学几

2、何光学波动光学波动光学量子光学量子光学（粒子说）（粒子说）（波动说）（波动说）（量子说）（量子说）折射，反射折射，反射干涉，衍射干涉，衍射光电效应光电效应67光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接一个地迅速发射出来，以直线行进，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。17世纪70年代，牛顿提出光的微粒说光的反射光的反射反射定律：微粒说解释：光微粒射到镜面，会像弹性小球一样被弹回8一、光的微粒说光的折射光的折射折射定律：微粒说解释：水媒质对光微粒的拉力增加，从而使其运动方向发生改变。sinsinnn水空气常数一、光的微粒说9二、波动光学10克 里 斯 蒂 安 惠 更 斯(Christiaan H

3、uygens，1629-1695)荷兰物理学家、天文学家、数学家。他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱，是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。惠更斯11二、波动光学惠更斯波动说光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质中的传播过程，即光是振动的传播，不是粒子本身像子弹或箭那样的运动。以太波类比声波，以太波是纵波光光的本性的本性:波波 还是还是粒子粒子?惠更斯 1629-1695牛顿 1642-172721sinsinvivvv水空气21sinsinnirnvv水空气n1n

4、21213以水面波为例：干涉效应干涉效应 波的特殊的叠加现象波的特殊的叠加现象相干条件：相干条件：振动方向相同，频率相同，位相差恒定（步调一致）振动方向相同，频率相同，位相差恒定（步调一致）二、波动光学有些地方振动始终加强；有些有些地方振动始终加强；有些地方振动始终减弱。而且这是地方振动始终减弱。而且这是一个不随时间改变的图案。一个不随时间改变的图案。两个小球固定在一起，以两个小球固定在一起，以相同相同的频率的频率敲打水面明显的敲打水面明显的干涉图干涉图样：样：两个两个同步光源同步光源，不是一件容易的事情，不是一件容易的事情托马斯杨（T.Young,1773-1829）托马斯 杨（Thomas

5、 Young，1773年-1829年）英国医生、物理学家，光的波动说的奠基人之一。杨是一个神童，4岁时就读完圣经两次；14岁时通晓8种语言，后来还成为辨认埃及象形文字的专家。除了在科研方面造诣深厚，据说杨还擅长骑马，能耍杂技走钢丝，几乎会演奏那个年代所有的乐器，甚至在美术领域也颇有一番见解。二、波动光学14二、波动光学杨氏双缝实验的创新点杨氏双缝实验的创新点分光分光最美的十大物理实验中占了二位15二、波动光学自然界的分光实验自然界的分光实验薄膜干涉1617二、波动光学五颜六色的肥皂泡相机镜头的增透膜生活中光的干涉二、波动光学圆孔衍射圆孔衍射爱里斑：决定光学仪器的分辨率18光波的衍射光波的衍射波

6、遇到障碍物时，偏离直线传播波遇到障碍物时，偏离直线传播单缝衍射单缝衍射仪器分辨率D22.1min仪器分辨率仪器分辨率19二、波动光学1818年法国科学院悬奖论文课题：年法国科学院悬奖论文课题：用用波的微粒说波的微粒说解释衍射现象。解释衍射现象。菲涅耳菲涅耳反其道而行之，利用反其道而行之，利用波动学说波动学说，以严谨的数学推理，以严谨的数学推理，计算了圆孔所产生的衍射图样，结果与实验一致计算了圆孔所产生的衍射图样，结果与实验一致.菲涅耳（A.Fresnel,1788-1827）20二、波动光学大数学家泊松别出心裁，将小孔换成小圆盘，重复数学推导，得到一个大数学家泊松别出心裁，将小孔换成小圆盘，重复数学推导，得到一个令人惊奇的结果：令人惊奇的结果：在圆盘后方的屏幕上，圆盘影子的中心将出现亮点。在圆盘后方的屏幕上，圆盘影子的中心将出现亮点。泊松认为这是不可想象的、荒谬的结论。泊松认为这是不可想象的、荒谬的结论。最终实验一锤定音不过仍称泊松亮点泊松（S.D.Poisson,1781-1840）21电磁波电磁波波谱波谱Violet Blue Green Yellow Orange Red700600500400紫外ultraviolet红外infrared可见光谱波长(nm)二、波动光学22谢谢大家！谢谢大家！