普通物理学之光学

暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。

惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。

19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝乾涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏乾涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。

光学

（3）量子光学

2初等物理分类

（1）初中阶段：几何光学

（2）高中阶段：几何光学、物理光学

（3）说明：一般生活中提高的光学就是高中阶段的分类标准。

【光学的研究内容】

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学

是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学

是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学

的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒

质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学

英文名称：quantum optics

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学

光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、

辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

【中国光学成就】

1.取火的方法和对火的认识

我国古代取火的工具称为“燧”，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。根据我国古籍的记载，古代常用“夫燧”、“阳燧”（实际上是一种凹面镜，因用金属制成成，

光学

所以统称为“金燧”）来取火。古代人们在行军或打猎时，总是随身带有取火器，《礼记》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的记载，表明晴天时用金燧取火，阴天时用木燧取火。阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。讲到取火，古代还用自制的古透镜来取火的。公元前2世纪，就有人用冰作透镜，会聚太阳光取火。《问经堂丛书》、《淮南万毕术》中就有这样的记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”我们常说，水火不兼容，但制成冰透镜来取火，真是一个奇妙的创造。用冰制成透镜是无法长期保存的，于是便出现用玻璃或玻璃来制造透镜。

2.针孔成像和影的认识

公元前4世纪，墨家就做过针孔成像的实验，并给予分析和解释。《墨经》中明确地写道：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。”这里的“午”即小孔所在处。这段文字表明小孔成的是倒像，其原因是在小孔处光线交叉的地方有一点（“端”），成像的大小，与这交点的位置无关。从这里也可以清楚看到，古人已经认识到光是直线行进的，所以常用“射”来描述光线径直向前。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中也记述了光的直线传播和小孔成像的实验。他首先直接观察在空中飞动，地面上的影子也跟着移动，移动的方向与飞的方向一致。然后在纸窗上开一小孔，使窗外飞的影子呈现在窒内的纸屏上，沉括用光的直进的道理来解释所观察到的结果：“东则影西，西则影东”。墨家利用光的直线传播这一性质，讨论了光源、物体、投影三者的关系。《墨经》中写道：“景不徙，说在改为。”“光至，景亡。若在，尽古息。”说明影是不动的，如果影移，那是光源或物体发生移动，使原影不断消逝，新影不断生成的缘故。投影的地方，如果光一照，影子就会消失，如果影子存在，表明物体不动，只要物体不动，影子就始终存在于原处。墨家对本影、半影也作了解释。《墨经》中有这样的记载：“景二，说在重。”“景二，光夹。一，光一。光者，景也。”意思是一物有两种投影（本影、半影），说明它同时受到两个光源重复照射的结果（“说在者”，“光夹”）、一种投影，说明它只受一个光源照射，并且强调了光源与投影的联系（“光者，景也”）。与此相连，墨家还根据物和光源相对位置的变化，以及物与光源本身大小的不同来讨论影的大小及其变化。

3.对面镜的认识

墨子对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存在。如墨家对凹面镜作了深入的观察和研究，并在《墨经》中作了明确、详细的记载。“鉴低，景一小而易，一大而正，说在中之外、内。”“低”表示深、凹之意；放在“中之内”，得到的像是比物体大而正立的。虽然他尚把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是