光學(xué)精品電子教案

v→大，v→很大,→很小(真空）而N→很大（比鋼的還大），矛盾！以上兩種理論，孰是孰非，只能由實(shí)驗(yàn)事實(shí)做評(píng)定。然而當(dāng)時(shí)受實(shí)驗(yàn)條件的限制再加上牛頓的威望，使光的微粒說(shuō)統(tǒng)治了近兩個(gè)世紀(jì)。直到19世紀(jì)上半葉，經(jīng)楊氏(T.Young)和菲涅耳（A.J.Fresnel）等人的工作，不僅解釋了光的干涉、衍射現(xiàn)象，還測(cè)出了光的波長(zhǎng)，還由光的波動(dòng)理論得出光在水中的速度小于空氣中的速度的結(jié)論。這一結(jié)論直到1862年由傅科（J.L.Foucalt）的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。菲涅耳和阿喇果（D.Arago）通過(guò)實(shí)驗(yàn)還證明了光的橫波性。至此，波動(dòng)說(shuō)取得了巨大成功。但是波動(dòng)說(shuō)仍然以以太為假設(shè)，人們無(wú)法理解以太，這使得惠更斯的波動(dòng)說(shuō)和牛頓的微粒說(shuō)一樣，都帶有機(jī)械論的色彩。把光現(xiàn)象看成某中機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程，光是彈性波，必須有彈性介質(zhì)——以太。機(jī)械的彈性理論既沒(méi)有指出光學(xué)現(xiàn)象和其他物理現(xiàn)象間的任何聯(lián)系，也沒(méi)有能把表征介質(zhì)性質(zhì)的光學(xué)常數(shù)和介質(zhì)的其他參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。第一頁(yè)煤師院物理系從守民第二頁(yè)，共10頁(yè)。

1846年，法拉第(Faraday)發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這表示光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)現(xiàn)象間存在內(nèi)在的聯(lián)系。1856年韋伯（Weber）發(fā)現(xiàn)，光在真空中的速度等于電磁強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值3×1010cm/s，這表示光學(xué)現(xiàn)象與電學(xué)現(xiàn)象有一定的關(guān)系。（啟發(fā)學(xué)生在思考問(wèn)題時(shí)注意橫向聯(lián)系）。1865年麥克斯韋（J.C.Maxwell）建立起著名的電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，證明了電磁波的橫波性，并發(fā)現(xiàn)電磁波的速度等于光速！由此，麥克斯韋認(rèn)為光是一種波長(zhǎng)較短的電磁波。1888年，赫茲（H.R.Hertz）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波。光的電磁理論仍離不開(kāi)傳播介質(zhì)——以太，這是電磁以太。光波（電磁波）是電磁波在以太中的傳播過(guò)程，仍認(rèn)為以太是光波的載體。

第二頁(yè)煤師院物理系從守民第三頁(yè)，共10頁(yè)。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初是物理學(xué)發(fā)生偉大變革的時(shí)代，從牛頓力學(xué)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)到麥克斯韋的電磁理論，經(jīng)典物理學(xué)已形成一套嚴(yán)整的理論體系。人們認(rèn)為物理學(xué)中的各種基本問(wèn)題在原則上都已得到完善解決，經(jīng)典物理理論體系囊括了一切物理現(xiàn)象和基本規(guī)律，剩下的似乎只是解微分方程和具體應(yīng)用的問(wèn)題了（大廈已建成，后人只做修補(bǔ)就行了）。然而，“正當(dāng)人們歡慶這座宏偉的經(jīng)典物理學(xué)大廈落成的時(shí)候”，一個(gè)個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)使經(jīng)典物理學(xué)理論重新陷入困境。1887年，邁克爾遜（A.A.Michelson）利用光的干涉效應(yīng)，試圖探測(cè)地球“以太風(fēng)”的存在，但得到了否定的結(jié)果。以“以太（靜止、充滿(mǎn)整個(gè)宇宙）”為背景的絕對(duì)時(shí)空觀遇到了根本性的困難。隨后瑞利（L.Rayleigh）和金斯(J.H.Jeans)根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁波理論，導(dǎo)出了黑體輻射公式，該公式要求輻射能量隨頻率的增大而趨于無(wú)窮（紫外災(zāi)難)。第三頁(yè)煤師院物理系從守民第四頁(yè)，共10頁(yè)。

1900年4月27日，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)權(quán)威開(kāi)爾文（威廉.湯姆遜）（L.Kelvin）在為送別舊世紀(jì)而做的題為《十九世紀(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的烏云》的長(zhǎng)篇講話中，把上述兩個(gè)問(wèn)題比喻籠罩在物理晴朗天空的兩朵烏云。但后來(lái)的物理學(xué)發(fā)展證實(shí)，正是這兩朵烏云孕育著近代物理學(xué)兩個(gè)革命性的重大理論——相對(duì)論和量子論的誕生。有趣的是，這兩個(gè)問(wèn)題都與光學(xué)有關(guān)。1900年，為解決黑體輻射理論和實(shí)驗(yàn)的矛盾，普朗克（M.Plank）提出了量子假說(shuō)，認(rèn)為各種頻率的電磁波（包括光波），只能象微粒一樣，以一定最小份額的能量發(fā)生（能量子），這是一個(gè)光的發(fā)射問(wèn)題。另一個(gè)顯示光的微粒性的重要發(fā)現(xiàn)是光電效應(yīng)，即光照射到金屬表面使電子逸出，逸出電子的能量與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而只與頻率有關(guān)，這是光的吸收問(wèn)題。1905年愛(ài)因斯坦（A.Einstain）提出了量子假說(shuō)，（E=hυ，p=hυ/c=h/λ）成功的解決了光電效應(yīng)現(xiàn)象。光究竟是微粒還是波動(dòng)？其實(shí)光是十分復(fù)雜的客體。關(guān)于光的本性問(wèn)題，只能用它表現(xiàn)的規(guī)律和性質(zhì)來(lái)回答；光的某些方面的行為象經(jīng)典的“波動(dòng)”，另一方面的行為卻象經(jīng)典的粒子這就是所謂的“光的波粒二象性”。第四頁(yè)煤師院物理系從守民第五頁(yè)，共10頁(yè)。

任何經(jīng)典的概念都不能完全概括光的本性。光到底是什么？可用下面幾句話來(lái)概括：光是一種物質(zhì)形態(tài)，具有波粒二象性；波動(dòng)性和粒子性是同一客觀物質(zhì)——光在兩種不同場(chǎng)合下反映出來(lái)的兩種屬性；光既是具有粒子性的電磁波，又是具有波動(dòng)性的光子流。

二、光學(xué)的研究對(duì)象、理論體系與應(yīng)用

光學(xué)是研究光的傳播及其與物質(zhì)相互作用問(wèn)題的學(xué)科。它既是物理學(xué)中一門(mén)重要的基礎(chǔ)學(xué)科，又是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。從理論體系講，光學(xué)就是以人探索光的本性為基本線索而建立起來(lái)的一個(gè)物理學(xué)分支。若不涉及光的發(fā)射與吸收等與物質(zhì)相互作用過(guò)程的微觀機(jī)制，這部分內(nèi)容稱(chēng)經(jīng)典光學(xué)。在傳統(tǒng)上經(jīng)典光學(xué)可分為兩大部分；當(dāng)波長(zhǎng)可視為極短，從而波動(dòng)效應(yīng)不明顯時(shí)人們把光的能量看作是沿著一條光線傳播的，遵從直進(jìn)、反射、折射等實(shí)驗(yàn)定律，這便是幾何光學(xué)。幾何光學(xué)的研究方法的特點(diǎn)是撇開(kāi)光的本性，以光的直進(jìn)、反射、折射等實(shí)驗(yàn)定律為

第五頁(yè)煤師院物理系從守民第六頁(yè)，共10頁(yè)。

基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播規(guī)律及光學(xué)系統(tǒng)成像的規(guī)律。經(jīng)典光學(xué)的另一部分是物理光學(xué)，它主要研究光的波動(dòng)性（干涉、衍射、偏振）。研究方法是以光在本質(zhì)上是波長(zhǎng)較短的電磁波為基礎(chǔ)。光和物質(zhì)的相互作用問(wèn)題，通常是在分子、原子的尺度里研究，有時(shí)用經(jīng)典理論有時(shí)用量子理論。這類(lèi)問(wèn)題不屬于經(jīng)典光學(xué)范圍，通常稱(chēng)為量子光學(xué)。。光學(xué)的另一分支是現(xiàn)代光學(xué)，是在60年代特別是激光問(wèn)世以后迅速發(fā)展起來(lái)的，并與其他學(xué)科結(jié)合、滲透、派生出不少嶄新的分支學(xué)科，激光的應(yīng)用非常廣泛。第六頁(yè)煤師院物理系從守民第七頁(yè)，共10頁(yè)。重要光學(xué)事件公元前400年《墨經(jīng)》：光的幾何性質(zhì)記錄公元前300~400年歐幾里德：光的直線傳播開(kāi)普勒（德）：光照、光疏密性質(zhì)、全反射1621年斯涅爾（荷）：折射定律1655年格拉馬蒂（意）：衍射、薄膜干涉現(xiàn)象牛頓：總結(jié)提出光的粒子說(shuō)惠更斯（荷）：同期提出光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)。（以太介質(zhì)）1801年托馬斯.楊（英）：楊氏雙縫干涉1808年馬呂斯（法）：光的偏振（光是橫波）1811年布儒斯特（英）：雙軸晶體1818年菲涅爾（法）：惠更斯—菲涅爾原理同期洛埃：洛埃鏡實(shí)驗(yàn)半波損失—>為波動(dòng)說(shuō)奠定基礎(chǔ)。1849—62年菲索和傅科（法）光速測(cè)量：—>證實(shí)波動(dòng)說(shuō)1872年邁克爾遜和莫雷（美）：以太尋找實(shí)驗(yàn)1872年麥克斯韋：建立Maxwell方程，光速，光是電磁波1886年赫茲（德）：證實(shí)電磁波1905年愛(ài)因斯坦：光的量子學(xué)說(shuō)—>光的粒子性相對(duì)論—>光速光的波粒二象性第七頁(yè)煤師院物理系從守民第八頁(yè)，共10頁(yè)。光學(xué)理論體系

幾何光學(xué)

反射、折射、透鏡

經(jīng)典光學(xué)

波動(dòng)光學(xué)

干涉、衍射、偏振

光學(xué)

量子光學(xué)

光的發(fā)射、吸收、相互作用

激光原理及應(yīng)用