從理論到實(shí)踐光學(xué)的發(fā)展課件

從理論到實(shí)踐

——光學(xué)的發(fā)展目錄2.遠(yuǎn)場(chǎng)衍射與激光微米尺3.光電效應(yīng)的研究驗(yàn)證與應(yīng)用1.光的全反射與光纖4.擴(kuò)展閱讀：一升水照明計(jì)劃發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提出假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論運(yùn)用實(shí)際PLANDESIGNBUILDTESTEVALUATE科學(xué)探究法1.光的全反射與光纖光的全反射小實(shí)驗(yàn)光纖通訊之父——高錕高錕，華裔物理學(xué)家，生于中國(guó)上海，祖籍江蘇金山（今上海市金山區(qū)），擁有英國(guó)、美國(guó)國(guó)籍并持中國(guó)香港居民身份，在香港和美國(guó)加州山景城兩地居住。從1957年開(kāi)始，高錕即從事光導(dǎo)纖維在通訊領(lǐng)域運(yùn)用的研究。1964年，他提出在電話(huà)網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線。1965年，在以無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作長(zhǎng)程信息傳遞，將帶來(lái)一場(chǎng)通訊業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維損耗率下降到20分貝/公里時(shí)，光纖維通訊就會(huì)成功。1966年，在標(biāo)準(zhǔn)電話(huà)實(shí)驗(yàn)室與何克漢共同提出光纖可以用作通信媒介。高錕在電磁波導(dǎo)、陶瓷科學(xué)（包括光纖制造）方面獲28項(xiàng)專(zhuān)利。由于他取得的成果，有超過(guò)10億公里的光纜以閃電般的速度通過(guò)寬帶互聯(lián)網(wǎng)，為全球各地的辦事處和家居提供數(shù)據(jù)。1966年，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開(kāi)創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長(zhǎng)程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要解決好玻璃純度和成分等問(wèn)題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來(lái)越廣泛，全世界掀起了一場(chǎng)光纖通信的革命。1965年，高氏對(duì)各種非導(dǎo)體纖維進(jìn)行仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。按他分析，當(dāng)光學(xué)訊號(hào)衰減率能低于每公里20分貝時(shí)，光束通信便可行。他更進(jìn)一步分析了吸收、散射、彎曲等因素，推論被包覆的石英基玻璃有可能滿(mǎn)足衰減需求達(dá)到波導(dǎo)。這項(xiàng)關(guān)鍵研究結(jié)果，推動(dòng)全球各地連串運(yùn)用玻璃纖維波導(dǎo)來(lái)通訊的研發(fā)工作。光纖在生活中的運(yùn)用2.遠(yuǎn)場(chǎng)衍射與激光微米尺

激光微米尺的原理與制作遠(yuǎn)場(chǎng)衍射（光的衍射中的單縫衍射）遠(yuǎn)場(chǎng)衍射，也稱(chēng)夫瑯和費(fèi)衍射。在光的衍射實(shí)驗(yàn)中，若光源或觀察屏離開(kāi)衍射孔或縫為無(wú)限遠(yuǎn)，這種衍射現(xiàn)象稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。夫瑯和費(fèi)衍射使用惠更斯－菲涅耳原理，藉以把通過(guò)圓孔或狹縫的一波動(dòng)分成多個(gè)向外的波動(dòng)，使用透鏡來(lái)有目的地衍射光的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)一般被用作描述這個(gè)原理。當(dāng)波動(dòng)通過(guò)時(shí)，波動(dòng)會(huì)被衍射分成兩個(gè)波動(dòng)，之後以平行的角度各自行進(jìn)，後面跟著進(jìn)來(lái)的波動(dòng)亦是如此，在觀測(cè)時(shí)把屏幕放在行進(jìn)路線上來(lái)看成像條紋這個(gè)方法就用到這樣的原理。當(dāng)一遭到衍射的波動(dòng)在最初衍射點(diǎn)的近場(chǎng)距離，在與其他波動(dòng)平行下被觀測(cè)到時(shí)，我們會(huì)看到菲涅耳衍射，因?yàn)橛脠A孔與屏幕σ間距離用菲涅耳數(shù)方程式計(jì)算出的結(jié)果小於1，這方程可在觀測(cè)平行波的衍射程度時(shí)用到，方程需要的物理量為圓孔或縫隙的大小a、波長(zhǎng)λ以及離圓孔的距離L。當(dāng)距離或波長(zhǎng)增加時(shí)，由於在圓孔或物件邊緣的波動(dòng)開(kāi)始變得像平面波，所以會(huì)產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射。這是衍射的分析圖。其中L為發(fā)射端，也是細(xì)絲到接受屏的距離，r為中心到第一級(jí)亮紋之間的距離，θ為從中心到第一級(jí)亮紋。（不是暗紋！這是狹縫的全反屏！可以從下面的一幅圖中看出0級(jí)亮紋直接接的又是一條亮紋，就像土星一樣）由圖可以得出，光程差?u=dtanθ又因?yàn)棣冉欠浅Ｐ?，所以sinθ≈θ≈tanθ≈(r/L)當(dāng)處于第一級(jí)亮紋時(shí)?u=λ，即一倍波長(zhǎng)。d=λL/r，由此可以計(jì)算出狹縫的寬度激光微米尺測(cè)算狹縫寬度3.光電效應(yīng)的研究驗(yàn)證與應(yīng)用光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類(lèi)光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱(chēng)為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)，又稱(chēng)光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱(chēng)外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。按照粒子說(shuō)，光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當(dāng)某一光子照射到對(duì)光靈敏的金屬(如硒)上時(shí)，它的能量可以被該金屬中的某個(gè)電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，動(dòng)能立刻增加;如果動(dòng)能增大到足以克服原子核對(duì)它的引力，就能在十億分之一秒時(shí)間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時(shí)間內(nèi)，入射光子的數(shù)量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強(qiáng)，這種由光能變成電能自動(dòng)放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)亞歷山大·貝克勒爾海因里希·赫茲威廉·霍爾伐克士奧古斯圖·里吉亞歷山大·史托勒托夫約翰·艾斯特約翰·艾斯特約瑟夫·湯姆孫菲利普·萊納德阿爾伯特·愛(ài)因斯坦羅伯特·密立根威利斯·蘭姆馬蘭·斯考立赫茲霍爾瓦克斯參與光電效應(yīng)研究的科學(xué)家光電效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域4.擴(kuò)展閱讀：一升水照明計(jì)劃1升水照明計(jì)劃（LiterofLight），來(lái)自菲律賓，1升水（外加漂白粉若干，消毒用），1個(gè)礦泉水瓶，將水灌入瓶子，并安裝進(jìn)屋頂，一半在屋頂下（室內(nèi)），一半露出在外，就能搜集和放大陽(yáng)光，為室內(nèi)提供不遜于60瓦電燈泡的照明效果。目前，這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)為菲律賓無(wú)數(shù)沒(méi)有電力的家庭帶來(lái)了光明。而最