光学发展史5ppt课件

1、文科物理光学光学的开展历史光学的根本概念、原理及运用神奇之光-激光物理系：马丽珍 .光学的开展历史光学的来源可以追溯到二、三千年前 历史概述战国时代哲学家墨翟所著中，有关于小孔成 像景象、平面镜、凸面镜、凹面镜等等的表达。战国时代哲学家淮南子发明了用以取火的器皿“阳燧。北宋时期 沈括10311095的名著 中记载了关于凸面镜的成像，以及关于日食、月食 的原因和预告。 .光学的开展历史西方也很早就有光学知识的记载欧几里得(公元前约330一260)的反射光学研讨了光的反射。阿拉伯学者阿勒哈增(ALHaMn，965-1038)写过一部，讨论了许多光学景象。.1.1299年，发明了眼镜。意大利人阿玛蒂

2、制造了眼镜。2.1608年，荷兰人李普塞制成第一台望远镜，伽利略改良成放大32倍的望远镜。3.几乎与望远镜同时，荷兰人发现制造了显微镜。 光学仪器的研制光学的开展历史.光学的开展历史光学真正构成一门学科，应该从建立反射定律和折射定律得时代算起，这两个定律的建立奠定了几何光学的根底。从17世纪以来，展开了关于光的本性的认识研讨。其中以牛顿为代表的光的微粒说和以荷兰科学家惠更斯为代表的动摇说最为重要。这两种学说的争论不断继续到20世纪初，爱因斯坦把光的微粒说与动摇说在新的层次上一致同来，提出了光具有波粒二象性，并为世人所公认。.阿拉伯学者阿勒.哈增965-1038发现这一结论与现实不符。光的折射定

3、律建立的历史过程托勒密早在古希腊时代，天文学家托勒密约公元100年170就 曾专门做过光的折射实验，并得出了“折射角与入射角成正比的结论。17世纪初期，1611年，开普勒对光的折射问题上进展了实验研讨.光的折射定律建立的历史过程. ，斯涅耳的这一折射定律也称斯涅耳定律是从实验中得到的，未做任何的实际推导，虽然正确，但却从未正式公布过只是后来惠更斯和伊萨克沃斯两人在审查他遗留的手稿时，才看到这方面的记载 ， 光的折射定律建立的历史过程折射定律的正确表述最早是由荷兰的斯涅耳(W.Snell，15801626)于1621年经过实验得到的。.笛卡儿，他没做任何的实验，只是从一些假设出发，并从实际上推导

4、出这个定律的 。为了使实际结果与实验数据相符，他还必需假设密媒质光速比疏媒质大。如今看来这个假设显然都是错误的。 笛卡尔的推导遭到了费马PierrFermat，1601-1665的批判。1661年，费马将数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。 光的折射定律建立的历史过程.科学过程，是人类一代代探知外在客观、探知各种规律的一个永无尽头的过程，是一个后人不断补充、不断修正乃至推翻前人认识的不断进取的过程。. 光的微粒说1704年，牛顿：“光是一种细微的大小不同的而又迅速运动的粒子。 光的动摇说荷兰物理学家惠更斯开展了胡克的思想，惠更斯像人类对光的本性的认识过程胡克：“光必定是一种

5、振动。他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所想象的像子弹或箭那样的运动。.早期的动摇实际缺乏数学根底，还很不完善，而牛顿力学正节节胜利。以符合力学规律的行为来描画光学景象，被以为是独一合理的实际，因此，直到18世纪末统治位置的依然是微粒学说。.光学的开展历史19世纪光的动摇说的两个英雄： 托马斯杨(1773-1829)：英国人，是一位想象力异常丰富的博学通才。1799年在剑桥大学完成学业，获医学学位。它对眼睛生理学、解剖学和对颜色的视觉很有研讨。因涉及到人眼对颜色的视觉研讨，故他对光学，尤其光的动摇学说感兴趣。 1802

6、年设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉景象 菲涅耳(1788-1827) ：法国工程师。完善了惠更斯实际，提出了子波相关的思想，解释了光的衍射想象.托马斯杨(1773-1829)的奉献杨氏双缝干涉：1802年英国物理学家托马斯杨设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉景象。.面对牛顿如日中天的气势，杨以不唯名的英勇精神说：“虽然我敬慕牛顿的大名，但我并因此非得以为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至妨碍了科学的提高。光学的开展历史小插曲：托马斯.杨由于提出干涉原理遭到了一些权威学者的围攻，其中有一位以牛顿学术权威自居的布劳安攻击得最为刻薄，说他的文章没有任何价值，称不上是实验

7、，干涉原理是荒唐和不合逻辑的，一二十年，竟没有人了解他的任务，为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子出版后，只卖出一本。.1808年，法国的马吕斯发现偏振景象，并以为找到了决议性的证据，证明光的动摇实际与现实矛盾。托马斯杨面对困难并没有动摇本人的科学信心,他写信给马吕斯说 “您的实验证明了我采用的实际(即干涉实际)有缺乏之处，但我做的这些实验并没有证明它是虚伪的。经过几年的研讨，托马斯杨逐渐领悟到要用横波的概念来替代纵波，而这正是菲涅耳(A8ushn Jean FresneI，17881827)继续开展动摇实际的出发点。.菲涅耳(1788-1827)的奉献1819年，菲涅

8、尔和阿拉果联名发表了菲涅耳的实际泊松的计算阿拉果的实验找到了有利于动摇说的泊松亮点。开展了惠更斯和托马斯.杨的动摇实际，成为物理光学的缔造者，开创了光学研讨的新阶段。光的动摇说战胜粒子说被普遍接受在1818年法国科学院悬赏征文：1.利用精细的实验确定光线的衍射效应2.根据实验用数学归纳推导出光线经过物体附近 时的运动情况。. 费涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。 菲涅耳开创了光学的新阶段。他开展了惠更斯和托马斯杨的动摇实际，成为“物理光学的缔造者。 图3激光器小钢珠和载波片屏幕图2图1小钢珠盖玻片金属片.光是以光速 c 运动的微粒流，称为光量子光子光子的能量光的量

9、子说20世纪初，爱因斯坦把光的微粒说与动摇说在新的层次上一致同来，提出了光具有波粒二象性,并为世人所公认。光学的开展历史.对于光的本性，虽然经过多少年的探求，我们所知道的也确实是太少了。光究竟是什么？是在某一时辰表现为粒子，而在另一时辰表现为波 ？还是完全不同于我们如今所知的某种物质？这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。思索？了解了人们对光的本性的认识过程，他 有什么领会？光学的开展历史.科学精神， “客观的根据，理 性的疑心多元的思索，平权的争论，实际的检验。科学精神，是任何一个科学家，包括自然科学家和社会科学家，在从事科学研讨活动时，缺一不可为、缺一难以为的根本要素和根本准那么 科

10、学精神与人文精神 客观的根据实际的检验理 性的疑心多元的思索，平权的争论实际、实验.历史和现实也无情地证明无论在任何时候，无论在任何地方，也无论以任何方式，打击、压制、限制这种人类特有的思想，实践上就是打击、压制、限制人类区别于动物的这种特有的最大的优势，其结果只会是呵斥不堪想象的破坏性的恶果。 科学精神与人文精神 人，人类，作为高级动物，其区别于低级动物的最本质的特征就是：会思想，会理性思想，会经过言语表达思想，会经过行动实际思想。而在这种理性思想中，又以发明性思想、突破性思想、开展性思想为人类最大的和最普遍的优势所在。人类本身、人类社会恰恰是由于依托了这种发明性思想、突破性思想、开展性思想

11、才得以从愚笨走到今天这样高度文明的开展程度。.人类为了到达无妨碍地进展这种理性思想的境界，就必需摆脱思想的依靠，换句话说就是必需“以人为中心、以人为本。 科学精神与人文精神 而人类为了真正做到摆脱思想依靠，即真止做到“以人为中心和“以人为本，就必需提倡、遵照和尊重以“客观的根据，理性的疑心多元的思索，平权的争论，实际的检验等五要素为主的科学精神。换句话说、人们假设不能提倡、遵照、尊重这五条原那么，就根本不能够成为真正摆脱思想依靠、精神依靠的自在的人。 .电磁波的发现麦克斯韦从实际上预言了电磁波的存在，并于1873年出版了专著。1888年赫兹用实验初次证明了电磁波的存在。赫兹的发现具有划时代的意

12、义，它不仅证明了麦克斯韦的预言，更重要的是导致了无线电的诞生，开辟了电子技术的新纪元。光学的开展历史.电磁波谱自从1888年 赫兹经过一系列实验证明了电磁波的存在之后，时至今日，不仅证明了光波是电磁波，而且证明了红外线、紫外线、X射线、 g 射线等均是不同频率范围内的电磁波。真空中电磁波的传播速度：电磁波的频率() 、速度(c)、波长()关系：.电磁波谱电磁波的频率、速度、波长关系：.放射性实验、产生高能粒子、研讨天体、宇宙医疗透视、金属探伤、物质晶体构造紫外线杀菌、荧光效应热辐射红外雷达、红外相机、夜视仪、取暖、烘干电视、雷达、无线电导航通讯、导航、航海航空定向、无线电广播、电报1纳米=10

13、-9米；1微米=10-6米.一、光的反射、折射和全反射光在介质中的速度：光密介质与光疏介质?光学的根本概念与原理.当入射角 发生光的全反射。一、光的反射、折射和全反射介质1:石英;介质2:空气.光学的根本概念与原理.光导纤维内：纤芯，5-10微米外；包层；约100微米ABn2n1n0ii.光纤通讯光纤通讯中信息的载体是光波，传输媒质是光纤，从而将信息从一端传向另一端。频率越高所能传播的线路越多。无线电通讯 ：3MHZ30MHZ 可传100套广播； 300MHZ3105MHZ可传1105套广播。激光通讯：频率达1014Hz，可传108套广播。激光的传输速率每秒622兆比特，比电传输速率每秒几万比

14、特高几个数量级。.1966年由英籍华人高锟提出创意。1967年，光经过100米的玻璃丝，光能只剩百亿分之一。1970年美国康宁公司马瑞尔、卡普隆、凯克研制出了第一根适用的光纤。1985年，全世界光纤线路已达455.5万公里。北美和欧洲铺设了长6500公里海底光缆，可以传输36000路。现正预备花150亿美圆，铺设32万公里海底光缆衔接125个国家。光纤通讯1983年，美国贝尔实验室铺设的纽约到华盛顿间的光缆，1440芯，直径仅13毫米，可同时通讯4.6万路。. 肥皂泡上的彩色干涉条纹油膜上的彩色干涉条纹 蝉翼上的彩色干涉条纹 二、光的干涉、衍射和偏振 1、光的干涉他留意过这些景象吗？?. 弹簧

15、振子的振动.2相位差1相位差相互加强相互减弱.波的干涉之模拟演示图某些位置的点振幅一直最大，另一些位置振幅一直最小，而其它位置，振动的强弱介乎二者之间，坚持不变，称这种稳定的叠加图样为干涉景象. 无阻尼电磁振荡的振荡方程KABLC 电磁振荡电路.平面电磁波.杨氏双缝干涉：1802年英国物理学家托马斯杨设计了杨氏双缝实验，证明了光的干涉景象。.光程差:相关相长相关相消杨氏双缝干涉：历史上第一次测得波长.薄膜干涉 肥皂泡上的彩色干涉条纹油膜上的彩色干涉条纹 蝉翼上的彩色干涉条纹 .增透膜：增反膜：激光器谐振腔高反镜检查光学元件的外表：薄膜干涉 .二、光的衍射：S波在传播过程中遇到妨碍物，可以绕过妨

16、碍物的边缘前进这种偏离直线传播的景象称为衍射景象.单缝衍射.光栅衍射分析复色光光谱的光谱仪1821年德国物理学家夫琅和费初次将金属丝并排紧靠而构成一密集而等间距的多狭缝-衍射光栅。高科技可制成每厘米有超越一万条狭缝的光栅。.圆孔衍射爱里斑角半径:.眼睛、照相机、望远镜、显微镜最小分辨角：分辨身手：光学仪器分辨身手:.提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来替代光。根据德布罗意的物质波实际，运动的电子具有动摇性，而且速度越快，它的“波长就越短。假设能把电子的速度加到足够高，并且会聚它，就有能够用来放大物体。1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制

17、造出了世界上第一台透射电子显微镜TEM。1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜SEM。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以到达纳米级10-9m。很多在可见光下看不见的物体例如病毒在电子显微镜下现出了原形。提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来替代光。提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长。光学仪器分辨身手:1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜TEM。(用电子束来替代光)。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。

18、.可见光作为光源的显微镜，分辨率是0.2微米电子显微镜的分辨率可以到达纳米级10-9m电子显微镜的分辨率可以到达纳米级10-9m光学仪器分辨身手:.光学仪器分辨身手:提高光学仪器分辨率的途径之二就是增大孔径：美国帕洛马山天文台的反射式望远镜直径约为5米，实际最小分辨角为1.310-7弧度。美国夏威夷的莫纳克亚天文台安装一台有36块三角形镜片组成的镜面总直径达10米的望远镜，调理36面小镜的方位可以得到高质量的天文图像。1990年，美国将直径2米的哈勃空间望远镜发射到空间轨道上。.三、有趣的偏振光电磁波是横波自然光 可分解为两个方向恣意相互垂直、 振幅相等，没有恣意相位关系的偏振光。XY 完全偏

19、振光 线偏振光光矢量只沿某一固定方向振动的光XY.两向色性的有机晶体，如电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就构成了偏振片。它有一个特定的方向，只让平行与该方向的光振动经过。起偏检偏偏振片.自然光.线偏振光.偏振太阳镜、偏振立体镜人眼对光的偏振的形状是不能分辨的，某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感(蜜蜂)。.光与颜色17世纪60年代，I.牛顿经过有名的“日光棱镜折射实验得出白光是由不同颜色光线混合而成 颜色是人类眼睛对某一段波长的电磁波做出的反响。.我们做这样一个实验，取三个手电筒，分别用红色、绿色和蓝色的彩纸遮住，来到一个黑暗的房间，让三柱光束相互叠加红光和蓝光叠加会呈现 红紫色红光和绿光叠加会显示黄色绿光和蓝光叠加会显