物理光学第一章第一节-邓冬梅1
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1.介质中的高斯定理
q 真空中的高斯定理 E dS
S
在介质中，高斯定理改写为：
总场强 自由电荷
0
1 E dS
S
0
(q
S
0
q )
'
束缚电荷
1 E dS
S
0
q
S
0
1
0
S
P dS
S
' P dS q
dΦ E1 dS1 0 1 dΦ2 E2 dS2 0
dΦ dΦ2 0 1
E2
q
dS 2
dS1
E1
E dS 0
S
34
由多个点电荷产生的电场
E E1 E2
S S i
q1
q2
E
dS
Φe E dS
9
其次，它又是一门朝阳学科。自1960年 激光问世以来，光学渗透到了各个领域， 并出现了交叉分支。 人们对光学的科学研究集中在光的本质、 光的传播以及与物质的相互作用方面。对 于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种 看法各异的观点――微粒说和波动说。
10
微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。
13
在光学发展过程中，曾出现过令物理学家 大为困惑的，极力寻找和证实的物质―― 以太(ether)。
既然光是一种波，那么，它赖以传播的介 质是什么？
这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H. A. Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使 以太论最终抛弃。
14
至此，人们以为最终认识了光的本质。
S
S
介质中的高斯定理： D dS q0
说明：
S S
•介质中的高斯定理不仅适用于介质，也适用于真空。
•高斯面上任一点D是由空间总的电荷的分布决定的， 不能认为只与面内自由电荷有关。
2.电位移矢量 •电位移矢量是为消除极化电荷的影响而引入的辅助物 理量，它既描述电场，同时也描述了介质的极化。 方向：与介质中的场强方向相同。单位：库仑/米2，
S S
( 0 E P) dS q0
S
定义：电位移矢量 def D 0E P
39
( 0 E P) dS q0
S S
定义：电位移矢量
自由电荷
D dS q0
S S
def D 0E P
全量子方法：场进行量子化 + 原子在场中的行为也 用量子力学方法处理（Janes-Cummings 模型）。
8
光学总论
§光学史
光学是人们对光进行研究和应用的科学。 首先，它是一门古老的学科。早在4000年前的古埃及和约 3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。如铜镜、 凹面镜取火（《周礼· 考工记》，周朝）等。到了公园前400 年，我国出现了有关针孔成像（《墨经》，先秦。“景到 （倒），在午有端，与景长，说在端。"）、平面镜和球面 镜（《梦溪笔谈》，宋朝）等早期光学实验记录。今天光学 教科书的传统内容已十分丰富。
关系如下：
E E0 E '
E'
在电介质中，电位移矢量、极化电荷、附加电场 和总场强这此量是彼此依赖、互相制约的。 为了计算它们当中的任何一个量，都需要和其它量 一起综合加以考虑。 这种连环套的关系太复杂，在实际计算中比较繁 琐。物理学追求“和谐、对称、简洁！ 38
二、介质中的高斯定理 电位移矢量
遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程， 认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊 的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密 度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。
12
加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献， 因此对波动说几乎无人相信。 直到19世纪初，由于杨氏（T. Young）、菲 涅尔（A. J. Fresnel）等一批科学家的不 懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干 涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被 确立。
S
q 4π 0r
dS
Φe
qቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
32
点电荷在任意封闭曲面内
dΦe
q
2
4π 0r q dS＇ 2 4π 0 r
dS cos
+
dS ＇ d S
其中立体角
dS＇ dΩ 2 r q q Φe dΩ 0 4 π 0
r
dS ＇
dS
33
点电荷在封闭曲面之外
16
第十章 光的电磁理论基础
光的本质 光的电磁理论的建立
麦克斯韦（Maxwell） 赫兹（Hertz）
光在电磁波中的位置
17
The electromagnetic spectrum
18
19
20
一
电场线 （电场的图示法） 规 定 1） 曲线上每一点切线方向为该点电场方向, 2） 通过垂直于电场方向单位面积电场线数为
然而本世纪初，在解释黑体辐射、光电 效应及康普顿散射等现象时，波动说却 无能为力。
1905年，爱因斯坦（A. Einstein）重新 提出光的粒子性概念――光子，从而解 决了以上的问题。
15
光有粒子性和波动性双重性质――波粒二相性，
不同场合表现出的属性不同。 60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、 全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大 显身手。
Ei dS
s
S
qi
i (内）
S
Ei dS
i（外）
S
Ei dS 0
i（外）
Ei dS
Φe
i（内）
S
1 Ei dS
0
i (内）
q
i
35
1 高斯定理 Φe E dS
S
0
q
介质中的高斯定理
建立电位移线： 1）线上每一点的切线方向为该点电位移矢量的方向； 2）通过垂直于电位移矢量的单位面积的电位移线数 目应等于该点电位移矢量的大小。 D D dS 称为穿过闭合面S的电位移通量。
介质中的高斯定理： D dS q0
S
介质中的高斯定理物理意义：通过任一闭合曲面的电位 移通量，等于该曲面内所包围的自由电荷的代数和。 40
S
E
en
S
Φe E S
E
28
非均匀电场强度电通量
dS dS en dΦe E dS
en
E
2
E
dS
E
Φe dΦe E cosdS s Φe E dS s
S
π 2 , 2
26
电场线特性
1） 始于正电荷,止于负电荷(或来自无穷远,去 向无穷远).
2） 电场线不相交.
3） 静电场电场线不闭合.
27
二
电场强度通量
通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面 的电场强度通量.
均匀电场 ，E 垂直平面
Φe ES 均匀电场 ， 与平面夹角 E Φe ES cos
同学们好
1
Physics Optics
物理光学
◎
任课教师：
寿倩
laser120@163.com
邓冬梅
dmdeng@263.net
2
教材： 工 程 光 学 (下篇) 物理光学
Physics Optics 作者：郁道银 ,谈恒英等
机械工业出版社
3
内
容
提
要
本书下篇论述物理光学的各个分支和相关领域的基本理论及重 要应用，并介绍这一学科的前沿领域的研究成果和近期发展动向． 本书下篇共分七章，内容包括光的电磁理论基础、光的干涉和干涉系
+Q
–Q
' '
退极化场
注意：决定介质极化的不是原来的场 E 而是介质内实 0 际的场 E 。 E '又总是起着减弱总场 E 的作用，即起着减弱极化
的作用，故称为退极化场。
37
任一点的总场强为： E E E' 0
总结： 在外电场 E 作用下，电介质发生极化；极化强 0 度矢量 P和电介质的形状决定了极化电荷的面密度 ， 而 又激发附加电场 E E ， 又影响电介质内部的总电 场 E ，而总电场又决定着极化强度矢量 P 。 各物理量的 E Pn p e 0 E 0
i 1
n
i
总 结 1）高斯面上的电场强度为所有内外电荷的总电场强度. 2）高斯面为封闭曲面.
3）穿进高斯面的电场强度通量为正，穿出为负.
4）仅高斯面内的电荷对高斯面的电场强度通量有贡献.
5）静电场是有源场.
36
一、退极化场
电介质在外场中的性质相当于在 真空中有适当的束缚电荷体密度分布 在其内部。因此可用 ' 和 ' 的分布来 代替电介质对电场的影响。 在外电场 E0中，介质极化产生的束 缚电荷，在其周围无论介质内部还是外 部都产生附加电场 E ' ，称为退极化场。
5
课程要求:
课堂笔记 • 平时作业 • 考试成绩 • 严肃纪律
•
最后成绩: 平时作业(25%) 考试成绩(70%) 课堂表现(5％)
6
电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一 个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论， 它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。 几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电 磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子 光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般 性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、 光子统计和激光线宽等问题。
统
、光的衍射、傅里叶光学、光的偏振和晶体光学基础、导波光学基础、光子 学基础． 本书下篇可作为高等学校仪器仪表类、光电信息科学与工程及其相近 专业的教材,亦可作为物理和光学专业的选修教材或参考书，也是从事光电
信息技术科学、仪器科学与技术等工程科技人员的参考书．
4
参考书：
•
•
•
•
物理光学与应用光学，石顺祥等，西安电子 科技大学出版社，2002 光学，王楚，汤俊雄，北京大学出版社， 2001 光学，赵凯华，钟锡华，北京大学出版社， 1984 Principles of Optics(7th edition)，M.Born， E.Wolf，世界图书出版社，2001
该点电场强度的大小.
E E dN / dS
E
S
21
点电荷的电场线
正 点 电 荷 负 点 电 荷
+
22
一对等量异号点电荷的电场线
+
23
一对等量正点电荷的电场线
+
+
24
一对不等量异号点电荷的电场线
2q
q
25
带电平行板电容器的电场线
+ + + + + + + + + + + +
量子光学 电磁光学 波动光学 几何光学
7
在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的 相互作用时，有如下几种处理方法： 经典方法:麦克斯韦方程描述场 + 用经典电磁学方法 处理原子与光场的相互作用。 半经典方法：麦克斯韦方程描述场 + 量子力学方法 处理原子与光场的相互作用。（如最常用的MaxwellBlocth方程）。
其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可 在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。 微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象， 亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发 现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法 解释。
11
波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。
其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运 动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。 波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。
1 Φe E dS
S
请思考：1）高斯面上的 E 与那些电荷有关 ？ 2）哪些电荷对闭合曲面 s的 Φ 有贡献 e
0
q
i 1
n
i
？
31
高斯定理的导出
库仑定律 电场强度叠加原理
高斯 定理
点电荷位于球面中心
E
q 4π 0r
S
2
r
2
dS
+
Φe E dS
π 1 , 2
为封闭曲面
dS1
dΦe1 0
E2
1
E1
29
dΦe2 0
dS 2
闭合曲面的电场强度通量
Φe E dS E cos dS
S S
dΦe E dS
E
S
dS
E
30
三
高斯定理
在真空中,通过任一闭合曲面的电场强度通量, 等于该曲面所包围的所有电荷的代数和除以 0 . （与面外电荷无关，闭合曲面称为高斯面）
q 真空中的高斯定理 E dS
S
在介质中，高斯定理改写为：
总场强 自由电荷
0
1 E dS
S
0
(q
S
0
q )
'
束缚电荷
1 E dS
S
0
q
S
0
1
0
S
P dS
S
' P dS q
dΦ E1 dS1 0 1 dΦ2 E2 dS2 0
dΦ dΦ2 0 1
E2
q
dS 2
dS1
E1
E dS 0
S
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由多个点电荷产生的电场
E E1 E2
S S i
q1
q2
E
dS
Φe E dS
9
其次，它又是一门朝阳学科。自1960年 激光问世以来，光学渗透到了各个领域， 并出现了交叉分支。 人们对光学的科学研究集中在光的本质、 光的传播以及与物质的相互作用方面。对 于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种 看法各异的观点――微粒说和波动说。
10
微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。
13
在光学发展过程中，曾出现过令物理学家 大为困惑的，极力寻找和证实的物质―― 以太(ether)。
既然光是一种波，那么，它赖以传播的介 质是什么？
这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H. A. Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使 以太论最终抛弃。
14
至此，人们以为最终认识了光的本质。
S
S
介质中的高斯定理： D dS q0
说明：
S S
•介质中的高斯定理不仅适用于介质，也适用于真空。
•高斯面上任一点D是由空间总的电荷的分布决定的， 不能认为只与面内自由电荷有关。
2.电位移矢量 •电位移矢量是为消除极化电荷的影响而引入的辅助物 理量，它既描述电场，同时也描述了介质的极化。 方向：与介质中的场强方向相同。单位：库仑/米2，
S S
( 0 E P) dS q0
S
定义：电位移矢量 def D 0E P
39
( 0 E P) dS q0
S S
定义：电位移矢量
自由电荷
D dS q0
S S
def D 0E P
全量子方法：场进行量子化 + 原子在场中的行为也 用量子力学方法处理（Janes-Cummings 模型）。
8
光学总论
§光学史
光学是人们对光进行研究和应用的科学。 首先，它是一门古老的学科。早在4000年前的古埃及和约 3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。如铜镜、 凹面镜取火（《周礼· 考工记》，周朝）等。到了公园前400 年，我国出现了有关针孔成像（《墨经》，先秦。“景到 （倒），在午有端，与景长，说在端。"）、平面镜和球面 镜（《梦溪笔谈》，宋朝）等早期光学实验记录。今天光学 教科书的传统内容已十分丰富。
关系如下：
E E0 E '
E'
在电介质中，电位移矢量、极化电荷、附加电场 和总场强这此量是彼此依赖、互相制约的。 为了计算它们当中的任何一个量，都需要和其它量 一起综合加以考虑。 这种连环套的关系太复杂，在实际计算中比较繁 琐。物理学追求“和谐、对称、简洁！ 38
二、介质中的高斯定理 电位移矢量
遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程， 认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊 的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密 度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。
12
加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献， 因此对波动说几乎无人相信。 直到19世纪初，由于杨氏（T. Young）、菲 涅尔（A. J. Fresnel）等一批科学家的不 懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干 涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被 确立。
S
q 4π 0r
dS
Φe
qቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
32
点电荷在任意封闭曲面内
dΦe
q
2
4π 0r q dS＇ 2 4π 0 r
dS cos
+
dS ＇ d S
其中立体角
dS＇ dΩ 2 r q q Φe dΩ 0 4 π 0
r
dS ＇
dS
33
点电荷在封闭曲面之外
16
第十章 光的电磁理论基础
光的本质 光的电磁理论的建立
麦克斯韦（Maxwell） 赫兹（Hertz）
光在电磁波中的位置
17
The electromagnetic spectrum
18
19
20
一
电场线 （电场的图示法） 规 定 1） 曲线上每一点切线方向为该点电场方向, 2） 通过垂直于电场方向单位面积电场线数为
然而本世纪初，在解释黑体辐射、光电 效应及康普顿散射等现象时，波动说却 无能为力。
1905年，爱因斯坦（A. Einstein）重新 提出光的粒子性概念――光子，从而解 决了以上的问题。
15
光有粒子性和波动性双重性质――波粒二相性，
不同场合表现出的属性不同。 60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、 全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大 显身手。
Ei dS
s
S
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i (内）
S
Ei dS
i（外）
S
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i（外）
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Φe
i（内）
S
1 Ei dS
0
i (内）
q
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1 高斯定理 Φe E dS
S
0
q
介质中的高斯定理
建立电位移线： 1）线上每一点的切线方向为该点电位移矢量的方向； 2）通过垂直于电位移矢量的单位面积的电位移线数 目应等于该点电位移矢量的大小。 D D dS 称为穿过闭合面S的电位移通量。
介质中的高斯定理： D dS q0
S
介质中的高斯定理物理意义：通过任一闭合曲面的电位 移通量，等于该曲面内所包围的自由电荷的代数和。 40
S
E
en
S
Φe E S
E
28
非均匀电场强度电通量
dS dS en dΦe E dS
en
E
2
E
dS
E
Φe dΦe E cosdS s Φe E dS s
S
π 2 , 2
26
电场线特性
1） 始于正电荷,止于负电荷(或来自无穷远,去 向无穷远).
2） 电场线不相交.
3） 静电场电场线不闭合.
27
二
电场强度通量
通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面 的电场强度通量.
均匀电场 ，E 垂直平面
Φe ES 均匀电场 ， 与平面夹角 E Φe ES cos
同学们好
1
Physics Optics
物理光学
◎
任课教师：
寿倩
laser120@163.com
邓冬梅
dmdeng@263.net
2
教材： 工 程 光 学 (下篇) 物理光学
Physics Optics 作者：郁道银 ,谈恒英等
机械工业出版社
3
内
容
提
要
本书下篇论述物理光学的各个分支和相关领域的基本理论及重 要应用，并介绍这一学科的前沿领域的研究成果和近期发展动向． 本书下篇共分七章，内容包括光的电磁理论基础、光的干涉和干涉系
+Q
–Q
' '
退极化场
注意：决定介质极化的不是原来的场 E 而是介质内实 0 际的场 E 。 E '又总是起着减弱总场 E 的作用，即起着减弱极化
的作用，故称为退极化场。
37
任一点的总场强为： E E E' 0
总结： 在外电场 E 作用下，电介质发生极化；极化强 0 度矢量 P和电介质的形状决定了极化电荷的面密度 ， 而 又激发附加电场 E E ， 又影响电介质内部的总电 场 E ，而总电场又决定着极化强度矢量 P 。 各物理量的 E Pn p e 0 E 0
i 1
n
i
总 结 1）高斯面上的电场强度为所有内外电荷的总电场强度. 2）高斯面为封闭曲面.
3）穿进高斯面的电场强度通量为正，穿出为负.
4）仅高斯面内的电荷对高斯面的电场强度通量有贡献.
5）静电场是有源场.
36
一、退极化场
电介质在外场中的性质相当于在 真空中有适当的束缚电荷体密度分布 在其内部。因此可用 ' 和 ' 的分布来 代替电介质对电场的影响。 在外电场 E0中，介质极化产生的束 缚电荷，在其周围无论介质内部还是外 部都产生附加电场 E ' ，称为退极化场。
5
课程要求:
课堂笔记 • 平时作业 • 考试成绩 • 严肃纪律
•
最后成绩: 平时作业(25%) 考试成绩(70%) 课堂表现(5％)
6
电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一 个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论， 它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。 几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电 磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子 光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般 性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、 光子统计和激光线宽等问题。
统
、光的衍射、傅里叶光学、光的偏振和晶体光学基础、导波光学基础、光子 学基础． 本书下篇可作为高等学校仪器仪表类、光电信息科学与工程及其相近 专业的教材,亦可作为物理和光学专业的选修教材或参考书，也是从事光电
信息技术科学、仪器科学与技术等工程科技人员的参考书．
4
参考书：
•
•
•
•
物理光学与应用光学，石顺祥等，西安电子 科技大学出版社，2002 光学，王楚，汤俊雄，北京大学出版社， 2001 光学，赵凯华，钟锡华，北京大学出版社， 1984 Principles of Optics(7th edition)，M.Born， E.Wolf，世界图书出版社，2001
该点电场强度的大小.
E E dN / dS
E
S
21
点电荷的电场线
正 点 电 荷 负 点 电 荷
+
22
一对等量异号点电荷的电场线
+
23
一对等量正点电荷的电场线
+
+
24
一对不等量异号点电荷的电场线
2q
q
25
带电平行板电容器的电场线
+ + + + + + + + + + + +
量子光学 电磁光学 波动光学 几何光学
7
在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的 相互作用时，有如下几种处理方法： 经典方法:麦克斯韦方程描述场 + 用经典电磁学方法 处理原子与光场的相互作用。 半经典方法：麦克斯韦方程描述场 + 量子力学方法 处理原子与光场的相互作用。（如最常用的MaxwellBlocth方程）。
其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可 在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。 微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象， 亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发 现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法 解释。
11
波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。
其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运 动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。 波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。
1 Φe E dS
S
请思考：1）高斯面上的 E 与那些电荷有关 ？ 2）哪些电荷对闭合曲面 s的 Φ 有贡献 e
0
q
i 1
n
i
？
31
高斯定理的导出
库仑定律 电场强度叠加原理
高斯 定理
点电荷位于球面中心
E
q 4π 0r
S
2
r
2
dS
+
Φe E dS
π 1 , 2
为封闭曲面
dS1
dΦe1 0
E2
1
E1
29
dΦe2 0
dS 2
闭合曲面的电场强度通量
Φe E dS E cos dS
S S
dΦe E dS
E
S
dS
E
30
三
高斯定理
在真空中,通过任一闭合曲面的电场强度通量, 等于该曲面所包围的所有电荷的代数和除以 0 . （与面外电荷无关，闭合曲面称为高斯面）