基础物理学：光学导言

基础物理学---光学导言Newton牛顿Huygens惠更斯§1.1光学发展简史§1.2波动的数学描述§1.3费马原理重点：光程、光程差、惠更斯原理问题：光是什么？光的本性是什么？光的传播规律是什么？人为什么能看见周围物体？

……§1.1光学发展简史公元前400多年,中国的《墨经》有光学实验等记载公元前300年,希腊《反射光学》有光直线传播和反射定律记载1100年，阿拉伯人阿尔-海兹恩(Al-hazen)发明第一个透镜1590年琼森(Jonsen)和李普塞(Lippershey)发明第一架望远镜十七世纪初冯特纳(Fontana)发明第一架显微镜1621年斯涅耳(Snell)给出了光的反射定律和折射定律十七世纪费马(Fermat)提出了费马原理—光程极值原理1665年，牛顿(IsaacNewton)提出光的微粒学说1690年，惠更斯(ChristianHuggens)提出光的波动学说●光学早期发展●光的微粒说1665年牛顿的太阳光实验…;牛顿的牛顿环实验…牛顿认为：光是一种微粒流，微粒从光源飞出来,在均匀物质内以力学定律作等速运动。对光的反射定律解释：光微粒→弹性碰撞→对光的折射定律解释：光微粒通过界面受阻→但从光直线传播性推测对于水面：(实验结果)光在水中速度光在空气中速度●光的波动说惠更斯原理惠更斯认为：光同声一样,是以球面波传播的,如同石子投入水面时看到的波相似。从声现象和光现象有许多类似而推测声在大气中传播，水波在水面上传播，光在什么介质中传播呢？惠更斯提出光在“以太”中传播，“以太”充满宇宙的全部空间。惠更斯原理:光振动所到达的每一点都可视为次波的振动中心，次波的包络面为传播着的波阵面如图。相位相同的点构成的面惠更斯原理对光的反射定律解释：包络面DC由AC间次波元构成→光线2：B→C光线1：A→D速度同∴△ABC≌△ADC→光线2：B→C光线1：A→D速度不同惠更斯原理对光的折射定律解释：包络面DC由AC间次波元构成→光在水中速度光在空气中速度对于水面：(实验结果)●波动说的决定性胜利波动说结论:水空气微粒学结论:空气水1850年，傅科(J.B.L.Foucault法)实验测得：水空气波动学说正确1865年，麦克斯韦(英)①光与电磁波都横波②光与电磁波传播速度相同③光与电磁波都有干涉、衍射现象光是电磁波●光学的现代发展光的波动学说不能解释的现象：黑体辐射现象；光电效应；…1900年普朗克(德)提出辐射的量子论,解释了黑体辐射现象1905年爱因斯坦提出光子理论,解释了光电效应光具有波粒二象性光粒子遵从新的量子规律,而不符合牛顿力学量子力学狭义相对论原子物理学激光器半导体芯片…光学各领域蓬勃发展…计算机时代…原子弹爆炸原子能利用…核电站…§1.2波动的数学描述▲可见光的波长光色波长(nm)频率(Hz)红760~6403.951014～4.691014橙640~6004.691014～5.001014黄600~5505.001014～5.451014绿550~5005.451014～6.001014青500~4806.001014～6.251014兰480~4506.251014～6.671014紫450~4006.671014～7.501014可见光七彩颜色的波长和频率范围白光：整个连续光谱上各光的叠加.设传播介质内：▲电磁波的速度麦克斯韦的电磁波方程组这正是波动方程在真空中：=光速∴介质中传播速度为：←折射率▲电磁波八大特征：电磁波动方程：电磁波：电磁波八大特征如下：电磁波是横波(自证)由於频率高，S变化快，从而无法测量，所以应取平均：若只关心波强I相对大小,不妨取：I:单位时间内通过垂直于光的传播方向单位面积上的平均电磁波能量⒏光是电磁波★光、电磁波都是横波★光速=电磁波速=3.0×108m/s★光、电磁波都有干涉、折射、衍射等现象∴光是电磁波光振动振动:以后不计磁场影响对人眼或感光仪器主要是需要指出：实验结果光在介质中传播:其频率不变，与真空的相同；

其波长λ和传播速度v都与介质有关.

λ:光在真空中的波长；v:光在真空中的速度;n:介质折射率▲简谐波的数学表达式(复习)一维简谐波：波数角频率振幅初相位光矢量波数：kx与t符号相反：波沿x正向传播kx与t符号相同：波沿x负向传播波矢：波的传播方向三维简谐波：球面波无吸收介质：能量守恒A:球面波传播到r处的振幅；A0:球面波传播到r0处的振幅▲波动的复数表示可引入复数表示振动和波：复数的模振幅；复数的辐角相位复数的实部振动或波常可使计算简化※复数乘其复数共轭※复数运算比三角函数运算方便｝∴用复数表示※计算的最终落脚点是光强∵§1.3费马原理---光传播的普遍原理问题：光线沿什么路径传播？◆光程(重要!!!)光程例如，光从Q→P是Q→x1→P？0空气x1x2xPQ水Q→x2→P？Q→x→P？光程即：光程等于相同时间内光

在真空中传播的距离真空中

光从空间一点传播到另一点是沿光程为极值的路径传播的。◆费马原理——P.deFermat,1657所以，反射线必在入射面∏内。⑵反射定律入射面∏反射界面∑第一步：如图→⑴直线传播定律因在同一介质中，两点属直线段最短即光程最小，所以:

光线沿直线传播∴光程最短→QMP→反射线P与P'镜像点→△MAP'≌△MAP第二步如图→：步骤Ⅱ∑A⑶折射定律同样可证折射线必在入射面∏内如图→∑Q→M→P光程：极值→※光线A、B、C

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