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1、煤师院物理系 从守民,绪论,一. 光是什么？ 对于光的本性的认真探讨，从17世纪下半叶开始，当时有两种对立的学说：一种是以牛顿（Nenton）为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。这个学说直接说明了光的直线传播特性，并能对光的折射和反射作出一定的解释。但在研究光的折射定律时，却得出了光在水中的速度比空气中大的错误结论（当时无法测光速）。另一种是惠更斯（C.Hugens）于1678年提出的波动说，认为光是在一种特殊弹性介质（光以太ether）中传播的机械波，这个学说成功的解释了光的折射和反射定律，并认为不同色的光有不同的波长。惠更斯认为光波不是横波是纵波。他的理论很不完善，为了

2、和实验相符，必须赋予以太种种异乎寻常的性质，如光能在真空和透明介质中传播，以太就必须存在于真空中和透明介质中，所以以太是必须充斥整个宇宙的透明介质。而光速是如此之大，以太还必须具有巨大的弹性。 N固体的切变横量,密度,煤师院物理系 从守民,v大，,v很大, 很小(真空）而N很大（比钢的还大），矛盾！ 以上两种理论，孰是孰非，只能由实验事实做评定。然而当时受实验条件的限制再加上牛顿的威望，使光的微粒说统治了近两个世纪。 直到19世纪上半叶，经杨氏(T.Young)和菲涅耳（A.J.Fresnel）等人的工作，不仅解释了光的干涉、衍射现象，还测出了光的波长，还由光的波动理论得出光在水中的速度小于空

3、气中的速度的结论。这一结论直到1862年由傅科（J.L.Foucalt）的实验所证实。菲涅耳和阿喇果（D.Arago）通过实验还证明了光的横波性。至此，波动说取得了巨大成功。 但是波动说仍然以以太为假设，人们无法理解以太，这使得惠更斯的波动说和牛顿的微粒说一样，都带有机械论的色彩。把光现象看成某中机械运动过程，光是弹性波，必须有弹性介质以太。机械的弹性理论既没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系，也没有能把表征介质性质的光学常数和介质的其他参数联系起来。,煤师院物理系 从守民,1846年，法拉第(Faraday)发现了光的振动面在磁场中发生偏转。这表示光学现象与磁学现象间存在内在的联系。1

4、856年韦伯（Weber）发现，光在真空中的速度等于电磁强度的电磁单位与静电单位的比值31010cm/s，这表示光学现象与电学现象有一定的关系。（启发学生在思考问题时注意横向联系）。 1865年麦克斯韦（J.C.Maxwell）建立起著名的电磁场理论预言了电磁波的存在，证明了电磁波的横波性，并发现电磁波的速度等于光速！由此，麦克斯韦认为光是一种波长较短的电磁波。1888年，赫兹（H.R.Hertz）通过实验发现了波长较长的电磁波。光的电磁理论仍离不开传播介质以太，这是电磁以太。光波（电磁波）是电磁波在以太中的传播过程，仍认为以太是光波的载体。,煤师院物理系 从守民,19世纪末20世纪初是物理学

5、发生伟大变革的时代，从牛顿力学热力学和统计力学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学已形成一套严整的理论体系。人们认为物理学中的各种基本问题在原则上都已得到完善解决，经典物理理论体系囊括了一切物理现象和基本规律，剩下的似乎只是解微分方程和具体应用的问题了（大厦已建成，后人只做修补就行了）。然而，“正当人们欢庆这座宏伟的经典物理学大厦落成的时候”，一个个惊人的发现使经典物理学理论重新陷入困境。1887年，迈克尔逊（A.A.Michelson）利用光的干涉效应，试图探测地球“以太风”的存在，但得到了否定的结果。以“以太（静止、充满整个宇宙）”为背景的绝对时空观遇到了根本性的困难。随后瑞利（L.Rayle

6、igh）和金斯(J.H.Jeans)根据统计力学和电磁波理论，导出了黑体辐射公式，该公式要求辐射能量随频率的增大而趋于无穷（紫外灾 难)。,煤师院物理系 从守民,1900年4月27日，当时的物理学权威开尔文（威廉.汤姆逊）（L.Kelvin）在为送别旧世纪而做的题为十九世纪热和光的动力学理论上空的乌云的长篇讲话中，把上述两个问题比喻笼罩在物理晴朗天空的两朵乌云。但后来的物理学发展证实，正是这两朵乌云孕育着近代物理学两个革命性的重大理论相对论和量子论的诞生。有趣的是，这两个问题都与光学有关。 1900年，为解决黑体辐射理论和实验的矛盾，普朗克（M.Plank）提出了量子假说，认为各种频率的电磁波

7、（包括光波），只能象微粒一样，以一定最小份额的能量发生（能量子），这是一个光的发射问题。另一个显示光的微粒性的重要发现是光电效应，即光照射到金属表面使电子逸出，逸出电子的能量与光强无关，而只与频率有关，这是光的吸收问题。1905年爱因斯坦（A.Einstain）提出了量子假说，（E=h，p=h/c=h/）成功的解决了光电效应现象。光究竟是微粒还是波动？ 其实光是十分复杂的客体。关于光的本性问题，只能用它表现的规律和性质来回答；光的某些方面的行为象经典的“波动”，另一方面的行为却象经典的粒子这就是所谓的“光的波粒二象性”。,煤师院物理系 从守民,任何经典的概念都不能完全概括光的本性。光到底是什么

8、？可用下面几句话来概括：光是一种物质形态，具有波粒二象性；波动性和粒子性是同一客观物质光在两种不同场合下反映出来的两种属性；光既是具有粒子性的电磁波，又是具有波动性的光子流。 二、光学的研究对象、理论体系与应用 光学是研究光的传播及其与物质相互作用问题的学科。它既 是物理学中一门重要的基础学科，又是一门应用性很强的学科。从理论体系讲，光学就是以人 探索光的本性为基本线索而建立起来的一个物理学分支。 若不涉及光的发射与吸收等与物质相互作用过程的微观机制，这部分内容称经典光学。在传统上经典光学可分为两大部分；当波长可视为极短，从而波动效应不明显时人们把光的能量看作是沿着一条光线传播的，遵从直进、反

9、射、折射等实验定律，这便是几何光学。几何光学的研究方法的特点是撇开光的本性，以光的直进、反射、折射等实验定律为,煤师院物理系 从守民,基础，研究光在透明介质中的传播规律及光学系统成像的规律。经典光学的另一部分是物理光学，它主要研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）。研究方法是以光在本质上是波长较短的电磁波为基础。光和物质的相互作用问题，通常是在分子、原子的尺度里研究，有时用经典理论有时用量子理论。这类问题不属于经典光学范围，通常称为量子光学。 光学的另一分支是现代光学，是在60年代特别是激光问世以后迅速发展起来的，并与其他学科结合、渗透、派生出不少崭新的分支学科，激光的应用非常广泛。,煤师院物理系

10、 从守民,重要光学事件,公元前400年 墨经： 光的几何性质记录 公元前300400年 欧几里德： 光的直线传播 开普勒（德）：光照、光疏密性质、全反射 1621年 斯涅尔（荷）：折射定律 1655年 格拉马蒂（意）：衍射、薄膜干涉现象 牛顿：总结提出光的粒子说 惠更斯（荷）：同期提出光的波动学说。（以太介质） 1801年 托马斯.杨（英）：杨氏双缝干涉 1808年 马吕斯（法）：光的偏振（光是横波） 1811年 布儒斯特（英）：双轴晶体 1818年 菲涅尔（法）：惠更斯菲涅尔原理 同期 洛埃：洛埃镜实验 半波损失 为波动说奠定基础。 184962年 菲索和傅科（法）光速测量： 证实波动说 1872年 迈克尔逊和莫雷（美）：以太寻找实验 1872年 麦克斯韦：建立Maxwell方程，光速，光是电磁波 1886年 赫兹（德）：证实电磁波 1905年 爱因斯坦：光的量子学说 光的粒子性 相对论光速,光的波粒二象性,煤师院物理系 从守民,光学理论体系,几何光学 反射、折射、透镜 经典光学 波动光学 干涉、衍射、偏振 光学 量子光学 光的发射、吸收、相互作用 激光原理及应用 傅立叶光学、全息光学 现代光学 激光光谱学 非线性光学,煤师院物理系 从守民,三、学好光学课程的重要性: 光学是经典物理