反射光学-东莞可园中学.PPTVIP

光学 三棱镜使光色散 第四章 光学的发展 光学的起源也和力学、热学一样，可以追溯到二、三千年前。我国的《墨经》就记载了许多光学现象，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等。西方也很早就有光学知识的记载，欧儿里得（Euclid，公元前约330—260）的《反射光学》（Catoptrica）研究了光的反射，阿拉伯学者阿勒·哈增（Al-Hazen，965～1038）写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象。 光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，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 世纪以前，微粒说比较盛行。但是，随着光学研究的深入，人们发现了许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、衍射等，用光的波动性就很容易解释，于是光的波动说又占了上风。两种学说的争论构成了光学发展史中的一根红线。 折射定律的建立 折射现象发现得很早，折射定律却几经沧桑，经过漫长的岁月才得以确立。早在古希腊时代，天文学家托勒密（约100～170），曾专门做过光的折射实验。他写有《光学》5 卷，可惜原著早已失传。从残留下来的资料可知，在那部书中记有折射实验和他得到的结果：折射角与入射角成正比。最早折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳（W. Snell，1580—1626）在1621 年从实验得到的。但是他没有发表结果. 笛卡儿在他的《屈光学》中的推导过程很有意思: “首先，设想球从A 被击向B，打到B 点，CBE 不是地面，而是薄脆的布，球穿过布，只损失了部分速度，例如损失了一半。我们假设过，为了确定它的路径，??运动的趋势可看成是由两部分组成，其中只有从上而下的运动因与布相碰而必有变化，至于那向右运动的趋势，则总与过去一样，因为布并没有在这个方向与球相碰。我们再从中心B 画圆AFD，作三条直线AC、HB、FE，各与CBE 成直角，并要求FE 与HB 之间的距离为HB 与AC 之间的距离的两倍。于是我们看到，球应该向I 点运动。因为，既然球在穿过布时失去了一半速度，那么它从B 下落到圆周AFD 上某一点所需时间，应等于A 到B 的两倍，而向右的运动趋势并无损失，所以在两倍时间内通过的距离应等于AC 到HB 的两倍，结果应在同一时刻达到FE 线上的某一点。只有到达I 点，其它任何点都不可能，因为在布CBE 之下，只有I 点是圆AFD 和直线FE 的交点。”从笛卡儿这一段说明可以看出： 1．他用球的运动来阐述光的折射，而球的运动服从力学规律。可见，他采用是微粒说。 2．他假设光在两种媒质中的速度不一样，把折射现象归因于光速不同。 3．他假设平行于媒质交界面的光速分量不变。由此可以推出折射定律. 但是笛卡儿的推导是基于媒质交界面两侧光速的平行分量相等的假设。为了使理论结果与实验数据相符，他必须假设密媒质光速比疏媒质大。 笛卡儿的推导受到了他的同国人费马（Pierr Fermat，1601—1665）的批评。1661 年，费马把数学家赫里贡（Herigone）提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。这就是著名的最短时间原理. 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。 牛顿对光学的研究 早在13 世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨。德国有一位传教士叫西奥多里克 （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。不过，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。光的四种颜色：红、黄、绿、蓝，处于白与黑之间，红色接近白色，比较明亮，蓝色接近黑色，比较昏暗。阳光进入媒质（例如水），从表面区域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。 笛卡儿对彩虹现象也有兴趣，他用实验检验西奥多里克的论述。在他的《方法论》（1637 年）中还有一篇附录，专门讨论彩虹，并且介绍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，