第四章-光学的发展.

光学也和力学、热学一样，可以追溯至二、三千年前：我国的《墨经》就记载了许多光学现象，如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等。西方很早也有光学知识的记载，欧几里德(Euclid,公元前约330-260)的《反射光学》，阿拉伯学者阿勒.哈增(Al-Hazen,965-1038)的《光学全书》，讨论了许多光学现象。第四章光学的发展§4.1历史概述第四章光学的发展§4.1历史概述•光学真正形成一门科学，应该从建立反向定律和折射定律的时代，这两个定律奠定了几何光学的基础。•光的本性一是光学研究的重要课题。微粒说把光看成由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。•19世纪后，干涉、衍射现象的发现，使光的波动说占了上风。§4.2折射定律的建立•古罗马学者托勒密(约100-170)对此进行了实验研究，并得到结论：折射角和入射角成正比。•1611年，开普勒根据其对光的折射的系统研究，写了《屈光学》(或为《折光学》)一书，该书记载了测量入射角和折射角的方法。实验装置如下图：开普勒对光的折射的研究§4.2折射定律的建立•根据屏高BE和两个阴影长度EH、EG，可算出阳光从DB进入玻璃中的入射角与折射角的对比。开普勒通过实验发现：只有在入射角小于30°时，折射角与入射角成正比的关系才成立，托勒密的折射定律只有在小角度的情况下才适用。§4.2折射定律的建立•通过另一实验(用一圆柱形玻璃块，让太阳光垂直于圆柱入射)，他还发现：光从空气入射到玻璃中，折射角不超过42°。利用光路的可逆性，倒推得出了光由玻璃传向空气时，入射角超过42°就会发生全反射现象，他在此应用了科学论证中常用的具有很强说服力的逆向思维方法。§4.2折射定律的建立•光的折射定律的正确表述由荷兰数学家斯涅耳（W.Snell,1580-1626)首先提出，其实验方法与开普勒相似，斯涅耳在世时未曾公布他的发现。1626年人们在他去世后，才从他的遗稿中得知。他通过实验得到以下的折射定律：对于给定的两种介质，入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。§4.2折射定律的建立•赋予折射定律以现代形式的是笛卡儿，他用粒子说来解释光的反射和折射。他把光投射到某一表面时的行为同一个球的行为相类比。如球打到一平坦表面上，它将在反射角等于入射角的情况下被反弹回来；如球击中的不是地面，而是薄脆的布，球能击穿它并从中通过，这时球仅降低它的部分速度。如果球平行于布面的速度不变，垂直于布面的速度减小，则球穿出布后的方向是偏离法线的(如图所示)。笛卡尔说明折射用图§4.2折射定律的建立•他将这种情形解释为光从光密媒质到光疏媒质的传播，并必须假设：光在光密媒质中比在光疏媒质中传播得快。由于光在分界面上折射时，在平行于分界面方向上的分速度保持不变。常数irrivvrirvivsinsin,sinsin•法国数学家费马（PierrFermat,1601-1665)不同意笛卡儿的假设，提出了著名的费马原理：光沿着所需时间为极值的路径传播。据此他正确推导出折射定律公式：常数rivvrisinsin这其中蕴含着光密媒质中的光速比光疏媒质中的要慢的思想。费玛和笛卡儿根据截然相反的假设均导出了折射定律，引起了人们探索的兴趣，这一问题伴随着关于光的本性的争论，期待着实验的检验。§4.2折射定律的建立•折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动。因为天文观测总是会受到大气折射的影响，后来又加上光学仪器制造的需要，所以到了17世纪，许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律，几何光学理论很快得到了发展。§4.3牛顿研究光的色散•牛顿是一位科学巨匠，不仅在力学上有伟大的成就，在天文学、化学、以至光学上都有杰出的贡献。他在光学方面的工作多是奠基性的实验研究，其中尤以色散的研究最为突出。§4.3牛顿研究光的色散4.3.1色散现象的早期研究•色散现象中最引人注目的是彩虹现象。•13世纪，德国传教士西奥多克(Theodoric)曾在实验中模仿天上的彩虹。他用阳光照射装满水的大玻璃球壳，观察到了和空中一样的彩虹。以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。但是，他的进一步解释没有摆脱亚里士多德的教义，继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起的。阳光进入媒质，从表面折射回来的是红色或黄色，从深部折射回来的是绿色或蓝色。雨后天空中充满了水珠，阳光进入水珠再折射回来，人们就看到色彩嫔纷的景象。4.3.1色散现象的早期研究•笛卡尔用实验检验西奥多里克关于彩虹现象的论述。在他的《方法论》(1637年)中还有一篇附录，专门讨论彩虹，并且了他自己做过的棱镜实验。他用三棱镜将阳光折射后投在屏上，发现彩色的产生并不是由于进入深浅不同所造成的。因为不论光照在棱镜的那一部位，折射后屏上的图象都是一样的。遗憾的是，笛卡尔的屏离棱镜太近(大概只有几厘米)，没有看到色散后的整个光谱，只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色。4.3.1色散现象的早期研究•1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。但解释错了。他认为红色是浓缩的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色。•17世纪正是望远镜、显微镜发明的时代。当放大倍数增大时，人们对这些仪器不可避免地都会出现象差和色差感到迷惑。4.3.1色散现象的早期研究•开普勒、笛卡儿等人把透镜的像差归因于球形表面，认为可通过研磨抛物线旋转体状的透镜来加以解决。•牛顿则确信色差是折射望远镜缺陷的主要原因，他通过实验表明“：不是透镜的球面形状，而是由于光线的不同可折射性，妨碍了望远镜的完善。”他希望设计、装配出没有色差的望远镜，这个愿望激励他对光的颜色理论进行深入的探究。4.3.2牛顿对色散现象的思考•牛顿从笛卡尔等人的著作中得到许多启示：笛卡尔说过：“运动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害”，胡克描述过肥皂泡的颜色变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。4.3.2牛顿对色散现象的思考牛顿的思考：•如果光是脉冲，为什么不像声音在传播中偏离直线？•为什么弱的比强的脉冲运动快？•为什么水比水蒸汽更清晰？•为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？4.3.3牛顿的色散实验•1666年，23岁的牛顿做了著名的棱镜色散实验，第一次证明了白光是由具有不同折射率的单色光复合而成的，从而揭示了透镜产生色差的原因。•在1672年2月出版的《哲学学报》上发表的《关于光和色的新理论》一文中详细说明了他所做的实验：“…我将房间做成暗室，在窗门上钻一小孔，让适量的阳光进入，我在光的入口处放上我的棱镜，使光可以折射到对面的墙上…”4.3.3牛顿的色散实验•这样他就获得了阳光展开的光谱，而在此以前笛卡儿等人在他们的棱镜实验中只看到了两侧带颜色的光斑。•此后牛顿还进行了各种各样的实验：让光通过不同厚度的棱镜；改变窗帘上孔的大小；把棱镜移到窗外……结果发现，这一切并没有改变彩色光带的分布情况。他从这些实验中认定：“太阳光由可折射性不同的光线组成。”4.3.3牛顿的色散实验•光带的出现是不是由白光的固有性质所决定的呢？•为此，他让从一个棱镜射出的彩色光束，再穿过另一个相似而倒置的棱镜。牛顿的判决性实验4.3.3牛顿的色散实验•他发现：“被第一个棱镜扩散成长条形的光，又为第二个棱镜还原为圆形，而且其形状的端正，好像光根本未曾通过任何棱镜一样。”再经过一个棱镜，又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。4.3.3牛顿的色散实验•牛顿的判决性实验的结果是：被第一块棱镜折射得最厉害的紫光，经第二块棱镜也偏折得最多。由此说明，白光确是由折射性不同的光组成。•在色散实验的基础上，牛顿总结出了几条规律：1、光线随其折射率不同，色也不同。色不是光的变态，而是光固有的属性。4.3.3牛顿的色散实验•2、同一色属于同一折射率，不同的色，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。4.3.3牛顿的色散实验•5、本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。•6、由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的形成。•7、自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故。•8、把光看成实体有充分根据。人们对牛顿的怀疑和攻击•牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太新奇。因为涉及到中世纪以来关于光的本性的各种争论，有人认为牛顿的光谱实验没有考虑到太阳本身的张角，有人主张光谱变长是一种衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛顿挑剔得最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理论也可说明，而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。•为此，牛顿几年后又做了一个实验。他取一只长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当狭窄。用屏放在位置1接受光，看到的仍然是普通光，但将屏改变角度，放在位置2，就可看到分解的光谱。这样，由于只涉及屏的角度，结果与三棱镜无关，就回答了怀疑者提出的质疑。紫光红光位置1位置2三棱镜XYWZ牛顿的扁长三棱镜实验•牛顿在光学领域中的成就集中反映在1704年出版的《光论》一书中。该书的副标题是《关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文》。•全书共三编，棱镜光谱实验收集在第一编中。正像牛顿在该书开始所说：“我的计划不是用假设来解释光的性质，而是用推理和实验来提出并证明这些性质。”在第一编中，牛顿共提出19个命题，33个实验，他以大量篇幅详细描述实验装置、实验方法和观测结果。4.3.4牛顿的方法论•正如牛顿自己所说：“不做虚假的假设”。他的光学研究正是从实验和观察出发，进行归纳综合，总结出一套完整的科学理论。归纳法是科学研究的重要方法之一。牛顿对色散的研究为后人树立了光辉的样板。牛顿对自己采用方法的论述•“在自然科学里，应该象在数学里一样，在研究困难的事物时，总是就先用分析的方法，然后才用综合的方法。这种分析的方法包括实验和观察，用归纳法去从中作出普遍绪论，并且不使这些绪论遭到异议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理方面。……一般地，从结果到原因，从特殊原因到普遍原理，一直推到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的则假定原因已经找到，并且已把它们立为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性。4.3.5牛顿发明反射式望远镜•牛顿确立了颜色理论后，想到如果不同的物质具有不同的折射率，那么望远镜的色差或许可能通过不同折射率透镜的组合得以消除。•为此牛顿设计了一个实验：在一个盛满了水的棱形玻璃容器内，放入一个玻璃棱镜，观察光线通过它们后的偏折情况。出乎牛顿的意料，由于他选用的玻璃恰好与水有相同的折射率，尽管实验重复多次，他仍然看不到折射有任何变化。于是他得出结论：所有不同的透明物质都是以相同的方式折射不同颜色的光线，又由于折射必然引起色散，所以望远镜的色差问题是无法解决的。•一向谨慎从事的牛顿犯了一个低级的错误：从有限的实验事实得出一个自认为普适的推论。•但牛顿因此而转向反射望远镜的研究，此前意大利的祖基、法国的梅森、英国的格雷戈里等都曾设计过反射望远镜，但均未制成。牛顿不仅完成了设计，还于1668年自己磨制反射镜，成功地制造了第一架反射望远镜，其全长只有15厘米，口径为2.5厘米，而放大倍数和当时的2米长的折射望远镜相同。牛顿用它观察了木星的卫星和金星的运行周期。1672年他又制造了第二架更大的反射望远镜，全长为1.2米，口径为2米，并把它献给了英国皇家学会，上面的题词是：伊萨克牛顿爵士发明于1671年，亲手制造。这架反射望远镜现仍保存在英国皇家学会图书馆内。•牛顿1672年手绘的反射望远镜图1758年伦敦的光学仪器商多朗德通过实验指出：冕牌玻璃的的折射率为1.530，火石玻璃折射率为1.584，有可能将这两种玻璃组合起来制成一个消色差的透镜。经过不懈努力，同年他