物理学史1

物理学史——

光学史

一、引言

说起光，我想我们大家都不陌生，我们之所以能够看到缤纷多彩的世界，全因为有光；而地球上之所以有如此丰富的物种，很大程度上也取决于光。光学的起源和力学、热学一样，可以追溯到两三千年前，我国的《墨经》就记载了许多光学的现象，如平面镜成像，小孔成像，凹面镜等。西方也很早就有了光学的知识的记载，欧几里得（Euclid,公元前约330-260）的《反射光学》（catoptrica）研究了光的反射；阿拉伯学者阿勒.哈曾（Al-Hazen,965-1038）写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象。由此可见，光学真的是一门古老的科学。下面就让我们回到光学的发展之初，一步一步来见证光学是如何发展的。

二、正文

首先就应该是我们日常生活中对光的观察了。记得以前学过这样一篇文章《两小儿辩日》“日初出大如车盖，而日中是如圆盘，此所谓近之大而远之小也”，说的就是人们根据太阳刚出来的时候比中午的时候大而来判断太阳距地球的距离。而在我国的古诗中也体现了光学的应用，如李白的“举杯邀明月，对影成三人”，以及曹操的“月影星稀，乌鹊南飞”。而光学在我国的歇后语中也有体现，如“光阴似箭，日月如梭”，说的就是时间流逝的快，劝诫我们要珍惜时间；还有“身正不怕影子歪”等。形影不离、形单影只，形影相吊等成语也体现了光学的悠久的历史。而我国关于光学的书面记载的就有《墨经》中的论影，《经下》：“景不徙，说在改为。”《说经下》：“景光至，影亡；若在，尽古稀。”《列子、説符》云：“形柱则影曲，形直则影正，然则柱直随形而不在景；身长则影长，身短则影短。”而我国古代对磷光的记录也是非常的悠久的。磷光最早记载见于汉代《淮南子.汜论训》“老槐生火，久血为磷，人弗性也。”东汉高诱在注中也写到“血精在地，暴露白日则为磷，遥望炯炯如燃磷也。”因而世人将磷光称为“鬼火”“鬼磷”。我国古代还有一项关于光学的应用就是皮影戏，《汉书、列戚传》就有记载“上思念李夫人不已，方士奇少翁岩能致其神。乃夜张灯烛，设帷帐，陈酒肉，而令上居它账，遥望见好女如李夫人之貌，还幄坐而步。”其中光

源即为“张灯烛”，屏幕即为“设帷帐”，而上看到的即为我国古代的最初的皮影戏，而不是奇少翁真的能至鬼神也。既然说到了我国古代的光学史，那么张衡是不得不说的一个科学家了，我国古代对日月食比较早的科学解释就是张衡了“月光生于日之所照，魄生于日之所蔽，当日则光盈，就日则光尽、、、、、当日之冲，光常不合者，蔽之地也，是谓暗虚，在星星微，月过则食。”这就是张衡对日食月食的比较科学的解释了。

那么我们的光学定理有时从何时开始发展起来的呢，这就还得看看西方大的光学发展了。

1、定律的建立

虽然折射现象很早就被人们所熟悉，但折射定律却经过了漫长的时间才被人们发现。在古希腊时代，就有天文学家托勒密（约100-170年）为探究折射定律而专门做了折射实验，经过精心的设计和观察，最终得出了这样的结论：折射角与入射角成正比。而在一千多年后的阿勒.哈增惊奇的发现了托勒密的结论与实验事实不符合，他说认识到了入射线和反射线总是与镜的法线在同一个平面里，入射线与反射线各处于法线的一侧。这是多么美丽的总结呀，或许对文学家而言用美丽一词来形容一个实验一个定律是否是很不恰当的，但对于物理学家们而言，任何的物理现象和定理都是非常的美丽和迷人的。

而又在1611年德国集天文学家、占星学家、数学家等荣耀于一身的开普勒（Johannes Kepler,1571-1630）在系统研究了大量的文献和数据之后，终于写了《折光学》一书，并在书中首次提到了全反射现象。其实开普勒的贡献远不止这些，我们知道开普勒曾是著名物理学家第谷的助理，而第谷一生都致力于天文学的研究，因而积累了大量的天文实验数据，在第谷死后，开普勒继承了第谷没有完成的工作，开始了对星体轨迹的研究，终于，最后他找到了星体具体的运动轨迹，于是也得出了著名的“开普勒三定理”也就是被我们熟悉的星体运动定律（第一定律又称椭圆轨道定律，第二定律又称面积定律，第三定律周期定律）由于开普勒在物理学上的卓越贡献，因而还有一颗新发现的星体以此命名为“开普勒”。而具体来说折射定律应该是莱顿的力学教授斯涅耳发现的，但他从未公布自己的发现，但是惠更斯和伊萨克.

沃斯两人声称曾审查过斯涅耳的手稿。他以不方便的形式把折射定律叙述如

下：“在相同的介质里，入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。”由于余割和正弦成反比，这个叙述等价于现代的叙述就很明显了。而笛卡尔1637年在他的《屈光学》以假定的形式从理论上提出了和斯涅耳一样的结论，但这却数学家费马的强烈谴责。于是1661年费马提出：光线从疏煤质进入密煤质，光转向垂线。并为折射定律提供了严格准确的证明。据此，几千年的折射定律终于完美了，终于得到了所有的物理学家的认可了。纵观折射定律的发现，我们可以看出物理学的发展是曲折的，总得有一个人提出一个观点，然后得经过许许多多的人去验证，最终才能得到人们的认同。

2、光学理论的发展

建立起折射定律后，几何光学理论很快就得到可发展。在这里我们还是以及个著名的科学家的事迹来讲述几何光学的发展。读一个科学家是牛顿，我想对我们学物理的人来说，牛顿使我们大家都再熟悉不过的认了，我们已经很清楚牛顿在力学方面的卓越贡献，我们也知道了牛顿在天体万有引力方面的卓越的贡献，那又有多少人知道牛顿在光学上的影响呢？1704年，牛顿发表了一篇名为《光学》，其副标题为——《关于光的反射、折射、拐折合颜色的论文》，在该书中，牛顿说明了他对色散现象的研究，这里还有他的一段自述“在1661年（在那时，我让我自己磨制除球形以外的其他形状的光学玻璃），我找到了一块三角形玻璃棱镜，用它试验了那有名的颜色现象。”

在牛顿之前，由于棱镜产生的折射被假定是实际上产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离开来。在进行具体的实验时，牛顿在一间暗室的窗板上开了一个小圆洞，并且把一块棱镜放在室内近孔德地方，因此光被折射到对面的墙上。牛顿说到“把这个有色光谱的长度和它的宽度相比较时，我发现长度比宽度约大5倍——如此过分的不匀称，使我比对考察它是从哪里产生的通常的好奇心更为激动。”除此之外，牛顿还提出了光的微粒理论，认为光是按照惯性定理沿直线飞行的微粒流。因为该学说直接说明了光沿直线传播的定律，并能第一光的反射，折射做一定的解释，再加上牛顿在物理界的权威性发现，光的微粒说一直处于上风。但后来人们却发现用微粒说研究光的折射定律时，得出了光在水中的速度比光在空气中大的错误结论。而在同一时期，荷兰物理学家惠更斯继承了胡克的“光是一种振动，在均匀媒介中，