光学精品课程电子教案

《光学》精品课程电子教案

目录

绪论

第一章光的干涉

第二章光的衍射

第三章几何光学的基本原理

第四章光学仪器的基本原理

第五章光的偏振

第七章光的量子性

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§0-1 光学的研究内容和方法

一、光学的重要性

光学是一门有悠久历史的学科，它包含着人类自古以来对光的研究的丰硕果实。光

学在科学研究、工农业生产和军事上有着极为广泛的应用。

1、光的干涉：测光波波长)d r x (0λ=

∆、测极薄物体的厚度)m (μ、检查光学表面、瓦斯探测器。

2、x 射线：研究物质结构（利用光谱——光谱是研究原子的眼睛）、透视人体。

3、光学纤维：光学纤维用于通讯，容量大，保密性好；胃镜也是应用光学纤维。

生产光学纤维可以说是点石成金。

4、红外技术：红外线波长大，衍射能力强，应用于各种探测系统、导弹制导，资

源考察以及遥感遥控技术中。

5、激光器：材料加工、远距离测量、全息检测、医疗、育种、引发核聚变都应用

激光。海湾战争中，应用激光制导、夜视仪。

6、相干光学计算机：与电子数字计算机联合，为计算机科学开拓一个新的技术领

域。现正研究光集成计算机，计算速度可以提高上千倍，并代替人脑的部分功能。*

二、光学的研究内容

1、光的发射、传播和接收等规律

2、光和其他物质的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。光的机械作用和光的

热、电、化学和生理作用（效应）等。

3、光的本性问题

* 加拿大多伦多大学的科学家寻找到能“捕获”光的三维硅结构物，它能象半导体芯片控制电子一样控制光子运动。该发现为研制开发采用光来处理和存储信息的计算机芯片迈出了重要一步。光计算机的优点是芯片更小，运算速度更快。《新华文摘》2001.4

4、光在生产和社会生活中的应用

三、研究方法

实验——假设——理论——实验

§0-2 光学发展简史

一、萌芽时期

世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德（公元前330～275年），差一百多年。从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的（钱临照，物理通极，一卷三期，1951）第一条，叙述了影的定义与生成；第二条说明光与影的关系；第三条，畅言光的直线传播，并用针孔成像来说明；第四条，说明光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的大小；第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。

克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。

罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃泡具有放大性能。

阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于界面。

沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。

培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望远镜的可能性。

阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。

波特（1535～1561年）研究了成像暗箱。

特点：

只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形成系统理论。二、几何光学时期

这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。

李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。

延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复合显微镜。1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星的卫星。斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律

附录：斯涅耳：常数

=

OBn

OAn

，迪卡尔1637年发表论文n

n

Sini

Sinr

=常数生前未发表他的见解V IX=V2X V1y＜V2y 1

2

2

x

2

1

x1

V

V

V

V

V

V

r

i

=

=

sin

sin

V-光压传播速度

迪卡尔导出折射公式是从光的微粒概念出发，他把光的传播看作压力在周围充满着

以太物质的物体内传递的过程（正确的应是2

1V V Sinr Sini ） 费马于1657年提出费马原理—光在介质中传播时所走的光程取极值(胡不归问题)

十七世纪下半叶，牛顿提出光的粒子说——光是微粒流，微粒从光源飞出，在真空

或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动；惠更斯提出波动说——光是在“以太”中传播的波。光的弹性波理论

牛顿的《光学》一书，1704年出版；惠更斯的《论光》一书，1678年出版。

三、波动光学时期

1801年，托马斯·杨做出了光的双缝干涉实验

1808年，马吕发现了光在两种介质界面上反射时的偏振性。

1815年，菲涅耳提出了惠更斯——菲涅耳原理

1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光现象和电磁现象的

内在联系。

1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波

通过以上研究，人们确信光是一种波动。

四、量子光学时期

光的电磁理论不能解释黑体辐射能量按波长的分布和1887年赫兹发现的光电效应。

1900年普朗克提出辐射的量子理论；1905年爱因斯坦提出光量子假说；1923年康

普顿和吴有训用实验证实了光的量子性。至此，人们认识到光具有波粒二象性。

五、现代光学时期

1960年，梅曼制成了红宝石激光器，激发的问世，使古老的光学焕发了青春，光学

与许多科学技术领域相互渗透，相互结合，派生出许多崭新的分支。主要包括：激光、全息照相术、光学纤维、红外技术。激发、原子能、半导体、电子计算机被称作当代四