【大学课件】经典光学44页PPT
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第一台开普勒望远镜由天文学家沙伊纳于1613～ 1617年制造。
5.几乎与望远镜同时，荷兰人发明制造了显微镜，由眼 镜制造师詹森(Janssen)发明：由一双凸透镜作物镜 和一个双凹透镜作目镜组合而成。 后来，意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一 个用凸透镜代替了凹透镜目镜。
6.1665年，胡克出版《显微图象》，并制造了一个带聚 光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用 一球形聚光器来照亮待观察的物体。
远镜:他用一个凸透镜作为物镜，用一个凹透镜作为目镜 组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。 3.伽利略知道后很快改进成放大32倍，随后又制成放大100ຫໍສະໝຸດ Baidu 倍的望远镜，并用它对天体进行了观察，于1610年写出 了《星际使者》的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。 4.1611年开普勒出版了《屈光学》，解释了荷兰望远镜和显 微镜所涉及到的光学原理。并设计了一种用两个凸透镜 构成的天文望远镜，即开普勒望远镜。这种望远镜很快 就取代了荷兰望远镜(因为它视野宽)。
1.色散的早期研究：（略）
2.问题：
17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观 察天体，胡克用显微镜观察微小物体。然而，当放大倍数 增大时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为 什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？ 怎样才能消除？
3.牛顿的色散实验
①如图在一张黑纸上画一条线abc，半边ab为红色，半 边bc为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断 了似的，分界处正是红兰之交，兰色部分比红色部 分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。
疑问： 色散是不是由于光
和棱镜作用的结果？牛 顿又作了以下实验：
②他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置 方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作 用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应 进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。
③他用两块木版各开一小孔F和G，并分别放于三棱镜两侧， 光从S 处平行射入F后，经棱镜折射穿过小孔G，到达另一 块木版de上，投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后，抵达
§1.光学的历史概述
一.早期光学（略） 二.折射定律的建立 三.光学仪器的研制 四.牛顿对光的色散的研究
二 折射定律的建立
1 开普勒的工作：1611年写了《折光学》，记载了两个
实验。第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光LMN 斜射到器壁DBC上，BC边沿的影子投射到底座于HK；另一部 分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内，阴影的边沿形成于IG。
墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块
木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验
结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个
三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的 各种颜色的光组成。
④有人提出光谱变长是因为衍射效应，为此牛顿又作如 下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当 狭窄。当屏放在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏 倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明： 光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无关。因而也就否 定了衍射效应的说法。
但由于他假设介质交界 面两侧的光速的平行分量相 等是错误的，为使理论与实 验数据相符，必须假设光密 媒质内的光速比光疏媒质大。 这显然都是不正确的。
4 费马的工作：
1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：
同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。
光学的历史概述
三.光学仪器的研制
1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜。 2.1608年，荷兰人李普塞（Hans Lippershey)制成第一台望
璃发生折射，由于最大偏折角为420，所以进入玻璃的
光线将构成一个夹角为420×2=840的锥形MON。
若有一束光∑从玻璃 射向空气，当入射角 大于420时，则到达O 点后，将既不能进入 空气，也不能进入 MON锥形区域，必 定反射为∑’。
2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：
荷兰人，1621年从 实验得到准确的折射定 律 。方法和开普勒基 本相同，但斯涅耳发现，
比值OS /OS’恒为常数，
并由此导出图中所示式 子。
3 笛卡儿的工作：
现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的《方法论》 中提出的。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看 作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当 球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但 平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数
5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线岸 适当比例混合而成。
6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射 的缘故。
7.把光看成实体有充分依据。 8.由此可解释棱镜色散和虹。
§2.光的波动说和微粒说的论争
一.光的微粒说 二.光的早期波动说 三.光应具有波粒二相性
7.1668年，牛顿设计并制 造了第一架小型反射式 望远镜，全长15厘米， 口 径 2.5 厘 米 ， 但 其 放 大倍数和当时使用的2 米长的望远镜相同。 1671年又制造了第二架 较大的反射式望远镜， 全长1.2米，口径2米， 献给了英国皇家学会， 现仍保存在英国皇家学 会图书馆。
四 牛顿的色散研究
根据屏高BE和两阴 影的长度EH和EG，就可
算出立方体的入射角和 出射角之比。
第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿S1和S2入射， 通过圆柱中心的光线S1方向不变，和圆柱边沿相切的光线S2 偏折最大，并发现最大偏折角约为420。
全反射的发现：
令AB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻
在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：
1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属 性。
2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。 3.色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、
反射或其它任何原因而改变。
4.必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种 是由原始的颜色复合而成的色。
5.几乎与望远镜同时，荷兰人发明制造了显微镜，由眼 镜制造师詹森(Janssen)发明：由一双凸透镜作物镜 和一个双凹透镜作目镜组合而成。 后来，意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一 个用凸透镜代替了凹透镜目镜。
6.1665年，胡克出版《显微图象》，并制造了一个带聚 光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用 一球形聚光器来照亮待观察的物体。
远镜:他用一个凸透镜作为物镜，用一个凹透镜作为目镜 组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。 3.伽利略知道后很快改进成放大32倍，随后又制成放大100ຫໍສະໝຸດ Baidu 倍的望远镜，并用它对天体进行了观察，于1610年写出 了《星际使者》的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。 4.1611年开普勒出版了《屈光学》，解释了荷兰望远镜和显 微镜所涉及到的光学原理。并设计了一种用两个凸透镜 构成的天文望远镜，即开普勒望远镜。这种望远镜很快 就取代了荷兰望远镜(因为它视野宽)。
1.色散的早期研究：（略）
2.问题：
17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观 察天体，胡克用显微镜观察微小物体。然而，当放大倍数 增大时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为 什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？ 怎样才能消除？
3.牛顿的色散实验
①如图在一张黑纸上画一条线abc，半边ab为红色，半 边bc为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断 了似的，分界处正是红兰之交，兰色部分比红色部 分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。
疑问： 色散是不是由于光
和棱镜作用的结果？牛 顿又作了以下实验：
②他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置 方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作 用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应 进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。
③他用两块木版各开一小孔F和G，并分别放于三棱镜两侧， 光从S 处平行射入F后，经棱镜折射穿过小孔G，到达另一 块木版de上，投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后，抵达
§1.光学的历史概述
一.早期光学（略） 二.折射定律的建立 三.光学仪器的研制 四.牛顿对光的色散的研究
二 折射定律的建立
1 开普勒的工作：1611年写了《折光学》，记载了两个
实验。第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光LMN 斜射到器壁DBC上，BC边沿的影子投射到底座于HK；另一部 分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内，阴影的边沿形成于IG。
墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块
木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验
结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个
三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的 各种颜色的光组成。
④有人提出光谱变长是因为衍射效应，为此牛顿又作如 下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当 狭窄。当屏放在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏 倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明： 光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无关。因而也就否 定了衍射效应的说法。
但由于他假设介质交界 面两侧的光速的平行分量相 等是错误的，为使理论与实 验数据相符，必须假设光密 媒质内的光速比光疏媒质大。 这显然都是不正确的。
4 费马的工作：
1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：
同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。
光学的历史概述
三.光学仪器的研制
1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜。 2.1608年，荷兰人李普塞（Hans Lippershey)制成第一台望
璃发生折射，由于最大偏折角为420，所以进入玻璃的
光线将构成一个夹角为420×2=840的锥形MON。
若有一束光∑从玻璃 射向空气，当入射角 大于420时，则到达O 点后，将既不能进入 空气，也不能进入 MON锥形区域，必 定反射为∑’。
2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：
荷兰人，1621年从 实验得到准确的折射定 律 。方法和开普勒基 本相同，但斯涅耳发现，
比值OS /OS’恒为常数，
并由此导出图中所示式 子。
3 笛卡儿的工作：
现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的《方法论》 中提出的。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看 作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当 球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但 平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数
5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线岸 适当比例混合而成。
6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射 的缘故。
7.把光看成实体有充分依据。 8.由此可解释棱镜色散和虹。
§2.光的波动说和微粒说的论争
一.光的微粒说 二.光的早期波动说 三.光应具有波粒二相性
7.1668年，牛顿设计并制 造了第一架小型反射式 望远镜，全长15厘米， 口 径 2.5 厘 米 ， 但 其 放 大倍数和当时使用的2 米长的望远镜相同。 1671年又制造了第二架 较大的反射式望远镜， 全长1.2米，口径2米， 献给了英国皇家学会， 现仍保存在英国皇家学 会图书馆。
四 牛顿的色散研究
根据屏高BE和两阴 影的长度EH和EG，就可
算出立方体的入射角和 出射角之比。
第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿S1和S2入射， 通过圆柱中心的光线S1方向不变，和圆柱边沿相切的光线S2 偏折最大，并发现最大偏折角约为420。
全反射的发现：
令AB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻
在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：
1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属 性。
2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。 3.色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、
反射或其它任何原因而改变。
4.必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种 是由原始的颜色复合而成的色。