第三章热和光3.光

第三章热和光第三节光一、几何光学的研究（一）几何光学的发展对几何光学最早进行研究并推动几何光学初期发展的是古希腊物理学家欧几里得。在15世纪和16世纪初，各种面镜与透镜及暗箱等光学元件和仪器的出现，为几何光学的深入研究提供了实验工具，有力推动了几何光学的发展。（二）折射定律的建立公元二世纪，希腊人托勒密通过实验研究了光的折射现象，他测定了光从空气向水中折射时入射角与折射角的对应关系，托勒密通过数据分析得出结论：折射角和入射角成正比关系。今天我们知道这个结论是不正确的，它只有在入射角很小的情况下才近似成立，但他是第一个通过实验定量研究折射规律的人。德国人开普勒在汇集前人光学知识的基础上，断定托勒密关于折射规律的结论是不正确的。于是他开始便想通过实验发现折射定律，但实验最后没有成功，他便转向从理论上加以探索。开普勒关于折射定律的研究和修正比托勒密前进了一步，但还没能给出正确的折射定律1621年，荷兰物理学家斯涅耳通过实验精确确定了入射角与折射角的余割之比为一常数的规律，即cscθi/cscθt=常数，故折射定律又称斯涅耳定律。由于余割和正弦成反比，所以这个叙述等价于现代折射定律的表达式。法国物理学家笛卡儿以媒质中球的运动作类比说明折射定律。1637年,笛卡儿在《折光学》一书中首次公布了具有现代形式正弦之比的规律。法国数学家费马于1657年从理论上得到费马原理（光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播，又称最小时间原理或极短光程原理。），并于1661年运用费马原理成功推导出了折射定律。6.折射定律（斯涅尔定律）现代表述光从一种介质射向另一种介质的平滑界面时，一部分光被界面反射，另一部分光透过界面在另一种介质中折射，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即比例为常数，称为第二介质对第一介质的相对折射率。鱼在哪儿？生活中常见的折射现象岸上看水里物体变浅水里看岸上物体变高海市蜃楼：是一种幻景，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。隔着玻璃看物体等海市蜃楼光从光速大的介质（光疏介质）进入光速小的介质（光密介质）中时，折射角小于入射角；从光速小的介质进入光速大的介质中时，折射角大于入射角。全反射光由光密介质进入光疏介质发生折射，当入射角θ增加到某情形时，折射角为90°，该入射角θ称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，光线全部反射回光密介质，此现象称为全反射。当光线由光疏介质射到光密介质时，不会发生全反射。全反射的应用——光导纤维光导纤维（光纤）利用的就是全反射的原理习题1.光从空气斜射入水中或其他介质中时，（1）

与

、

在同一平面上；（2）折射光线和入射光线分居

两侧；（3）折射角

入射角；（4）入射角增大时，折射角

；（5）光路；当光线垂直射向介质表面时，传播方向。可逆不改变2、在下列现象中，属于光的折射现象的是()A、人看到平面镜中自己的像B、斜插入水中的直尺看起来变弯折C、日食和月食D、小孔成像3．在下列四个现象中，能用光的折射规律解释的是()A．放大的字B．水中倒影C．手影D．森林中的太阳光BA4.物理老师在实验室用某种方法在长方形玻璃缸内配制了一些白糖水。两天后，同学们来到实验室上课，一位同学用激光笔从玻璃缸的外侧将光线斜向上射入白糖水，发现了一个奇特的现象：白糖水中的光路不是直线，而是一条向下弯曲的曲线，如图所示。关于对这个现象的解释，同学们提出了以下猜想，其中能合理解释该现象的猜想是要()A．玻璃缸的折射作用B．激光笔发出的光线木绝对平行C．白糖水的密度不是均匀的，越深密度越大D．激光笔发出的各种颜色的光发生了色散C5.下列四幅图中，能真实反映光通过玻璃膜墙进入室内传播途径的是（）A.B.C.D.B二、光本性的探索（一）光的波动说1.光的波动现象：干涉、衍射和冰洲石晶体的双折射现象2.波动说的建立（二）光的微粒说1.早期的微粒说2.牛顿的微粒说三、光的本质17世纪以前，人们对光的本性讨论很少，随着对一些光学现象研究的日趋深入，关于光的本性问题被提了出来，并逐渐形成两种不同的观点：一是以惠更斯为代表的波动说；另一是以牛顿为代表的微粒说。（一）杨氏双缝（干涉）实验1801年，英国物理学家托马斯·杨提出了光的干涉原理并首先做了双缝干涉实验，通过实验成功观察到了光的干涉现象：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。在1807年，托马斯·杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了双缝实验。从实验观测到的干涉图案给予光的粒子观致命的打击。因为经典的粒子理论无法满意地解释实验的干涉图案。大多数的科学家从此接受了光的波动观。（二）马吕斯对双折射现象的研究双折射是指光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。将一块冰洲石(方解石)放在书上看，它下面的线条都变成双影。光的干涉证明了光具有波动性。（三）菲涅尔和光衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。小孔衍射障碍物衍射（四）光的电磁说光的干涉和衍射现象证明了光是一种波，到19世纪中叶，光的波动说已经得到公认，但光的本质问题一直没有解决。19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且从理论上得出，电磁波在真空中的传播速度应为3.11×108m/s，而当时实验测得的光速为3.15×108m/s，两个数值非常接近。麦克斯韦认为这不是一种巧合，它表明光与电磁现象之间有本质的联系，由此他提出光在本质上是一种电磁波，这就是光的电磁说。1886年，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并且测出了实验中的电磁波的频率和波长，从而计算出了电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同，这样就证明了光的电磁说的正确性。（五）爱因斯坦的光量子假说普朗克提出量子假说后，爱因斯坦从中得到了重要启示：在现有的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。在原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻的矛盾。光量子假说1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了光量子假说：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。光的波动说无法解释光电效应由赫兹和勒纳德发现，当波长较短的紫外线照射金属表面时，金属中有电子逸出，被称为光电效应。实验表明：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，说明光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的，因为光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。光量子假说可以圆满解释光电效应按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能从金属表面打出电子来。微弱的紫光光量子数目比较少，但每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不足以使电子的逸出，所以不能打出电子来。