企业管理光学的发展

1、第五章 光学的的发展教学目的的和要求求：掌握：几几何光学学概念及及其发展展的过程程；牛顿顿对光的的色散的的研究；人们对对光的本本性认识识的探讨讨过程；光速测测定的几几种测量量方法；了解：对对光谱的的认识过过程。光光谱分析析的方法法是如何何建立的的。教学重点点，难点点：几何光学学概念及及其发展展的过程程；牛顿顿对光的的色散的的研究；人们对对光的本本性认识识的探讨讨过程；光速测测定的几几种测量量方法；教学内容容：1.光光学的历历史概述述一早期光光学古代光学学基本上上停留在在几何光光学的研研究和总总结上。公元前55世纪墨经、北宋宋时期沈沈括的梦溪笔笔谈都都有记载载。如投投影、小小孔成像像、平面面镜、

2、凸凸面镜、凹面镜镜等。古希腊时时期的天天文学家家托勒密密专门作作过光的的折射实实验，写写有光光学55卷，记记载折射射角与入入射角成成正比.欧几里德德在其反射光光学中中记载了了光的反反射；中世纪时时阿拉伯伯人阿勒勒哈增（9655-10038）著光光学全书书，讨讨论了许许多光的的现象。二折射定定律的建建立1开普普勒的工工作16111年写了了折光光学，记载了了两个实实验。第一个实实验：比比较入射射角和折折射角：如图66-1-1，日日光LMMN斜射射到器壁壁DBCC上，BCC边沿的的影子投投射到底底座于HHK；另另一部分分从DBB射进一一玻璃立立方体AADBEEF内，阴影的的边沿形形成于IIG。根根据

3、屏高高BE和两两阴影的的长度EEH和EG，就就可算出出立方体体的入射射角和出出射角之之比。第二个实实验：如如图6-1-22，用一一个圆柱柱性玻璃璃，令光光线沿SS1和S2入射，通过圆圆柱中心心的光线线S1方向不不变，和和圆柱边边沿相切切的光线线S2偏折最最大，并并发现最最大偏折折角约为为420。全反射的的发现：令AB为为玻璃与与空气的的分界面面，如图图6-11-3。光线从从空气进进入玻璃璃发生折折射，由由于最大大偏折角角为4220，所以以进入玻玻璃的光光线将构构成一个个夹角为为4202=8400的锥形形MONN。若有有一束光光从玻璃璃射向空空气，当当入射角角大于4420时，则则到达OO点后，将

4、既不不能进入入空气，也不能能进入MMON锥锥形区域域，必定定反射为为。2斯涅涅耳的工工作荷兰人，16221年从从实验得得到折射射定律。方法和和开普勒勒基本相相同，但但斯涅耳耳发现，比值OOS /OS恒为常常数，并并由此导导出图中中所示式式子。3笛卡卡儿的工工作16377年出版版的方方法论中记载载了笛卡卡儿的方方法：他他将空气气和其他他介质（如玻璃璃或水）的界面面看作是是一层很很脆薄的的布，设设想有一一小球斜斜方向投投向界面面，当球球穿过薄薄布时，在垂直直于界面面的方向向损失了了部分速速度，但但平行于于界面的的方向上上的速度度不变。据此他他得出：visiin ii =vvrsinn r所以有：s

5、inn i /siin rr =vvr/vi=常数这正是折折射定律律的正弦弦表达式式，但由由于他假假设介质质交界面面两侧的的光速的的平行分分量相等等，为使使理论与与实验数数据相符符，必须须假设光光密媒质质内的光光速比光光疏媒质质大。这这显然都都是错误误的。4费马马的工作作16611年费马马用最短短时间原原理推出出了折射射定律：同时证明明了光从从光疏媒媒质进入入光密媒媒质时向向法线方方向偏折折。这样样，从托托勒密开开始，经经过了115000年左右右的时间间才得到到了严格格的折射射定律，连同光光的直线线传播和和反射定定律一起起构成了了几何光光学的理理论基础础。三光学仪仪器的研研制1眼镜镜的制造造1

6、2999年由意意大利人人阿玛蒂蒂发明并并制造了了眼镜。2荷兰兰望远镜镜16088年，荷荷兰人李李普塞（Hanns LLippperssheyy)制成成第一台台望远镜镜：他用用一个凸凸透镜作作为物镜镜，用一一个凹透透镜作为为目镜组组合而成成。现在在仍把这这种组合合称为荷荷兰望远远镜。3伽利利略的改改进伽利略知知道后很很快改进进成放大大32倍，随后又又制成放放大10000倍倍的望远远镜，并并用它对对天体进进行了观观察，于于16110年写写出了星际使使者的的小册子子，有力力支持了了哥白尼尼的日心心说。4开普普勒望远远镜16111年开普普勒出版版了屈屈光学，解释释了荷兰兰望远镜镜和显微微镜所涉涉及到的

7、的光学原原理。并并设计了了一种用用两个凸凸透镜构构成的天天文望远远镜，即即开普勒勒望远镜镜。这种种望远镜镜很快就就取代了了荷兰望望远镜。因为它它视野宽宽，且能能把一个个遥远的的物体的的像与放放在两个个透镜共共同焦点点处的一一个小物物体相比比较。这这种比较较导致了了后来测测微计的的发明。第一台台开普勒勒望远镜镜由天文文学家沙沙伊纳于于1611316117年制制造。5显微微镜几乎与望望远镜同同时，荷荷兰人发发明制造造了显微微镜，由由眼镜制制造师詹詹森(JJansssenn)发明明：由一一双凸透透镜作物物镜和一一个双凹凹透镜作作目镜组组合而成成。后来来，意大大利那不不勒斯的的冯特纳纳(Foontaa

8、na)第一个个用凸透透镜代替替了凹透透镜目镜镜。6. 胡胡克的显显微镜16655年，胡胡克出版版显微微图象，并制制造一带带聚光镜镜的显微微镜：用用两个平平凸透镜镜分别作作物镜和和目镜，用一球球形聚光光器来照照亮待观观察的物物体。7. 反反射式望望远镜16688年，牛牛顿设计计并制造造了第一一架小型型反射式式望远镜镜，全长长15厘米米，口径径2.55厘米，但其放放大倍数数和当时时使用的的2米长的望望远镜相相同。116711年又制制造了第第二架较较大的反反射式望望远镜，全长11.2米米，口径径2米，献给给了英国国皇家学学会，现现仍保存存在英国国皇家学学会图书书馆。四牛顿的的色散研研究1色散散的早期

9、期研究十三世世纪，德德国一位位传教士士西奥多多里克(Theeodooricc)曾用用实验模模仿天上上的虹，他用阳阳光照射射装满水水的大玻玻璃球壳壳，观察察到了和和空中一一样的虹虹，并说说明彩虹虹是由于于空气中中水珠反反射和折折射阳光光造成的的。由于于受亚里里士多德德教义的的影响，他说各各种颜色色的产生生由于光光受到不不同阻滞滞所引起起的。笛卡儿儿在方方法论的一篇篇附录中中专门讨讨论了彩彩虹，并并介绍了了他所做做的棱镜镜实验：他用棱棱镜将阳阳光投射射到荧屏屏上，发发现不论论光照到到棱镜的的那一部部位，折折射后屏屏上的图图象都是是一样的的。从而而否定了了光是由由于受到到不同阻阻滞而产产生不同同颜色

10、的的说法。由于笛卡卡儿的屏屏离棱镜镜太近（只有几几厘米），他没没有看到到色散后后的整个个光谱。只注意意到光带带的两侧侧分别呈呈现兰色色和红色色。16448年，法国的的马尔西西用三棱棱镜演示示色散成成功。不不过他的的解释错错了。他他认为红红色是浓浓缩了的的光，兰兰色是稀稀释了的的光；之之所以出出现五颜颜六色，是由于于光受到到物质的的不同作作用。2问题题17世纪纪正当望望远镜、显微镜镜问世，伽利略略用望远远镜观察察天体，胡克用用显微镜镜观察微微小物体体。然而而，当放放大倍数数增大时时，这些些仪器出出现了像像差和色色差，人人们深感感迷惑，为什么么图象的的边缘总总会出现现彩色？这和彩彩虹有没没有共同同

11、之处？怎样才才能消除除？3牛顿顿的色散散实验这一时期期，牛顿顿正在剑剑桥大学学学习，他的老老师巴罗罗对光学学很有研研究，牛牛顿还帮帮巴罗编编写光光学讲义义，使使他对光光学产生生了浓厚厚兴趣。他亲自自动手磨磨制透镜镜，想按按自己的的设计装装配出没没有色差差的显微微镜和望望远镜。这个愿愿望激励励他对光光和颜色色的本性性进行深深入的研研究。牛顿从笛笛卡儿的的棱镜实实验、胡胡克及玻玻意耳的的分光实实验得到到启发，他将室室外阳光光经一小小洞引入入室内，经三棱棱镜后投投射到对对面的墙墙上。这这样从三三棱镜到到墙的距距离达到到67米，从从而获得得了展开开的光谱谱。而他他之前的的实验者者均由于于屏离折折射位置

12、置太近而而只能看看到两侧侧的彩色色光带。牛顿意识识到展开开的光谱谱可能是是由于不不同颜色色的光具具有不同同的折射射性能造造成的，于是作作了如下下实验：如图在在一张黑黑纸上画画一条线线abcc，半边边ab为红红色，半半边bcc为兰色色，经过过棱镜观观看，只只见这根根线好象象折断了了似的，分界处处正是红红兰之交交，兰色色部分比比红色部部分更靠靠近棱镜镜。可见见兰色光光比红色色光折射射更厉害害。为了证明明色散现现象不是是由于棱棱镜和阳阳光的相相互作用用及其它它原因造造成的，牛顿又又作了以以下实验验：他拿三三个棱镜镜作实验验，三个个棱镜完完全相同同，只是是放置方方式不同同，如下下图。如如果色散散是由于

13、于光线和和棱镜的的作用引引起的，经过第第二和第第三棱镜镜后，这这种色散散现象应应进一步步加强。显然实实验结果果不支持持这一观观点。他用两两块木版版各开一一小孔FF和G，并分分别放于于三棱镜镜两侧，光从SS处平行行射入FF后，经经棱镜折折射穿过过小孔GG，到达达距木版版DE 4米的另一一块木版版de上，投过小小孔g的光再再经棱镜镜abcc的折射射后，抵抵达墙壁壁MN。使使第一个个棱镜AABC缓缓缓绕其其轴旋转转，这样样第二块块木版上上不同颜颜色的光光相继穿穿过小孔孔g到达三三棱镜aabc。实验结结果是：被第一一个三棱棱镜折射射最厉害害的紫光光，经过过第二个个三棱镜镜时也偏偏折的最最多。结结论：白

14、白光是由由折射性性能不同同的各种种颜色的的光组成成。有人提提出光谱谱变长是是因为衍衍射效应应，为此此牛顿又又作如下下实验：取一长长而扁的的三棱镜镜，使它它产生的的光谱相相当狭窄窄。当屏屏放在位位置1时，屏屏上显示示仍为白白光；当当将屏倾倾斜到位位置2时，就就可看到到分解的的光谱。这一实实验说明明：光谱谱只涉及及屏的角角度，结结果与棱棱镜无关关。因而而也就否否定了衍衍射效应应的说法法。在色散实实验的基基础上，牛顿总总结出以以下几条条规律：1.光线线随其折折射率不不同，颜颜色也不不同。色色是光线线固有的的属性。2.同一一颜色的的光折射射率相同同，不同同色的光光折射率率不同。3.色的的种类和和折射的

15、的程度是是光线所所固有的的，不会会因折射射、反射射或其它它任何原原因而改改变。4.必须须区分两两种颜色色，一种种是原始始的、单单纯的色色，另一一种是由由原始的的颜色复复合而成成的色。5.本身身是白色色的光线线是没有有的，白白色是由由所有色色的光线线岸适当当比例混混合而成成。6.自然然物质的的色是由由于对某某种光的的反射大大与其它它光的反反射的缘缘故。7.把光光看成实实体有充充分依据据。8.由此可可解释棱棱镜色散散和虹。2.光光的波动动说和微微粒说的的论争一光的微微粒说对光的本本性自古古以来就就有两种种认识：波动说说和微粒粒说，代代表人物物分别是是惠更斯斯和牛顿顿。近代代微粒说说最早由由笛卡儿儿

16、首先提提出，他他认为光光是由大大量微小小弹性粒粒子所组组成，并并用此解解释了光光的反射射和折射射。后来来牛顿发发展了微微粒说，并和波波动说展展开了长长期的争争斗。二早期的的波动说说1胡克克胡克主张张光是一一种振动动，是类类似水波波的某种种快速脉脉冲。在在16667年出出版的显微图图象中中他写到到：“在一种种均匀介介质中这这一运动动在各个个方向都都以相等等速度传传播，所所以发光光体的每每一个脉脉动都必必将形成成一个球球面。这这个球面面将不断断的增大大，就如如同把一一石块投投入水中中后在水水面一点点周围的的环状波波膨胀为为越来越越大的圆圆圈一样样（尽管管要快得得多）。由此可可见，在在均匀媒媒质中激

17、激起的这这些球面面的所有有部分都都与射线线以直角角相交。”2惠更更斯荷兰物理理学家惠惠更斯发发展了胡胡克的思思想。他提出出光是发发光体中中微小粒粒子的振振动在弥弥漫于宇宇宙空间间的以太太中的传传播过程程。16788年他向向法国科科学院报报告了自自己的论论点，并并于16690年年以光光学正正式发表表。他写写到：“假如注注意到光光线向各各个方向向以极高高的速度度传播，其射线线在传播播中，一一条穿过过另一条条而互相相毫无影影响，就就可以完完全明白白：当我我们看到到发光的的物体时时，决不不会是由由于这个个物体发发出的物物质的迁迁移所引引起的。” 他认认为光的的传播，并不是是媒质以以太粒子子本身的的远距

18、离离移动，而是发发光体中中微小粒粒子的振振动通过过象沿着着一排互互相衔接接的钢球球传递一一样，当当第一个个球受到到碰撞，碰撞运运动就会会以极快快的速度度传到最最后一个个球。惠更斯斯原理下图是惠惠更斯描描绘光波波的示意意图。他他用子波波和波阵阵面的概概念论述述了光的的传播原原理-惠更斯斯原理：光在传传播过程程中，使使以太中中的每一一个受激激粒子都都变成一一个球形形子波，每一个个子波在在发光点点和子波波中心的的连线方方向上形形成的波波前的组组合，构构成一波波阵面；形成的的波阵面面上的每每一点又又都变成成一个球球形子波波的中心心。并用用这一原原理说明明了光的的反射和和折射。对双折折射的解解释 166

19、69年，丹麦的的巴塞林林纳斯（Barrthoolinnus)发现了了双折射射现象：当他用用方解石石观察物物体时，注意到到有双像像显示。经过反反复试验验，确定定是这种种晶体对对光有两两种折射射：寻常常折射和和非寻常常折射。惠更斯得得知这一一情况后后，重复复并证实实了这一一实验，并且观观察到其其它晶体体（如石石英）也也有类似似效应。惠更斯斯对这一一现象作作了如下下解释：寻常光光线仍遵遵循折射射定律，非寻常常光线则则不遵循循折射定定律，可可能是因因为方解解石等晶晶体的颗颗粒具有有特殊形形状，以以至光波波通过时时，在某某一方向向传播的的更快一一些。于于是出现现了不同同的折射射。早期的波波动理论论缺乏数

20、数学基础础，还很很不完善善，而牛牛顿的微微粒说因因符合力力学规律律而占据据统治地地位.3托马马斯杨（Thhomaas YYounng) 17773年6月出生生在英国国的一个个富裕家家庭，青青年时就就多才多多艺，通通晓希腊腊语、拉拉丁语、法语、意大利利语等语语言，能能演奏多多种乐器器，先后后在伦敦敦、爱丁丁堡、哥哥廷根学学医，于于17996年获获哥廷根根医学博博士学位位，17799年年开始行行医。托马斯杨的光光学研究究，始于于对视觉觉器官的的研究，他第一一个发现现眼球在在注视不不同距离离的物体体时会改改变晶状状体的曲曲率。 18000年发发表了关于光光和声的的实验问问题，对光的的微粒说说提出异异

21、议：既然发发射光微微粒的力力是多种种多样的的，为何何所发的的光的速速度相同同？光光由一种种媒质进进入另一一种媒质质时，为为何同一一类光有有的被反反射，有有的透射射？托马马斯杨认为为光和声声音类似似；根据据水波的的叠加现现象，声声波也会会由于叠叠加而出出现声音音的加强强和减弱弱，光波波也应如如此。并并首先提提出“干涉”术语。18011年发表表光和和色的理理论，以假说说的形式式阐述了了光的波波动理论论：整个个宇宙充充满了以以太，光光是发光光体在以以太中激激起的波波动，光光的颜色色取决于于光波动动的频率率。并提提出著名名的干涉涉原理。干涉原理理：“同一束束光的两两个不同同部分，以不同同的路径径要么完

22、完全一样样地，要要么在方方向上十十分接近近地进入入眼睛，在光线线光程差差是某个个长度的的整倍数数的地方方，光就就增强，而在干干涉区域域的中间间部分，光将最最强。对对于不同同颜色的的光来说说，这个个长度是是不同的的。”为了验验证自己己的理论论，托马马斯杨作了了著名的的杨氏双双缝干涉涉实验。杨氏双缝缝干涉实实验：屏屏上出现现了彩色色干涉条条纹。托马斯杨对牛牛顿环的的解释；实验中中出现的的明暗条条纹，就就是由不不同界面面反射出出的光的的互相叠叠加产生生干涉的的结果，位相相相反的叠叠加互相相抵消，位相相相同的叠叠加相互互加强。并用牛牛顿环第第一个测测出了在在空气中中红光和和紫光的的波长分分别约为为1/

23、3360000英寸寸和1/600000英英寸。用干涉原原理对光光的衍射射的解释释：18803年年发表关于物物理光学学的实验验和计算算，文文中通过过一实验验对光衍衍射现象象进行了了解释：用一束束光照射射一条宽宽约1/30英英寸的硬硬纸条，观察投投射到墙墙上或屏屏上的影影子。“在阴影影的两侧侧可看到到这种彩彩色条纹纹，阴影影本身也也被较细细的条纹纹所分割割，阴影影的正中中间却是是白色的的。这些些条纹是是通过硬硬纸条边边缘时发发生了折折射-确切切的说发发生了绕绕射-后进进入阴影影区产生生的联合合效应。”托马斯杨不足足：缺少少严密的的数学分分析，理理论探索索主要依依赖于类类比法。所以在在当时的的英国，

24、他的研研究未受受重视，反而遭遭到了攻攻击，后后来一度度转向了了语言学学研究。4菲涅涅耳(AAuguustiin JJeann Frresnnel)：法国人，工程师师，精通通数学。18115年向向法国科科学院提提交第一一篇关于于光的衍衍射的论论文，以以子波相相干叠加加的思想想补充了了惠更斯斯原理，发展成成为惠更更斯菲涅耳耳原理。他认为为：“在任何何一点的的光源振振动，可可以看作作在同一一时刻传传播到那那一点上上的光的的元振动动的总和和，这些些元振动动来自所所考察的的未受阻阻拦的波波的所有有部分在在它以前前位置的的任何一一点的各各个作用用。”独立发现现了光的的干涉原原理（但但晚于托托马斯杨杨） 1

25、8114和18118年，设计了了两个著著名的双双光束干干涉实验验：菲涅涅耳双棱棱镜实验验和菲涅涅耳双面面镜实验验，巧妙妙获得相相干光源源，消除除了微粒粒说者对对托马斯斯杨的双双缝实验验的非难难和曲解解。泊松亮斑斑为了推进进微粒说说的发展展，18818年年法国科科学院提提出了有有奖征文文，菲涅涅耳在阿阿拉果的的鼓励和和支持下下，提交交了应征征论文：他以严严密的数数学推理理，从横横波的观观点出发发，圆满满的解释释了光的的偏振，并用半半周带法法定量的的解释了了圆孔、圆板等等形状的的障碍物物所产生生的衍射射花纹，推出的的结果与与实验符符合的很很好。在在评审菲菲涅耳的的论文时时，法国国数学物物理学家家泊

26、松应应用菲涅涅耳对光光绕过障障碍物衍衍射的数数学方程程证明：如果在在光束传传播路径径上放置置一块不不透明的的圆板，则在放放在其后后的屏上上，应观观察到圆圆板黑影影的中央央出现一一个亮斑斑。称为为泊松亮亮斑。菲菲涅耳做做了一个个实验，果然在在阴影的的中央出出现了一一个亮斑斑。托马马斯杨的的双缝干干涉实验验和波松松亮斑证证实了光光的波动动性。马吕斯关关于偏振振现象的的发现： 18008年底底的一个个傍晚，马吕斯斯通过方方解石晶晶体眺望望日落时时卢森堡堡宫的窗窗子时，只能看看到一个个太阳的的像，后后来他用用蜡烛光光进行了了实验，在一篇篇文章中中他写到到：“通过一一晶体去去看反射射在该物物体或液液体表

27、面面的蜡烛烛的像时时，我们们大体上上可以看看到两个个像；但但如果以以视线为为轴，将将晶体沿沿该轴转转动的话话，则一一像的亮亮度减小小而另一一像的亮亮度增加加。但若若超过了了某种限限度，那那么以前前亮度削削弱的像像又开始始增强其其亮度，而以前前亮度增增加的像像的亮度度相应变变弱。我我们必须须大致测测定光度度最弱的的一点，以使两两像之一一完全消消失为止止。在该该距离确确定以后后，如果果我们继继续慢慢慢的转动动晶体，我们就就可以觉觉察出，每转动动1/44周，两两像之一一就交替替的消失失一次。”马吕斯斯称其为为“光的偏偏振”。马吕斯关关于偏振振现象的的解释：马吕斯用用微粒说说的观点点进行了了解释，他认

28、为为，光粒粒子不是是球形的的，他们们像磁石石有两个个极，在在通常的的光线中中，光粒粒子在空空间中取取向杂乱乱无章，当光从从玻璃表表面或水水面上反反射时，光粒子子会自行行分类。当光以以某一特特定角度度入射时时，这种种分类最最彻底，所有反反射出的的光粒子子取向一一致，是是完全“极化”的。偏振现象象的发现现及其解解释，对对光的波波动说是是一严峻峻挑战。托马斯斯杨写信信给马吕吕斯说：“您的实实验证明明了我采采用的理理论有不不足之处处，但是是这些实实验并没没有证明明它是虚虚伪的。” 18114年托托马斯杨首先先提出：可用干干涉原理理解释偏偏振现象象，但其其解释却却不完善善。在托托马斯杨的启启发下，181

29、16年至至18118年菲菲涅耳与与阿拉果果合作进进行了一一系列实实验，试试图找出出干涉原原理与偏偏振的关关系，他他们发现现：通过过方解石石分离出出的两列列折射光光之间不不会产生生干涉现现象。18177年1月和18818年年4月托马马斯杨先后后两次写写信给阿阿拉果，讨论有有关偏振振问题，并把光光比作绳绳索和弦弦的振动动，建议议他们把把光看成成一种横横波。阿阿拉果把把信给菲菲涅耳，菲涅耳耳立即看看出：这这一比喻喻为互相相垂直的的两束偏偏振光不不能相干干提出了了解释。并于118199年发表表了关关于偏振振光线的的相互作作用，于18821年年发表了了光的横横波性理理论。托托马斯杨和菲菲涅耳的的发现，标

30、志着着光学进进入了新新的发展展时期-弹弹性以太太光学时时期。118500年傅科科测定了了光在水水中和空空气中的的速度，给光的的粒子说说以最后后的打击击，从此此光的波波动说占占据了统统治地位位。 19世世纪600年代，麦克斯斯韦发表表了电磁磁场理论论，并计计算出电电磁波的的传播速速度和光光速相等等，明确确提出光光是一种种电磁波波。揭示示了光和和电磁波波的统一一性。约约20年后后被赫兹兹实验证证实。三光的波波粒二相相性 19世世纪末220世纪纪初，光光学的研研究深入入到光的的产生、光与物物质的相相互作用用等领域域，由于于光的波波动说无无法解释释光电效效应，但但粒子说说可以解解释。爱爱因斯坦坦为此提

31、提出了光光的波粒粒二相性性理论。21世纪纪面对对牛顿如如日中天天的气势势，杨以以不唯名名的勇敢敢精神说说：“尽管我我仰慕牛牛顿的大大名，但但我并因因此非得得认为他他是百无无一失的的。我遗遗憾地看看到他也也会弄错错，而他他的权威威也许有有时甚至至阻碍了了科学的的进步。”设计了了杨氏双双缝实验验，证明明了光的的干涉现现象。3. 光速的的测定光在真空空中的传传播速度度是一个个极其重重要的物物理量，能否准准确测定定是物理理实验技技术水平平和理论论水平的的标志。一早期的的实验在光速速的问题题上物理理学界曾曾经产生生过争执执，开普普勒和笛笛卡尔都都认为光光的传播播不需要要时间，是在瞬瞬时进行行的。但但伽利

32、略略认为光光速虽然然传播得得很快，但却是是可以测测定的。 16007年，伽利略略进行了了最早的的测量光光速的实实验：在在已知距距离的两两个高山山峰上，放两盏盏灯，利利用接收收灯闪亮亮的时间间去除间间距，来来测光速速，但误误差较大大。二天文学学方法1由木木卫蚀测测量光速速由丹麦人人奥罗斯斯罗末(116444-17710)于16775年提提出。木木星有113个卫卫星，II0（木木卫一）是木星星的一颗颗卫星，绕木星星旋转一一周的时时间约442小时时28分16秒，因此在在地球上上看I00蚀也应应是422小时288分16秒一一次，但但他在观观测木卫卫I的隐食食周期时时发现：在一年年的不同同时期，它们的的

33、周期有有所不同同；在地地球处于于太阳和和木星之之间时的的周期与与太阳处处于地球球和木星星之间时时的周期期相差十十四五天天。他认认为这种种现象是是由于光光具有速速度造成成的，由由于地球球在公转转轨道上上转动，两次观观测木星星时地球球在自己己轨道的的位置不不同，导导致木星星与地球球的距离离不一样样，从II0发出出的光信信号到达达地球的的时间也也就不同同。用两两次木卫卫蚀的时时间差去去除两次次木星与与地球的的距离差差，即可可求得光光速。他他还推断断出光跨跨越地球球轨道（两次木木卫蚀地地球距II0的距距离差）所需要要的时间间是222分钟。16776年9月，罗罗麦预言言预计111月9日上午5点25分45

34、秒发生的的木卫食食将推迟迟10分钟钟。巴黎黎天文台台的科学学家们怀怀着将信信将疑的的态度，观测并并最终证证实了罗罗麦的预预言。罗麦的理理论没有有马上被被法国科科学院接接受，但但得到了了著名科科学家惠惠更斯的的赞同。惠更斯根根据他提提出的数数据第一一次计算算出了光光的传播播速度：21440000千米/秒。虽虽然这个个数值与与目前测测得的最最精确的的数据相相差甚远远，但这这个结果果的错误误不在于于方法的的错误，只是源源于罗麦麦对光跨跨越地球球的时间间的错误误推测，现代用用罗麦的的方法经经过各种种校正后后得出的的结果是是29880000千米/秒，很很接近于于现代实实验室所所测定的的精确数数值。意义：

35、揭揭示了光光的传播播需要时时间，即即光速有有限。2由光光行差测测量光速速 18世世纪200年代，英国天天文学家家布拉德德雷（BBraddleyy)发现现了恒星星的光行行差现象象，再次次证明了了光速有有限，并并算出了了光速值值。1725517728年年间，布布莱德雷雷在地球球上观察察恒星时时，发现现恒星的的视位置置在不断断地变化化，在一一年之内内，所有有恒星似似乎都在在天顶上上绕着半半长轴相相等的椭椭圆运行行了一周周他认认为这种种现象的的产生是是由于恒恒星发出出的光传传到地面面时需要要一定的的时间，而在此此时间内内，地球球已因公公转而发发生了位位置的变变化如如右图，若当人人从B点运动动到A时，恒

36、恒星发出出的光线线从C点传播播到A，则光光速和地地球的公公转速度度之比为为：c/v=CCA/BBA=ttan，由此测测得光速速为：CC=29999330千米米/秒。三光速的的实验室室测定18499年，法法国人菲菲索（118199-18896）用齿轮轮旋转法法测得光光速为33.1551008米/秒。他他是第一一个首次次证明光光速可以以在实验验中测得得的人。另外，法国人人傅科、美国人人纽克姆姆等都对对光速测测定做过过贡献。1旋转转齿轮法法： 18449年法法国物理理学家斐斐索首次次在实验验室利用用齿轮的的旋转测测定了光光速。其其装置如如下：控控制齿轮轮转速，使其由由零逐渐渐增加，观察者者开始将将看

37、到闪闪光，当当齿轮旋旋转而达达到第一一次看不不到光时时，齿缝缝被齿所所代替，再增加加转速，当看到到光且不不再闪时时，说明明光往返返的时间间和齿轮轮转过一一齿的时时间正好好相等。据此即即可算出出光速。菲索测测得的光光速是33150000千千米/秒。由由于齿轮轮有一定定的宽度度，用这这种方法法很难精精确的测测出光速速。2傅科科的旋转转平面镜镜法18500年斐索索的朋友友和合作作者傅科科设计了了旋转平平面镜法法测定光光速，如如下图所所示。所所测速度度为299800005500千千米/秒。傅科测定定水中光光速光线经旋旋转镜mm反射到到M和M，T管中装装有水，一束光光经空气气折返，一束光光经水折折返。结

38、结果证明明，两光光束所用用时间不不同。3阿尔尔伯特迈克尔尔逊(119266)旋转转棱镜法法迈克尔逊逊从18879年年开始对对光速进进行了长长达500年的测测量工作作，基本本上沿用用了傅科科的方法法，后来来将斐索索的齿轮轮法和傅傅科的转转镜法相相结合，创立了了棱镜旋旋转法。棱镜旋转转的转速速可以测测定，由由发光和和接收光光的时间间、棱镜镜转速和和光来回回传递距距离的数数学关系系，可以以导出光光速来。转镜是一一个正八八面的钢钢质棱镜镜，从光光源S发出的的光射到到转镜面面R上，经经R反射后后又射到到35公里里以外的的一块反反射镜CC上。光光线再经经反射后后又回到到转镜。所用时时间是tt=2DD/c。

39、在t时间中中转镜转转过一个个角度。实验时时，逐渐渐加快转转镜转速速，当转转速达到到 5228转/秒时，在t时间里里正好转转过1/8圈。返回的的光线恰恰恰落在在棱镜的的下一个个面上，通过半半透镜MM可以从从望远镜镜里看到到返回光光线所成成的像。用这种种方法得得到c=299979664公里秒秒。 19007年，阿尔伯伯特迈克尔尔逊是第第一位获获诺贝尔尔物理奖奖的美国国科学家家。4其他他方法克尔盒盒法：119288年，卡卡娄拉斯斯和米太太斯塔德德首先提提出利用用克尔盒盒法来测测定光速速。19951年年，贝奇奇斯传德德用这种种方法测测出的光光速是22997793千千米/秒。微波谐谐振腔法法19550年

40、埃埃森最先先采用测测定微波波波长和和频率的的方法来来确定光光速在在他的实实验中，将微波波输入到到圆柱形形的谐振振腔中，当微波波波长和和谐振腔腔的几何何尺寸匹匹配时，谐振腔腔的圆周周长DD和波长长之比有有如下的的关系：D=2.44048825，因此此可以通通过谐振振腔直径径的测定定来确定定波长，而直径径则用干干涉法测测量；频频率用逐逐级差频频法测定定测量量精度达达10-77在埃埃森的实实验中，所用微微波的波波长为110厘米米，所得得光速的的结果为为29997922.51kmm/s激光测测速法119700年美国国国家标标准局和和美国国国立物理理实验室室最先运运用激光光测定光光速这这个方法法的原理理

41、是同时时测定激激光的波波长和频频率来确确定光速速（c=）由于于激光的的频率和和波长的的测量精精确度已已大大提提高，所所以用激激光测速速法的测测量精度度可达110-99，比以以前已有有最精密密的实验验方法提提高精度度约1000倍19722年，埃埃文森测测得了目目前真空空中光速速的最佳佳数值：299979224577.40.11米/秒。根据19975年年第十五五届国际际计量大大会的决决议，现现代真空空中光速速的最可可靠值是是：c=29997992.44580.0001kkm/ss光速的理理论值为为顺便指出出一点：各种测测量光速速的方法法，得到到的结果果都很一一致，这这也成为为光速不不变性的的一个有

42、有力佐证证。四超光速速问题对光速极极限这个个结论要要加几点点注解。有一一种不正正确的理理解，认认为光速速极限是是一切速速度的极极限。实实际上，光速只只是物体体运动速速度的一一种极限限，或能能量传递递速度的的一种极极限。如如果不注注意这个个条件，一般地地谈速度度。那么么，超光光速的现现象在物物理学中中是存在在的。举一一个极常常见的例例子。在在节日的的晚上，当探照照灯射向向高空的的云层时时，由于于云层的的反射，你会在在云层上上看到一一个亮点点。当地地面上的的探照灯灯慢慢转转动时，亮点却却以极快快的速度度在运动动。如果果能有足足够高的的云层，这个亮亮点的速速度就可可以超过过光速。这时，沿着亮亮点运动

43、动的轨道道并没有有能量的的传递，所以它它的速度度并不受受光速极极限的限限制。七十年代代以来，射电天天文观测测的分辨辨率大大大提高。利用所所谓甚长长基线干干涉仪，则其分分辨率相相当于站站在拉萨萨古城可可以看清清哈尔滨的的一张邮邮票。用用这种技技术发现现，许多多类星体体中包含含两个相相对称的的射电子子源。更更有趣的的是，发发现有的的类星体体两个子子源的间间距在不不断地增增大。由由间距增增大的速速率可以以推算出出两个子子源的分分离速度度。对于于3C3445，3C2773，3C2779等几几个类星星体，这这个分离离速度都都超过光光速，有有的甚至至达到光光速的十十倍！有一一种解释释这种超超光速的的模型，

44、就是认认为类星星体的中中心母体体喷射出出两股相相反方向向的粒子子流（相相当于探探照灯的的光），它照射射在星系系际介质质上（相相当于高高空中的的云），从而激激起射电电辐射（相当于于亮点）。因此此，只要要中心母母体有小小的摆动动。粒子子流照射射所激起起的辐射射区就会会迅速地地移动。光速不不是这种种辐射区区移动速速度的极极限，因因而超过过光速是是许可的的。当然然，“探照灯灯”模型只只是超光光速运动动的一种种可能的的解释。还有许许多其它它模型也也都可以以解释超超光速现现象。目目前这个个问题还还没有公公认的合合理解释释，需要要进一步步的观测测以检验验哪一种种机制更更加合理理。五 “以太漂漂移”的测定定1

45、早期期对“以太”的认识识：古希腊腊时期，亚里士士多德假假想月球球以上的的天体是是由第五五种元素素“以太”构成；17世世纪中期期，笛卡卡儿提出出“以太旋旋涡”假说：宇宙空空间充满满一种稀稀薄的“以太”物质，并围绕绕各个天天体旋转转形成旋旋涡，吸吸引周围围的物体体向中心心靠拢；惠更斯斯认为光光是一种种机械波波，“以太”就是传传播光波波的媒质质；进入119世纪纪，法拉拉第把“以太”看作是是力线的的载荷物物；麦克克斯韦也也用以太太运动解解释电磁磁现象，至199世纪末末，物理理学界普普遍认为为“以太”是电、磁、光光现象的的共同载载体。2“以以太”的运动动观： 18118年菲菲涅耳提提出静止止以太说说：地

46、球球对于以以太来说说，是由由极为多多孔的物物质组成成，以太太在其中中运动几几乎不受受任何阻阻碍，地地球不能能或只能能极其微微弱的拖拖曳以太太。 18445年斯斯托克斯斯提出完完全拖曳曳说：认认为地球球表面，以太与与地球有有相同的的速度，只有在在远离地地球的地地方，以以太才不不能被拖拖曳，处处于静止止状态。 18551年菲菲索提出出部分拖拖曳说：他用顺顺着和逆逆着水流流行进的的两束光光干涉的的实验说说明了以以太既不不是完全全静止的的，也不不是完全全被拖曳曳，只是是部分被被拖曳。其拖曳曳程度由由物体的的性质决决定。如如空气不不能拖曳曳以太，水可以以部分拖拖曳。至19世世纪末，人们基基本形成成了这样

47、样一种认认识：宇宇宙间充充满了以以太，它它是绝对对静止的的（绝对对空间的的参照物物）；天天体在以以太中穿穿行，但但并不拖拖曳以太太；以太太渗透到到一切物物体中，并被部部分拖曳曳，但却却不受大大气运动动的影响响。3“以以太漂移移”的测定定斐索索的流水水实验 18551年，斐索在在流水中中比较光光速，实实验原理理如下图图,光源发发出的光光经半透透镜反射射进入两两狭缝SS1和S2形成成两光束束，进入入水管，一束顺顺水流方方向，一一束逆水水流方向向，均经经反射镜镜M反射，在S处会合合发生干干涉。观观察干涉涉条纹可可以检查查因受水水流曳引引形成的的光程差差。假如如水中的的以太不不被流水水曳引，两束光光在

48、水中中的速率率是一样样的，无无论水是是否流动动，干涉涉条纹都都不会发发生变化化。如果果以太被被流水曳曳引，拖拖曳系数数为k，水流流的速度度为v，则以以太被拖拖曳的速速率为kkv；两两束光在在流水中中相对于于地球的的速率就就不相同同，于是是便能看看到干涉涉条纹的的变化。光在流流水中相相对于地地球的速速度为:c=c/nnkvv,斐索索通过实实验测得得k=00.466，表明明水中的的以太被被部分拖拖曳。(18117年，菲涅耳耳通过理理论导出出以太被被物体拖拖曳的常常数为 1-11/n22。对水水而言，其值为为0.4438，两结果果一致。)根据菲涅涅耳理论论，对于于地球表表面的空空气，nn1，所以 k

49、=00。表明明空气对对以太没没有拖曳曳作用。但是这这一公式式的意义义，当时时并没有有被人所所理解。直到爱爱因斯坦坦建立了了相对论论才得到到圆满的的解释。迈克耳耳逊干涉涉仪：18811年迈克克耳逊设设计了一一种干涉涉仪，如如图，用用于寻找找绝对静静止的以以太是否否存在。当两光束束有一定定光程差差时，在在d处则出出现干涉涉条纹。如果以以太是静静止不动动的，则则由于地地球绕太太阳的运运转，地地球表面面应有“以太风风”刮过。这以太太风相当当于斐索索实验中中水的流流动。如如果把仪仪器转动动90度，则必然然会出现现条纹的的移动。通过推推导，条条纹的移移动量为为：=ct / ,估计计应有00.4条条纹的移移

50、动，但但实验结结果只有有0.11条纹的的移动，而这一一微小数数值可以以理解为为实验中中的误差差。18877年迈克克尔逊与与莫雷合合作，对对仪器改改进后又又进行了了更精密密测量：将整个个光学系系统安装装在大石石板上，再将石石板浮在在水银槽槽上，可可以自由由旋转改改变方位位。光路路经多次次反射，光程可可达111米。但结结论仍是是“零结果果”。因此此得出：以太太被完全全拖曳；根本本不存在在以太。早在17728年年，英国国天文学学家布来来得雷在在他的光光行差实实验中，就已判判明以太太没有被被太阳拖拖曳(洛奇的的转盘实实验也证证明以太太静止)，以太太相对于于太阳是是静止的的。迈克尔逊逊和莫雷雷仍倾向向于

51、完全全曳引假假说，但但从完全全曳引假假说必然然会得出出这样一一个结论论：在运运动物体体表面有有一速度度梯度的的区域，如果靠靠得很近近，总可可以觉察察出这一一效应。洛奇的的转盘实实验 18992年，英国物物理学家家洛奇做做了一个个钢盘转转动实验验，以实实验“以太”的漂移移。他把把靠得很很近的大大钢锯圆圆盘（直直径3英尺）平行的的装在电电机的轴轴上，使使其高速速旋转（可达440000转/分）。一束光光经半透透镜分为为两路，分别沿沿相反方方向在钢钢盘之间间走三圈圈，再回回合于望望远镜产产生干涉涉条纹。如果钢盘盘转动拖拖曳周围围以太旋旋转，则则两路光光线将产产生时间间差，造造成干涉涉条纹移移动。但实验

52、结结果为：不论钢钢盘转速速如何，钢盘正正转或反反转，造造成的条条纹移动动都在误误差范围围以内。从而证证明以太太静止。所以迈迈克尔逊逊莫雷实实验的“以太风风的零结结果”表明：以太根根本不存存在。4. 光谱的的研究一光谱的的早期研研究16666年牛牛顿的色色散实验验开始了了光谱研研究的历历史，由由于他用用圆孔作作光阑，并没有有观察到到光谱谱谱线。17448年-17749年年间，英英国的梅梅耳维尔尔用棱镜镜观察了了多种材材料的火火焰光谱谱，包括括纳的黄黄线。18000年，英国天天文学家家赫谢尔尔测量了了太阳光光谱中各各部分的的热效应应，发现现红端辐辐射温度度较高。他注意意到红端端以外的的区域，也具有

53、有热效应应，从而而发现了了红外线线。18001年，德国科科学家里里特(RRittter)发现在在光谱紫紫色的外外侧仍能能使氯化化银变黑黑，且比比紫光的的化学作作用更强强烈，从从而发现现了紫外外线。18002年沃沃拉斯顿顿(Woollaastoon)观观察到太太阳光谱谱的不连连续性，发现中中间有多多条黑线线，但他他误认为为是颜色色的分界界线。18003年托托马斯杨杨的干涉涉实验提提供了测测量波长长的方法法.德国物物理学家家夫琅和和费对太太阳光谱谱进行了了深入研研究，118144-18815年年他向慕慕尼黑科科学院展展示了自自己编绘绘的太阳阳光谱图图，内有有多条黑黑线，并并对其中中八根显显要的黑黑

54、线标以以A、BHH等字母母(称为夫夫琅和费费线)。这些些黑线后后来成为为比较不不同玻璃璃材料色色散率的的标准，并为光光谱精确确测量提提供了基基础。 18221年-18822年年期间，夫琅和和费详细细地研究究了衍射射现象，在波动动说的基基础上导导出了从从衍射图图形求波波长的关关系式，确定了了主要暗暗线的波波长，如如D=5888.777m.发明了衍衍射光栅栅，最初初用金属属丝等距距排列起起来作为为衍射光光栅；后后来建造造了刻纹纹机：将将金箔贴贴在玻璃璃板上，用金刚刚石在金金箔上刻刻痕，作作成透射射光栅。二光谱分分析的诞诞生1前奏奏在夫琅和和费之后后，许多多人对光光谱进行行了实验验研究，认识到到光谱

55、与与物质的的化学成成分有关关，从而而导致光光谱分析析的诞生生。 18332年布布儒斯特特发现透透过发烟烟硝酸的的太阳光光的光谱谱中有暗暗线和光光谱带，他认为为，这些些暗线产产生于地地球大气气对光的的吸收，或是太太阳大气气对光的的吸收。 18445年英英国化学学家米勒勒研究了了金属盐盐类火焰焰的吸收收光谱和和发射光光谱，证证实了钠钠的明线线和太阳阳光谱中中的D线恰好好相合。 18449年傅傅科把苏苏打涂在在弧光灯灯碳棒的的前端，首先在在D线位置置得到暗暗线，如如果让太太阳光通通过，则则太阳光光谱中的的D线明显显变暗。由此得得出结论论：同一一电弧在在产生DD线的同同时，还还吸收别别处来的的D线。以

56、上实验验和发现现，为德德国物理理学家基基尔霍夫夫与本生生创建光光谱分析析理论开开辟了道道路。2光谱谱分析理理论的建建立： 18559年，基尔霍霍夫对光光的吸收收和发射射之间的的关系作作了深入入研究。他和本本生(BBunssen)合作研研究了各各种物质质的火焰焰光谱和和火花光光谱，正正确解释释了夫琅琅和费线线，在当当年发表表的论文文中，他他写到：“这种研研究使我我们从吹吹管火焰焰中的光光谱去认认识复杂杂混合物物的定性性成分。可以使使我们作作出关于于太阳大大气、和和或许关关于较亮亮恒星大大气的成成分的结结论。”通过实实验，他他们认为为：太阳阳大气中中有钠、钾，但但没有锂锂，或数数量相当当少。在在他

57、们合合写的论论文借借助光谱谱观察进进行化学学分析中指出出：“无论含含有金属属的化合合物的位位置何等等不同，也无论论这些单单独火焰焰的温度度的差别别是何等等巨大，都不会会对相应应的个别别金属的的谱线位位置发生生任何影影响。”这一结结论为化化学分析析提供了了强大的的武器，为物理理学开辟辟了光谱谱分析的的新领域域。三巴尔末末发现氢氢光谱规规律1埃格格斯特朗朗的“标准太太阳光谱谱”图表 18668年，瑞典阿阿普沙拉拉大学的的物理学学教授埃埃格斯特特朗发表表“标准太太阳光谱谱”图表，记有上上千条夫夫朗和费费线的波波长，以以10-88cm为为单位，精确到到六位有有效数字字，为光光谱工作作者提供供了极其其有

58、用的的宝贵资资料。为为了纪念念他，后后来将110-88cm命命名为埃埃格斯特特朗单位位，记为为1。2埃格格斯特朗朗首先找找到氢光光谱的谱谱系 18668年埃埃格斯特特朗从气气体放电电的光谱谱中找到到了氢的的红线(H)，并证证明它就就是夫朗朗和费从从太阳光光谱发现现的C线，后后来又发发现了另另外几根根可见光光区域的的氢谱线线，测量量了它们们的波长长。3氢光光谱的拍拍摄18800年，胡胡金斯(Huggginns)和和沃格尔尔(Voogell)成功功地拍摄摄了恒星星的光谱谱，发现现氢的光光谱线一一直扩展展到紫外外区，组组成一光光谱系。这个光光谱系非非常有规规律：从从红线到到紫外区区，一根根接着一一根，密密度逐渐渐增加。4. 巴巴尔末(Ballmerr,18825-18998)发发现氢光光谱规律律19世纪纪80年代代初，光光谱学取取得很大大发展，积累了了大量数数据资料料。如何何从浩繁繁的光谱谱资料中中找出其其中的规规律?是摆在在物理学学家面前前的任务务。巴尔尔末，瑞瑞士的一一位中学学数学教教师，在在巴塞尔尔大学教教授哈根根拜希(E.HHageenbaach)的指点点下将氢氢光谱的的规律总总结出来来，于118844年6月25日向全国国科学协协会报告告了自己己的发现现