大学物理《光学》

牛顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟 了道路，被美国《物理学世界》评为历史上 “最美丽的十大物理实验”之一。
牛顿发明反射望远镜
牛顿的微粒说
牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子， 它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行， 人们感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔。
微粒说
解释光的反射
无法解释干涉，还出现合速度大于真
cri
arcsin
nb na
(na nb )
应用举例：光纤
光 纤
光纤照片
会传像的光纤
激光是目前最理想的相干光源，它不仅同 一光源上同一点发出的是相干光，而且同一 光源上两个不同的部分也具有很好的相干性， 甚至两个独立激光器的光波也能相干。
波动光学： 干涉 衍射 偏振
光学的发展：
几何光学 波动光学 量子光学
波动光学： 干涉 衍射 偏振
§12-1 几何光学简介 一、光的传播规律 3.费马原理
光从空间的一点到另一点是沿光程为 最短的路径传播的。
若 n1< n2
媒质1 光疏媒质
n1
媒质2 光密媒质
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n2
二、光的全反射
全反射：一束光从光密介质进入光疏介质，当入射 角大于某临界角时，光将全部反射回来。
空光速c 的情况
牛顿的微粒说是在什么指导思想下提出来的 ？
基于光的直线传播和他的自然哲学思想 。牛顿在研究力学时，他的基本对象是“质 点”，研究化学时，他相信“原子说”；加 上微粒说简单、直观、方便应用（在几何光 学中）。所以站在自然哲学高度，牛顿认为 光也是一种粒子，使物质世界有统一性，也 是很自然的。
更快，这就是费马原理： “光所选择的路径是最节
解析几何学创始人之一。得 到确定光在介质中传播所走 的路径和光程极值原理。
省时间的路径”。
分
牛
光 试 验
顿 环
早在剑桥大学高年级时，牛顿通过三棱镜实验研究太 阳光的色散现象，认识到不同颜色（波长）的光有不同 的折射率。牛顿通过日光分光实验，发现白光是由红、 橙、黄、绿、蓝、靛和紫七色光组成，这种分解出来的 单色光再通过第二个棱镜时没有增加任何新的成分，而 将第一次分解的光也可以再用另一个棱镜合成白光。
第十二章
光学
人类对光学的研究早在两三千年前就初见端 倪。
《墨经》中的光学
在《墨经》中记载了丰富的 几何光学知识。墨子在当时就已 知道光是沿直线传播的。墨子和 他的学生做了世界上最早的“小 孔成像”实验，并对实验结果做 出了精辟的见解。
17世纪以来由于天文学研究的需要，光学得到 了较快的发展。在近代科学史上，第一个对光现象 进行系统研究的是开普勒，他首先提出了光度学定 理。还研究了光的折射现象和透镜成像问题。17 世纪初，荷兰数学家斯涅尔(1580——1628)发现 了光的反射和折射定律。
开
斯
普
涅
勒
耳
反射定律 ： 反射角＝入射角θi=θt 折射定律：光从疏介质入射密 介质，折射角小于入射角。 n1* sinθ1= n2 * sinθ2
色散：波速随波长而改 变的性质称为色散
在岸边看到落水的人，如 何用最短的时间去救他。
选择1绕远必然被放弃，选
择2是最短路线，但我们却
选择3，因为在陆地上速度 费马，法国数学家物理学家，
为什么光的微粒说能统治一百多年？
一方面，当时没有实验能测量介质中的光速，判断微 粒素是否正确，相反波动说还存在不少缺陷。另一方 面，牛顿在力学领域的卓越成就和牛顿哲学思想在社 会上的影响，使得微粒说在一百多年内占统治地位。
值得指出，在这个时期内牛顿也承认对某些光的光 现象（如干涉）纯粹用微粒说无法解释。尤其在他认 识到了光的周期性后，促使他将微粒说与以太振动的 思想结合起来，对干涉条纹作出自己的解释。
光的波动说
惠更斯的波动说
惠更斯在笛卡儿、胡克等人 的基础上提出了光是振动传播的 假说。他认为“光是发光体中微 小粒子的振动在弥漫于宇宙空间 的完全弹性的介质（以太）中的 传播过程。”他称这种波为以太 波。
2-5-1
惠更斯
光学的发展：
几何光学 波动光学
量子光学
光学的发展：
几何光学 波动光学 量子光学
在用微粒说解释光的折射时，他又用了 机械论观点。他假定速度为光速的微粒进入 介质时，在垂直界面方向受到一个吸引力， 获得一个垂直界面的附加速度，此附加速度 与原来的速度相加的结果，合速度的方向向 界面的法线靠拢，发生了折射。但是造成了
合速度的大小将大于空气中的光速c。
可见测量光在介质中的速度大小将是微粒说 正确与否的“试金石”。可惜当时没有实验能对 此进行判断。