光學(xué)發(fā)展史5ppt課件

1、文科物理光學(xué)光學(xué)的開展歷史光學(xué)的根本概念、原理及運(yùn)用神奇之光-激光物理系：馬麗珍 .光學(xué)的開展歷史光學(xué)的來源可以追溯到二、三千年前 歷史概述戰(zhàn)國(guó)時(shí)代哲學(xué)家墨翟所著中，有關(guān)于小孔成 像景象、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等的表達(dá)。戰(zhàn)國(guó)時(shí)代哲學(xué)家淮南子發(fā)明了用以取火的器皿“陽燧。北宋時(shí)期 沈括10311095的名著 中記載了關(guān)于凸面鏡的成像，以及關(guān)于日食、月食 的原因和預(yù)告。 .光學(xué)的開展歷史西方也很早就有光學(xué)知識(shí)的記載歐幾里得(公元前約330一260)的反射光學(xué)研討了光的反射。阿拉伯學(xué)者阿勒哈增(ALHaMn，965-1038)寫過一部，討論了許多光學(xué)景象。.1.1299年，發(fā)明了眼鏡。意大利人阿瑪?shù)?/p>

2、制造了眼鏡。2.1608年，荷蘭人李普塞制成第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，伽利略改良成放大32倍的望遠(yuǎn)鏡。3.幾乎與望遠(yuǎn)鏡同時(shí)，荷蘭人發(fā)現(xiàn)制造了顯微鏡。 光學(xué)儀器的研制光學(xué)的開展歷史.光學(xué)的開展歷史光學(xué)真正構(gòu)成一門學(xué)科，應(yīng)該從建立反射定律和折射定律得時(shí)代算起，這兩個(gè)定律的建立奠定了幾何光學(xué)的根底。從17世紀(jì)以來，展開了關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)研討。其中以牛頓為代表的光的微粒說和以荷蘭科學(xué)家惠更斯為代表的動(dòng)搖說最為重要。這兩種學(xué)說的爭(zhēng)論不斷繼續(xù)到20世紀(jì)初，愛因斯坦把光的微粒說與動(dòng)搖說在新的層次上一致同來，提出了光具有波粒二象性，并為世人所公認(rèn)。.阿拉伯學(xué)者阿勒.哈增965-1038發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論與現(xiàn)實(shí)不符。光的折射定

3、律建立的歷史過程托勒密早在古希臘時(shí)代，天文學(xué)家托勒密約公元100年170就 曾專門做過光的折射實(shí)驗(yàn)，并得出了“折射角與入射角成正比的結(jié)論。17世紀(jì)初期，1611年，開普勒對(duì)光的折射問題上進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)研討.光的折射定律建立的歷史過程. ，斯涅耳的這一折射定律也稱斯涅耳定律是從實(shí)驗(yàn)中得到的，未做任何的實(shí)際推導(dǎo)，雖然正確，但卻從未正式公布過只是后來惠更斯和伊薩克沃斯兩人在審查他遺留的手稿時(shí)，才看到這方面的記載 ， 光的折射定律建立的歷史過程折射定律的正確表述最早是由荷蘭的斯涅耳(W.Snell，15801626)于1621年經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到的。.笛卡兒，他沒做任何的實(shí)驗(yàn)，只是從一些假設(shè)出發(fā)，并從實(shí)際上推導(dǎo)

4、出這個(gè)定律的 。為了使實(shí)際結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，他還必需假設(shè)密媒質(zhì)光速比疏媒質(zhì)大。如今看來這個(gè)假設(shè)顯然都是錯(cuò)誤的。 笛卡爾的推導(dǎo)遭到了費(fèi)馬PierrFermat，1601-1665的批判。1661年，費(fèi)馬將數(shù)學(xué)方法用于折射問題，推出了折射定律，得到了正確的結(jié)論。 光的折射定律建立的歷史過程.科學(xué)過程，是人類一代代探知外在客觀、探知各種規(guī)律的一個(gè)永無盡頭的過程，是一個(gè)后人不斷補(bǔ)充、不斷修正乃至推翻前人認(rèn)識(shí)的不斷進(jìn)取的過程。. 光的微粒說1704年，牛頓：“光是一種細(xì)微的大小不同的而又迅速運(yùn)動(dòng)的粒子。 光的動(dòng)搖說荷蘭物理學(xué)家惠更斯開展了胡克的思想，惠更斯像人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)過程胡克：“光必定是一種

5、振動(dòng)。他進(jìn)一步提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動(dòng)在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程。光的傳播方式與聲音類似，而不是微粒說所想象的像子彈或箭那樣的運(yùn)動(dòng)。.早期的動(dòng)搖實(shí)際缺乏數(shù)學(xué)根底，還很不完善，而牛頓力學(xué)正節(jié)節(jié)勝利。以符合力學(xué)規(guī)律的行為來描畫光學(xué)景象，被以為是獨(dú)一合理的實(shí)際，因此，直到18世紀(jì)末統(tǒng)治位置的依然是微粒學(xué)說。.光學(xué)的開展歷史19世紀(jì)光的動(dòng)搖說的兩個(gè)英雄： 托馬斯楊(1773-1829)：英國(guó)人，是一位想象力異常豐富的博學(xué)通才。1799年在劍橋大學(xué)完成學(xué)業(yè)，獲醫(yī)學(xué)學(xué)位。它對(duì)眼睛生理學(xué)、解剖學(xué)和對(duì)顏色的視覺很有研討。因涉及到人眼對(duì)顏色的視覺研討，故他對(duì)光學(xué)，尤其光的動(dòng)搖學(xué)說感興趣。 1802

6、年設(shè)計(jì)了楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，證明了光的干涉景象 菲涅耳(1788-1827) ：法國(guó)工程師。完善了惠更斯實(shí)際，提出了子波相關(guān)的思想，解釋了光的衍射想象.托馬斯楊(1773-1829)的奉獻(xiàn)楊氏雙縫干涉：1802年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯楊設(shè)計(jì)了楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，證明了光的干涉景象。.面對(duì)牛頓如日中天的氣勢(shì)，楊以不唯名的英勇精神說：“雖然我敬慕牛頓的大名，但我并因此非得以為他是百無一失的。我遺憾地看到他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威也許有時(shí)甚至妨礙了科學(xué)的提高。光學(xué)的開展歷史小插曲：托馬斯.楊由于提出干涉原理遭到了一些權(quán)威學(xué)者的圍攻，其中有一位以牛頓學(xué)術(shù)權(quán)威自居的布勞安攻擊得最為刻薄，說他的文章沒有任何價(jià)值，稱不上是實(shí)驗(yàn)

7、，干涉原理是荒唐和不合邏輯的，一二十年，竟沒有人了解他的任務(wù)，為回駁布勞安專門撰寫的論文竟無處發(fā)表，只好印成小冊(cè)子，小冊(cè)子出版后，只賣出一本。.1808年，法國(guó)的馬呂斯發(fā)現(xiàn)偏振景象，并以為找到了決議性的證據(jù)，證明光的動(dòng)搖實(shí)際與現(xiàn)實(shí)矛盾。托馬斯楊面對(duì)困難并沒有動(dòng)搖本人的科學(xué)信心,他寫信給馬呂斯說 “您的實(shí)驗(yàn)證明了我采用的實(shí)際(即干涉實(shí)際)有缺乏之處，但我做的這些實(shí)驗(yàn)并沒有證明它是虛偽的。經(jīng)過幾年的研討，托馬斯楊逐漸領(lǐng)悟到要用橫波的概念來替代縱波，而這正是菲涅耳(A8ushn Jean FresneI，17881827)繼續(xù)開展動(dòng)搖實(shí)際的出發(fā)點(diǎn)。.菲涅耳(1788-1827)的奉獻(xiàn)1819年，菲涅

8、爾和阿拉果聯(lián)名發(fā)表了菲涅耳的實(shí)際泊松的計(jì)算阿拉果的實(shí)驗(yàn)找到了有利于動(dòng)搖說的泊松亮點(diǎn)。開展了惠更斯和托馬斯.楊的動(dòng)搖實(shí)際，成為物理光學(xué)的締造者，開創(chuàng)了光學(xué)研討的新階段。光的動(dòng)搖說戰(zhàn)勝粒子說被普遍接受在1818年法國(guó)科學(xué)院懸賞征文：1.利用精細(xì)的實(shí)驗(yàn)確定光線的衍射效應(yīng)2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)用數(shù)學(xué)歸納推導(dǎo)出光線經(jīng)過物體附近 時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。. 費(fèi)涅耳榮獲了這一屆的科學(xué)獎(jiǎng)，而后人卻戲劇性地稱這個(gè)亮點(diǎn)為泊松亮斑。 菲涅耳開創(chuàng)了光學(xué)的新階段。他開展了惠更斯和托馬斯楊的動(dòng)搖實(shí)際，成為“物理光學(xué)的締造者。 圖3激光器小鋼珠和載波片屏幕圖2圖1小鋼珠蓋玻片金屬片.光是以光速 c 運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱為光量子光子光子的能量光的量

9、子說20世紀(jì)初，愛因斯坦把光的微粒說與動(dòng)搖說在新的層次上一致同來，提出了光具有波粒二象性,并為世人所公認(rèn)。光學(xué)的開展歷史.對(duì)于光的本性，雖然經(jīng)過多少年的探求，我們所知道的也確實(shí)是太少了。光究竟是什么？是在某一時(shí)辰表現(xiàn)為粒子，而在另一時(shí)辰表現(xiàn)為波 ？還是完全不同于我們?nèi)缃袼哪撤N物質(zhì)？這些問題也是當(dāng)今的科學(xué)家們?cè)诳嗫嗨妓鞯膯栴}。思索？了解了人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)過程，他 有什么領(lǐng)會(huì)？光學(xué)的開展歷史.科學(xué)精神， “客觀的根據(jù)，理 性的疑心多元的思索，平權(quán)的爭(zhēng)論，實(shí)際的檢驗(yàn)。科學(xué)精神，是任何一個(gè)科學(xué)家，包括自然科學(xué)家和社會(huì)科學(xué)家，在從事科學(xué)研討活動(dòng)時(shí)，缺一不可為、缺一難以為的根本要素和根本準(zhǔn)那么 科

10、學(xué)精神與人文精神 客觀的根據(jù)實(shí)際的檢驗(yàn)理 性的疑心多元的思索，平權(quán)的爭(zhēng)論實(shí)際、實(shí)驗(yàn).歷史和現(xiàn)實(shí)也無情地證明無論在任何時(shí)候，無論在任何地方，也無論以任何方式，打擊、壓制、限制這種人類特有的思想，實(shí)踐上就是打擊、壓制、限制人類區(qū)別于動(dòng)物的這種特有的最大的優(yōu)勢(shì)，其結(jié)果只會(huì)是呵斥不堪想象的破壞性的惡果。 科學(xué)精神與人文精神 人，人類，作為高級(jí)動(dòng)物，其區(qū)別于低級(jí)動(dòng)物的最本質(zhì)的特征就是：會(huì)思想，會(huì)理性思想，會(huì)經(jīng)過言語表達(dá)思想，會(huì)經(jīng)過行動(dòng)實(shí)際思想。而在這種理性思想中，又以發(fā)明性思想、突破性思想、開展性思想為人類最大的和最普遍的優(yōu)勢(shì)所在。人類本身、人類社會(huì)恰恰是由于依托了這種發(fā)明性思想、突破性思想、開展性思想

11、才得以從愚笨走到今天這樣高度文明的開展程度。.人類為了到達(dá)無妨礙地進(jìn)展這種理性思想的境界，就必需擺脫思想的依靠，換句話說就是必需“以人為中心、以人為本。 科學(xué)精神與人文精神 而人類為了真正做到擺脫思想依靠，即真止做到“以人為中心和“以人為本，就必需提倡、遵照和尊重以“客觀的根據(jù)，理性的疑心多元的思索，平權(quán)的爭(zhēng)論，實(shí)際的檢驗(yàn)等五要素為主的科學(xué)精神。換句話說、人們假設(shè)不能提倡、遵照、尊重這五條原那么，就根本不能夠成為真正擺脫思想依靠、精神依靠的自在的人。 .電磁波的發(fā)現(xiàn)麥克斯韋從實(shí)際上預(yù)言了電磁波的存在，并于1873年出版了專著。1888年赫茲用實(shí)驗(yàn)初次證明了電磁波的存在。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意

12、義，它不僅證明了麥克斯韋的預(yù)言，更重要的是導(dǎo)致了無線電的誕生，開辟了電子技術(shù)的新紀(jì)元。光學(xué)的開展歷史.電磁波譜自從1888年 赫茲經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在之后，時(shí)至今日，不僅證明了光波是電磁波，而且證明了紅外線、紫外線、X射線、 g 射線等均是不同頻率范圍內(nèi)的電磁波。真空中電磁波的傳播速度：電磁波的頻率() 、速度(c)、波長(zhǎng)()關(guān)系：.電磁波譜電磁波的頻率、速度、波長(zhǎng)關(guān)系：.放射性實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)生高能粒子、研討天體、宇宙醫(yī)療透視、金屬探傷、物質(zhì)晶體構(gòu)造紫外線殺菌、熒光效應(yīng)熱輻射紅外雷達(dá)、紅外相機(jī)、夜視儀、取暖、烘干電視、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航通訊、導(dǎo)航、航海航空定向、無線電廣播、電報(bào)1納米=10

13、-9米；1微米=10-6米.一、光的反射、折射和全反射光在介質(zhì)中的速度：光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)?光學(xué)的根本概念與原理.當(dāng)入射角 發(fā)生光的全反射。一、光的反射、折射和全反射介質(zhì)1:石英;介質(zhì)2:空氣.光學(xué)的根本概念與原理.光導(dǎo)纖維內(nèi)：纖芯，5-10微米外；包層；約100微米ABn2n1n0ii.光纖通訊光纖通訊中信息的載體是光波，傳輸媒質(zhì)是光纖，從而將信息從一端傳向另一端。頻率越高所能傳播的線路越多。無線電通訊 ：3MHZ30MHZ 可傳100套廣播； 300MHZ3105MHZ可傳1105套廣播。激光通訊：頻率達(dá)1014Hz，可傳108套廣播。激光的傳輸速率每秒622兆比特，比電傳輸速率每秒幾萬比

14、特高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。.1966年由英籍華人高錕提出創(chuàng)意。1967年，光經(jīng)過100米的玻璃絲，光能只剩百億分之一。1970年美國(guó)康寧公司馬瑞爾、卡普隆、凱克研制出了第一根適用的光纖。1985年，全世界光纖線路已達(dá)455.5萬公里。北美和歐洲鋪設(shè)了長(zhǎng)6500公里海底光纜，可以傳輸36000路?，F(xiàn)正預(yù)備花150億美圓，鋪設(shè)32萬公里海底光纜銜接125個(gè)國(guó)家。光纖通訊1983年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室鋪設(shè)的紐約到華盛頓間的光纜，1440芯，直徑僅13毫米，可同時(shí)通訊4.6萬路。. 肥皂泡上的彩色干涉條紋油膜上的彩色干涉條紋 蟬翼上的彩色干涉條紋 二、光的干涉、衍射和偏振 1、光的干涉他留意過這些景象嗎？?. 彈簧

15、振子的振動(dòng).2相位差1相位差相互加強(qiáng)相互減弱.波的干涉之模擬演示圖某些位置的點(diǎn)振幅一直最大，另一些位置振幅一直最小，而其它位置，振動(dòng)的強(qiáng)弱介乎二者之間，堅(jiān)持不變，稱這種穩(wěn)定的疊加圖樣為干涉景象. 無阻尼電磁振蕩的振蕩方程KABLC 電磁振蕩電路.平面電磁波.楊氏雙縫干涉：1802年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯楊設(shè)計(jì)了楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，證明了光的干涉景象。.光程差:相關(guān)相長(zhǎng)相關(guān)相消楊氏雙縫干涉：歷史上第一次測(cè)得波長(zhǎng).薄膜干涉 肥皂泡上的彩色干涉條紋油膜上的彩色干涉條紋 蟬翼上的彩色干涉條紋 .增透膜：增反膜：激光器諧振腔高反鏡檢查光學(xué)元件的外表：薄膜干涉 .二、光的衍射：S波在傳播過程中遇到妨礙物，可以繞過妨

16、礙物的邊緣前進(jìn)這種偏離直線傳播的景象稱為衍射景象.單縫衍射.光柵衍射分析復(fù)色光光譜的光譜儀1821年德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)初次將金屬絲并排緊靠而構(gòu)成一密集而等間距的多狹縫-衍射光柵。高科技可制成每厘米有超越一萬條狹縫的光柵。.圓孔衍射愛里斑角半徑:.眼睛、照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡最小分辨角：分辨身手：光學(xué)儀器分辨身手:.提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設(shè)法減小光的波長(zhǎng)，或者，用電子束來替代光。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波實(shí)際，運(yùn)動(dòng)的電子具有動(dòng)搖性，而且速度越快，它的“波長(zhǎng)就越短。假設(shè)能把電子的速度加到足夠高，并且會(huì)聚它，就有能夠用來放大物體。1938年，德國(guó)工程師Max Knoll和Ernst Ruska制

17、造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡TEM。1952年，英國(guó)工程師Charles Oatley制造出了第一臺(tái)掃描電子顯微鏡SEM。電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以到達(dá)納米級(jí)10-9m。很多在可見光下看不見的物體例如病毒在電子顯微鏡下現(xiàn)出了原形。提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設(shè)法減小光的波長(zhǎng)，或者，用電子束來替代光。提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設(shè)法減小光的波長(zhǎng)。光學(xué)儀器分辨身手:1938年，德國(guó)工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡TEM。(用電子束來替代光)。電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。

18、.可見光作為光源的顯微鏡，分辨率是0.2微米電子顯微鏡的分辨率可以到達(dá)納米級(jí)10-9m電子顯微鏡的分辨率可以到達(dá)納米級(jí)10-9m光學(xué)儀器分辨身手:.光學(xué)儀器分辨身手:提高光學(xué)儀器分辨率的途徑之二就是增大孔徑：美國(guó)帕洛馬山天文臺(tái)的反射式望遠(yuǎn)鏡直徑約為5米，實(shí)際最小分辨角為1.310-7弧度。美國(guó)夏威夷的莫納克亞天文臺(tái)安裝一臺(tái)有36塊三角形鏡片組成的鏡面總直徑達(dá)10米的望遠(yuǎn)鏡，調(diào)理36面小鏡的方位可以得到高質(zhì)量的天文圖像。1990年，美國(guó)將直徑2米的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到空間軌道上。.三、有趣的偏振光電磁波是橫波自然光 可分解為兩個(gè)方向恣意相互垂直、 振幅相等，沒有恣意相位關(guān)系的偏振光。XY 完全偏

19、振光 線偏振光光矢量只沿某一固定方向振動(dòng)的光XY.兩向色性的有機(jī)晶體，如電氣石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、烘干，然后粘在兩個(gè)玻璃片之間就構(gòu)成了偏振片。它有一個(gè)特定的方向，只讓平行與該方向的光振動(dòng)經(jīng)過。起偏檢偏偏振片.自然光.線偏振光.偏振太陽鏡、偏振立體鏡人眼對(duì)光的偏振的形狀是不能分辨的，某些昆蟲的眼睛對(duì)偏振卻很敏感(蜜蜂)。.光與顏色17世紀(jì)60年代，I.牛頓經(jīng)過有名的“日光棱鏡折射實(shí)驗(yàn)得出白光是由不同顏色光線混合而成 顏色是人類眼睛對(duì)某一段波長(zhǎng)的電磁波做出的反響。.我們做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，取三個(gè)手電筒，分別用紅色、綠色和藍(lán)色的彩紙遮住，來到一個(gè)黑暗的房間，讓三柱光束相互疊加紅光和藍(lán)光疊加會(huì)呈現(xiàn) 紅紫色紅光和綠光疊加會(huì)顯示黃色綠光和藍(lán)光疊加會(huì)顯