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1、 第四章光的本性是什么 这50年的沉思 并没有使我更接近于什么是光量子 光子 这个问题的解决 爱因斯坦1955年临终前不久的话 版权所有复制必究 高等教育出版社 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 中还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 在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔 人对着小孔站在屋外 屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人影 为什么会这样呢 墨经 中写道 景光之人煦若射 下者之入也高 高者之入也下 这句话的意思是 因为光线像射箭一样 是直线行进的 人体下部
2、挡住直射过来的光线 射过小孔 成影在上边 人体上部挡住直射过来的光线 穿过小孔 成影在下边 就成倒立的影 这是对光沿直线传播的第一次科学解释 墨经 中还利用光的直线传播原理解释了物体和投影的关系 墨家认为 光被遮挡就产生投影 物体的投影并不会跟随物体一起移动 飞翔的鸟儿 它的影子仿佛也在飞动着 实际上并不然 墨家指出飞鸟遮住了直线前进的光线 形成了影子 一瞬间后 飞鸟移动了位置 原来光线照不到的地方 现在照到了 旧影就消失了 而在新的地方 出现了新的影子 这就是说 鸟在飞翔中 它的影子并不跟着移动 而是新旧投影不断更新 在两千多年前 能这样深入细致的研究光的性质 解释影的动和不动的关系 是非常
3、不容易的 古希腊和我国春秋时期在光学现象的观察和研究就有相当成就 在我国较为系统的论著可见北宋时期沈括的 梦溪笔谈 光学学科的形成是从17世纪开始的 春秋虎鸟阳燧 现藏于中国历史博物馆 宋阳燧镜 宽为9cm 带柄长17cm 阳燧面直径为6 1cm 边缘菱花形内有凤鸟纹 现仍然保留有部分银白光层 仍可以起到聚光作用 本章主要围绕对光的本性的认识展开 首先介绍牛顿在光学上的贡献和他的微粒说 包括牛顿的研究方法 重点放在对光的波动说和光的波粒二象性的介绍 同时介绍一些常见的 有关波传播的物理效应以及光学的一个突破性进展 激光的发明及其应用 4 1光的微粒说 一 牛顿对光的色散的研究早在剑桥大学高年级
4、时 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 牛顿在 光学 一书中强调了自己从实验观察出发 进行归纳综合的研究方法 他说 在自然科学里 应该像数学里一样 在研究困难的事物时总是应当先用分析的方法 然后才用综合的方法 这样的分析方法包括做实验和观察 用归纳法得出普遍结论 并且不使这些结论遭到非议 除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理 二 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
5、人们感觉不到相继两个之间的时间间隔 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 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
6、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 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 判断微粒说是否正确 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 4 2光的波动说 一 惠更斯的波动说波面 波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称为
7、波面 波前 最前面的一个波面称为波前 惠更斯 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 惠更斯提出类似于空气中的声波 以太波也是纵波 注意 这里惠更斯作了错误的类比 实际上光波是横波 正由于被认为是纵波 所以对 偏振 现象就无法解释了 加上 以太 是否存在还是一个疑问 而且初期的波动说还缺乏数学基础 所以难以与微粒说抗衡 横波中质元的振动方向与波的传播方向垂直 纵波中质元振动方向与波传播方向平行 惠更斯原理每一时刻的波前上各点都可看成是新的子波源 从它们发出的各个球形子波
8、在下一时刻的共同包络面就是下一时刻的新波前 二 光的反射用惠更斯原理可以解释光的反射 三 光的折射1 折射的物理意义用惠更斯原理不仅可以解释光的折射 而且给出了折射率的明确的物理意义 同图可得到 折射率其中 是在真空中的入射角 是介质中的折射角 v是介质中的光速 2 光疏介质与光密介质通常对两种介质而言 光密介质 折射率较大的介质 光速较小 光疏介质 折射率较小的介质 光速较大 真空中 折射率n 1 在真空中的光速c最大 光从介质a以入射角 a进入介质b 折射角为 b 则 折射率 对黄光 四 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 应用举例 光
9、纤 光纤照片 会传像的光纤 光纤 4 3光的干涉 衍射和偏振 一 双缝干涉和薄膜干涉 干涉条件 相同的频率 有稳定的相位差 相同的振动方向 双缝干涉 双缝干涉条纹 用波的叠加原理 可以对干涉条纹作出定量说明而因为y L x1 x2 可近似地用2L来代替 于是我们得到 光程差 等于 托马斯 杨 当屏上一点A的坐标y使得 2n n 0 1 2 时 两支光波在A点 干涉相长 光强最大 表现为明亮条纹 此时 即在另一些点上 当其坐标y满足关系时 相应之 2n 1 n 0 1 2 表示两支光波在叠加时 干涉相消 光强为零 产生暗条纹 亮条纹 暗条纹 在原点O处产生亮条纹 其两侧依次产生暗 明相间的条纹
10、两条相邻的亮条纹 或暗条纹 的间隔等于 2 薄膜和劈尖干涉及其应用 1 薄膜干涉 肥皂泡或路面上的油膜所产生的彩色图样 是由于光在薄膜上 下表面反射回来的光发生干涉而形成的 薄膜干涉 2 空气劈尖干涉劈尖干涉 光从极小角度的空气劈的上 下两个面反射回来 发生干涉 应用 运用劈形膜的等厚干涉原理 可以检测物体表面的平整度 取一块光学平面的玻璃片 称为平晶 放在待检测工件 玻璃片或者金属磨光面 的表面上方 在平晶与工件表面间形成劈形空气膜 然后用单色光垂直照射 观察干涉条纹 劈尖干涉 从等厚干涉的特点可知 每一条条纹对应于薄膜中的一条等高线 如果工件表面是非常平整的 那么等厚条纹应该是平行于棱边的
11、一组平行线 如果工件表面不平整 肉眼不一定能看出 则等厚条纹就应该是随着工件表面凹凸的分布而出现的一组形状各异的曲线 检测精密表面平整度 3 牛顿环牛顿环 把一个大曲率凸透镜放在光学平面玻璃片上 当用单色光正入射到透镜平面上时 由于凸透镜与下面平面玻璃片间形成的空气劈的作用 则沿着空气劈厚度增加的方向可观测到同心圆环形的明暗干涉条 牛顿环可用来快速检测透镜的曲率半径及其表面是否合格 牛顿环 单缝衍射 缝宽时无衍射 二 单缝衍射和单孔衍射仪器分辨率1 单缝衍射不同于双缝干涉 单缝衍射中央亮条纹特别宽 集中了约90 的光强 近似为原来单缝的像 单缝衍射图样 2 圆孔衍射衍射图样中第一暗环对小孔中心
12、的张角为 波长 一定时 d越小 越大 即光转弯越厉害 法国科学家菲涅耳从波动观点出发 将叠加原理与惠更斯原理结合起来 严格计算了狭缝圆孔 圆板后面的衍射图样 尤其是在圆板后面屏幕中央有亮斑 当时轰动了法国科学院 一些权威不相信 但最终实验证实了菲涅耳的计算结果 从而使波动说取得了决定性的胜利 菲涅耳圆孔衍射图样 3 仪器分辨率 仪器分辨率 电磁波传播 三 光的偏振1 什么是偏振光 电磁波是横波 电场和磁场的振动方向与波的传播方向垂直 非偏振光 垂直传播方向的振动方向可以在Oxy平面内是任意的 自然光 在垂直于传播方向的各方向上 电场强度振动的强度随时间的平均值是均匀的 线偏振光 光振动只沿某一
13、固定方向 自然光 线偏振光 部分偏振光 某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势 椭圆偏振光 光矢量按一定频率旋转 其矢端轨迹为椭圆的 圆偏振光 光矢量按一定频率旋转 其矢端轨迹为圆的 部分偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 2 如何产生偏振光 1 用起偏器 使非偏振光变成线偏振光 2 普通反射光也是部分偏振的 当光在折射率为n的介质内 以 B 布儒斯特角 入射到折射率为n 的介质表面时 反射光可达到完全线偏振 光矢量垂直于入射平面 3 应用举例 让某种偏振光透过镜片 光的偏振的应用 1 在摄影镜头前加上偏振镜消除反光在拍摄表面光滑的物体 如玻璃器皿 水面 陈列橱柜 油漆表面 塑料表面等 常常
14、会出现耀斑或反光 这是由于光线的偏振而引起的 在拍摄时加用偏振镜 并适当地旋转偏振镜面 能够阻挡这些偏振光 借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑 要通过取景器一边观察一边转动镜面 以便观察消除偏振光的效果 当观察到被摄物体的反光消失时 既可以停止转动镜面 2 司机镜当司机驾车在公路上迎着太阳行驶时 会因路面的反射光而感到晃眼 阳光照射在路面上而反射 入射面垂直于路面 而反射光的光振动以垂直于入射面为主 即以平行于路面为主 这就是司机镜的原理 它是一种特殊的偏振镜 只要司机戴上它 镜片的偏振化方向取垂直于路面方向 就不会感晃眼睛 司机镜 3 摄影时控制天空亮度 使蓝天变暗由于蓝天中存在大量
15、的偏振光 所以用偏振镜能够调节天空的亮度 加用偏振镜以后 蓝天变的很暗 突出了蓝天中的白云 偏振镜是灰色的 所以在黑白和彩色摄影中均可以使用 4 使用偏振镜看立体电影在观看立体电影时 观众要戴上一副特制的眼镜 这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片 立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像 制成电影胶片 在放映时 通过两个放映机 把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映 使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上 这时如果用眼睛直接观看 看到的画面是模糊不清的 要看到立体电影 就要在每架电影机前装一块偏振片 它的作用相当于起偏器 从两架放映机射出的光 通过偏振片后 就成了偏振光 左
16、右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直 因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直 这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处 偏振 光方向不改变 观众用上述的偏振眼镜观看 每只眼睛只看到相应的偏振光图像 即左眼只能看到左机映出的画面 右眼只能看到右机映出的画面 这样就会像直接观看那样产生立体感觉 这就是立体电影的原理 当然 实际放映立体电影是用一个镜头 两套图像交替地印在同一电影胶片上 还需要一套复杂的装置 这里就不涉及了 立体电影眼镜 一 光电效应和爱因斯坦的 光子 假设光电效应实验的实验结果 1 存在截止频率 2 光照到金属表面光电流立即产生 3 光的最大动能只与光的频率有关 与光强无关 4 4光的波粒二重性 用经典理论无法解释 光电效应实验 爱因斯坦把普朗克关于能量量子化的假定推广用来解释 光电效应 他指出 按通常的想法 光的能量是连续地分布于光传播所经过的空间 当人们试图解释光电现象时 这种想法遇到了极大的困难 光的产生和转化的一个启发性观点 1905 为此 他进一步假定光的能量也是量子化的 是由 能量子所组成 且 每个能量子将它的能量转移给电子 与所有其它的量子关 那么电子的
