经典光学物理学史

第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说


一、波动说
1、笛卡儿（1596—1650）---光的波动说的鼻祖 1637年出版的《屈光学》：“光是一种在以太介质 中压力的传递过程，光从物体通过介质传到人眼， 正如机械脉冲沿着手杖传入盲人的手和脑中” 2，胡克对波动说的贡献 1665年《显微术》中，主张“光是一种振动” 在一种均匀介质中这一运动在各个方向都以相等速 度传播，所以发光体的每一个脉动都必将形成一个 球面，这个球面将不断地增大。如同投石入水后引 起越来越大的环状波一样。


地球不动的说法，对当时人们的生活是令人安慰 的假设，也符合基督教信仰。 托勒密本人声称他的体系并不具有物理的真 实性，而只是一个计算天体位臵的数学方案。至于 教会利用和维护地心说，那是托勒密死后一千多年 的事情了。教会之所以维护地心说，只是想歪曲它 以证明教义中描绘的天堂人间地狱的图象，如果编 纂教义时流行着别的什么学说，说不定教会也会加 以利用的。所以，托勒密的宇宙学说同宗教本来并 没有什么必然的联系。
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 波动光学的兴起




3、1808年马吕斯（1775—1812法国）发现了偏 振的现象（方解石），并用微粒说来解释，这 对光的波动说是一个严峻的挑战- - - - - 1814年托马斯、杨提出用横波来代替以前的纵 波的概念，并用干涉原理解释之，但并不令人 满意 1819年菲湟耳和阿拉果（1786—1853） 证明了相互垂直的偏振光不相干涉



第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说
• 3、惠更斯（荷兰1629—1695）波动光学的奠基人 • 1678年向法科学院提交的论文： • 假若注意到光线向各个方向以极高的速度传播， 且光线可以从不同的地点甚至完全相反的地方 发出时，光射线在传播中光线相互穿过而相互 不影响时，就能完全明白：当我们看到发光体 时，光线不可能像射弹或箭穿过空气那样。 • 类比声波和水波：光是球面波 • 引入子波和波阵面的概念，提出了惠更斯原理

A
F
D H

I
HI ( FH x) CD DI CF x M Vi Vr Vi Vr
2 2 2 2
dM 0 dx
sin i vi sin v
第五讲 光学的发展简史/ §5.3牛顿研究光的散射

牛顿发现光的色散实验（1666年，23岁） 红、蓝纸板由于折射好象抬高了，且蓝色半边升得更高。


克罗狄斯· 托勒密（公元90年~168年）生于埃及，父 母都是希腊人。公元127年， 年轻的托勒密被送到 亚历山大去求学。在那里，他阅读了不少的书籍， 并且学会了天文测量和大地测量。他曾长期住在亚 历山大城，直到151年。有关他的生平，史书上少有 记载。 在古老的宇宙观中，人们把天看成是一个盖子， 地是一块平板，平板就由柱子支撑着。 托勒密于公元二世纪，提出了自己的宇宙结构学 说，即“地心说”。其实，地心说是亚里士多德的 首创，他认为宇宙的运动是由上帝推动的。

托勒密著有四本重要著作：《天文学大成》（Almagest）、 《地理学》(Geography)、《天 文集》(Tetrabiblos)和 《光学》(Optics)。 了。 在托勒密的著作中，今天还容易得到和广泛被阅读的唯一 一本是《天文集》，这是占星学方面的书籍，这本书很长而 且全面，是自然主义的，在书中托勒密假定能存在某种形式 的、来自天体的自然辐射影响着人类。现在占星学的大多数 概念和争议都可以追溯到这本著作。 托勒密的最后一本重要著作《光学》，从许多方面来看都 算是他所有著作中最成功的一部，他在书中提出和说明了各 种基本原理，但他对折射的了解似乎是纯经验的。他绘出了 光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表。
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说




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2、菲湟耳对光的干涉和衍射的研究（1788—1827法 国) 30岁的菲湟耳提交了论文：用数学分析的方法，用惠 更斯原理来解释光的衍射现象。 法国数学物理学家、评委、微粒说拥戴者泊松： 应有一个亮斑 亮斑 圆盘 屏

阿拉果用实验验证，菲湟耳荣获这一届的科学奖
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说



2、菲湟耳对光的干涉和衍射的研究（1788— 1827法国） 在1815年向法科学院提交论文：：在任何一点 的光波振动可以看作是在同一时刻传播到那一 点上的光的元振动的总和，这些振动来自所考 察的波的以前位臵未受阻拦的所有部分的作用。 ----惠更斯—菲湟耳原理 1814年：菲湟耳双棱镜实验 1818年：菲湟耳双面镜实验
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 波动光学的兴起

4、菲涅尔、托马斯. 杨将光视为横波 5、1845年法拉第（1791—1867英国） 发现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象， 揭示了光和电磁的内在联系


6、1865麦克斯韦（1831—1879英国）电磁场理 论的建立，说明光是一种电磁现象。

1637年《方法论》：
H
A
C
F
i B
E

D

水平方向的速度相等：
sin i vr vi sin i vr sin r k sin r vi
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立


5、费马对折射定律的发展（1601—1665法国）
光在不同的媒介中传播时， 所走的路程时间取极值。 C i
第五讲 光学的发展简史/ §5.3牛顿研究光的色散

牛顿发现光的色散实验：白光通过棱镜时发生的现象。
棱镜 小孔
屏幕
白光的色散是由于白光与棱镜的相互作用？
太 阳 光 棱镜1 棱镜2 黄光 黄光
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 牛顿研究光的色散



结论：白光是由折射性能不同的光组成的。 牛顿颜色理论： 色不是自然物折射或反射出来的的光的属性（如同 一般人相信的那样），而是因不同射线而不同的本 来就有的内在的性质； 同一折射度总是属于同色，而同色也是属于同一折 射度； 色有两类，一类是固有的颜色，另一类是它们的混 合。固有的颜色或原色有红、黄、绿蓝和紫，还有 橙黄、深蓝以及众多的各种各样的中间色。但是最 可令人惊奇的色组合就是白色的组合；白色可以组 成，而其组成部分则要求有上述全部的原色并作适 当比例的混合

托勒密全面继承了亚里士多德的地心说，并利 用前人积累和他自己长期观测得到的数据，写成了8 卷本的《伟大论》。在书中，他把亚里士多德的9层 天扩大为11层，把原动力天改为晶莹天，又往外添 加了最高天和净火天。托勒密设想，各行星都绕着 一个较小的圆周上运动，而每个圆的圆心则在以地 球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫 “均轮”，每个小圆叫“本轮”。同时假设地球并 不恰好在均轮的中心，而偏开一定的距离，均轮是 一些偏心圆；日月行星除作上述轨道运行外，还与 众恒星一起，每天绕地球转动一周。托勒密这个不 反映宇宙实际结构的数学图景，却较为完满的解释 了当时观测到的行星运动情况，并取得了航海上的 实用价值，从而被人们广为信奉。
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说





二、以牛顿为代表的光的微粒说 1、牛顿在光学领域的功绩 最早用三棱镜分解太阳光的实验； 1665年建立了当时第一流的光学实验室 1675年牛顿环的著名实验；1704年，出版《光学》 2，反对波动说的理论： （1）不能说明光的直线传播这一基本的实验事实 “我们从来不知道光会沿着弯曲的道路走，或者会弯 到影子里去。” （2）不能解释光的偏振现象 进入18世纪后，由于牛顿的威望，由于光的波动说缺 乏数学上的严密性、完美性，光的微粒说为多数人所 接受。
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立 3，斯涅尔（1591—1626荷兰数学家）对折射定律的 贡献

1621年
O i
E
C
D

A
DC DA
DE ED
sin i sin
csc i k csc
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立

4，笛卡儿（1596-1650法国）完善了光的折射定律
第五讲 光学的发展简史/ §5.3 波动光学的兴起


阿拉果（Arago, Dominique Francois Jean ）于 1786年2月26日出生在法国东部比利牛斯省的埃斯特 热勒，一个具有西班牙加泰罗尼亚血统的中等地主 家庭里。 1795年，阿拉果的父亲当上了省造币厂的司库， 于是全家迁居省的首府佩皮尼昂市，阿拉果在那里 完成了他的基础教育。由于他立志要当拿破仑军队 炮兵军官，决心上综合工科学校，于是他在15岁时 就只身去巴黎自学，2年半内他掌握了考试所需的一 切知识，还学习了L· 欧拉（Euler）的无限小量分析、 拉格朗日（Lagrange）的解析函数理论和分析力学、 拉普拉斯（Laplace）的天体力学，使主考人蒙日 （Monge）大吃一惊，最后，蒙日给了他最高的评语。 阿拉果1803年底成了巴黎天文台的秘书，从而认识 了拉普拉斯等名人。
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立
1，托勒密第一个研究光的折射现象的人
第五讲 光学的发展简史/ §5.2折射定律的建立



1，托勒密第一个研究光的折射现象的人 折射实验并得出数据：入射角 I 折射角 2，开普勒（1571-1630德国）对折射规律的修正： 1611年 《屈光学》 入射角i<300 i 入射角i >300 seci i

除了在天文学方面的造诣， 托勒密在地理学上 也做出了出色的成就。他认为，地理学 的研究对象 应为整个地球，主要研究其形状、大小、经纬度的 测定以及地图投影的方法等。他制造了测量经纬度 用的类似浑天仪的仪器（星盘）和后来驰名欧洲的 角距测量仪。托勒密有地理学著作八卷，其中六卷 都是用经纬度标明的地点位臵表。 在数学方面，他用圆周运动组合解释了天体视动， 这在当时被认为是绝对准确的。他还论证了四边形 的特性，即有名的托勒密定理。他对光学也作过研 究，认为光线在折射时入射角与折射角成正比关系。
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说 三光的波动说的复兴 1、托马斯.杨（英国医生1773-1829）
对光学的研究始于对视觉器官的研究- - 1800年《关于光和声的实验和问题》对微粒说提出异议： （1），既然发射出光的微粒是多种多样的，为何所有的光具有相 同的速度？ （2），光线从一种媒质进入另一种媒质，为何同一类光线有的被 反射，有的却会透过去？ 1801年《光和色的理论》论文： 整个宇宙空间都充满着稀薄的、具有很大弹性的以太，光是发光体 在以太中激起的波动，光的颜色取决于光波动的频率。 A）以光的波动本性解释了牛顿环现象：光的干涉的结果 B）杨氏双缝干涉实验

亚里士多德的首创，他认为宇宙的运动是由上帝 推动的。他说，宇宙是一个有限的球体，分为天地 两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行， 物体总是落向地面。地球之外有9个等距天层，由里 到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太 阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力 天，此外空无一物。各个天层自己不会动，上帝推 动了恒星天层，恒星天层才带动了所有的天层运动。 人居住的地球，静静地屹立在宇宙的中心
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第三讲 光学的发展简史
光的历史概述 折射定律的建立
牛顿研究光的散射 光的微粒说和波动说 光谱的研究
第五讲 光学的发展简史/ §5.1十七世纪以前的光学成就


1、公元5 世纪以前中国“墨经”、北宋沈括 （1031—1095）的“梦溪笔谈” 《淮南万毕术》：“取大镜高悬，置水盆于 下，则见四邻矣！”
第五讲 光学的发展简史/ §5.4 光的微粒说和波动说



1818年法科学院提出有奖征文： 1，利用精确的实验确定光线的衍射效应； 2、据实验，用数学归纳法推导出光线通过物体 附近的运动情况。 本次活动的本意是为了推进微粒说的发展 … 评委有：阿拉果（波动）盖 .吕萨克（ 中） 拉普拉斯、泊松、毕奥（微粒） 30岁的菲湟耳提交了论文：用数学分析的方法， 用惠更斯原理来解释光的衍射现象。