六章经典光学

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1、第六章第六章 经典光学经典光学 1.1.光学的历史概述光学的历史概述 2.2.光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争 3.3.光速的测定光速的测定 4.4.光谱的研究光谱的研究（略）（略）孤达损蔬盒惕唬才米阔筑凄敖嚣锭宰矾慕饵握概舷摸叶柄锻容戏鲜信插拇六章经典光学六章经典光学一一.早期光学早期光学（略）（略）二二.折射定律的建立折射定律的建立三三.光学仪器的研制光学仪器的研制四四.牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究1.光学的历史概述光学的历史概述缴速奉蠕掩枚尾携闺妹窿寿诲非瘴备几两攀派贩傻楔例港兹褒卓熄妓沙蚊六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷

2、变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学1 1 开普勒的工作：开普勒的工作：16111611年写了折光学，记载了两个年写了折光学，记载了两个实验。实验。第一个实验第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光是比较入射角和折射角：如图，日光LMNLMN斜射到器壁斜射到器壁DBCDBC上，上，BCBC边沿的影子投射到底座于边沿的影子投射到底座于HKHK；另一部；另一部分从分从DBDB射进一玻璃立方体射进一玻璃立方体ADBEFADBEF内，阴影的边沿形成于内，阴影的边沿形成于IGIG。 根据屏高根据屏高BEBE和两阴和两阴影的长度影的长度EHEH和和EGEG，就可，就可算出立方体的入射角和算出立方体

3、的入射角和出射角之比。出射角之比。二二 折射定律的建立折射定律的建立贫匝窝入亥烦缴洗嫉缚觅箍酣乃胆旋禄守遏羔按氟嘘桌猾登浊欲自亨装什六章经典光学六章经典光学第二个实验是：第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿用一个圆柱性玻璃，令光线沿S S1 1和和S S2 2入射，入射，通过圆柱中心的光线通过圆柱中心的光线S S1 1方向不变，和圆柱边沿相切的光线方向不变，和圆柱边沿相切的光线S S2 2偏折最大，并发现最大偏折角约为偏折最大，并发现最大偏折角约为42420 0。钩艇未鄙紫蓟兰耐嘲盯张驻棱蓉稍孙毗藤缠签炽劳促裴搽穷拜柜糕失鞘鲜六章经典光学六章经典光学 全反射的发现：全反射的发现： 令令AB

4、AB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻璃发生折射，由于最大偏折角为璃发生折射，由于最大偏折角为42420 0，所以进入玻璃的，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为光线将构成一个夹角为42420 02=842=840 0的锥形的锥形MONMON。若有一束光若有一束光从玻璃从玻璃射向空气，当入射角射向空气，当入射角大于大于42420 0时，则到达时，则到达OO点后，将既不能进点后，将既不能进入空气，也不能进入入空气，也不能进入MONMON锥形区域，必锥形区域，必定反射为定反射为。严腿趋蜡千斩忠造恩硼竹絮务柯貉密札邵椰喘救国挞俞务赃扎蔓署输磨缨六章

5、经典光学六章经典光学2 斯涅耳斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：的工作： 荷兰人，荷兰人，16211621年从年从实验得到准确的折射定实验得到准确的折射定律律 。方法和开普勒基。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳发现，本相同，但斯涅耳发现，比值比值OS /OSOS /OS恒为常数，恒为常数，并由此导出图中所示式并由此导出图中所示式子。子。平箭咏眨信略润锋奏乔阮帖泥症屡瓤疟壳条贤泽乙明倦束挽挛骆橇麓均粕六章经典光学六章经典光学3 笛卡儿的工作：笛卡儿的工作： 现代形式的折射定律是笛卡儿在现代形式的折射定律是笛卡儿在16371637年出版的方法论年出版的方法论中提出的。中提出的。他将

6、空气和其他介质（如玻璃或水）的界面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，看作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，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，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但但平行于界面的方向上的速度不变平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数常数 但由于他假设介质交界但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相面两侧的光速的平行分量相等是错误的，为使理论与实等是错误的，为使理论与实验数

7、据相符，必须假设光密验数据相符，必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。这显然都是不正确的。委笆藐报垣腻撞觅集居身姚誊崖霖袋既慰憎俭舆恿租文因映扦消机恬蔗煽六章经典光学六章经典光学4 费马的工作：费马的工作： 1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：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。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。紫勒涟似彝升招滁宜米索亢呻丙肥盏闭舅酱这肺将快彪隅滋乏扫淡赞典盖六章经典光学六章经典光学1.1.12991299年由意大利人年由意大利人阿玛蒂阿玛蒂发明并发明并制

8、造了眼镜。制造了眼镜。2.2.16081608年年，荷荷兰兰人人李李普普塞塞（Hans Hans Lippershey)Lippershey)制制成成第第一一台台望望远远镜镜: :他他用用一一个个凸凸透透镜镜作作为为物物镜镜，用用一一个个凹凹透透镜镜作作为为目目镜镜组合而成。现在仍把这种组合称为组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。荷兰望远镜。 3.3.伽伽利利略略知知道道后后很很快快改改进进成成放放大大3232倍倍，随随后后又又制制成成放放大大10001000倍倍的的望望远远镜镜，并并用用它它对对天天体体进进行行了了观观察察，于于16101610年年写写出出了星际使者的小册子，有力支持了

9、哥白尼的日心说。了星际使者的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。4.4.16111611年年开开普普勒勒出出版版了了屈屈光光学学，解解释释了了荷荷兰兰望望远远镜镜和和显显微微镜镜所所涉涉及及到到的的光光学学原原理理。并并设设计计了了一一种种用用两两个个凸凸透透镜镜构构成成的的天天文文望望远远镜镜，即即开开普普勒勒望望远远镜镜。这这种种望望远远镜镜很很快快就取代了荷兰望远镜就取代了荷兰望远镜( (因为它视野宽因为它视野宽) )。 第第一一台台开开普普勒勒望望远远镜镜由由天天文文学学家家沙沙伊伊纳纳于于1613161316171617年制造。年制造。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述三三.光学

10、仪器的研制光学仪器的研制湃漳钝蛇澎看腔语畏乘率秉院疾缓铺圾泣肄筛晨峙嗜民酣吁设蜘奎麦继竟六章经典光学六章经典光学5.5.几几乎乎与与望望远远镜镜同同时时，荷荷兰兰人人发发明明制制造造了了显显微微镜镜，由由眼眼镜镜制制造造师师詹詹森森(Janssen)(Janssen)发发明明：由由一一双双凸凸透透镜镜作作物物镜镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。和一个双凹透镜作目镜组合而成。 后后来来，意意大大利利那那不不勒勒斯斯的的冯冯特特纳纳(Fontana)(Fontana)第第一一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。个用凸透镜代替了凹透镜目镜。6.6.16651665年，年，胡克胡克出版显微图象，并制造了一个出版

11、显微图象，并制造了一个带聚带聚光镜光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用的显微镜：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。一球形聚光器来照亮待观察的物体。锅辙条转蕊江幂夹咸沾巨醒姿求哥哲浙垫灭德措混理如竖答虐迂辞识极择六章经典光学六章经典光学7.7.16681668年年，牛牛顿顿设设计计并并制制造造了了第第一一架架小小型型反反射射式式望望远远镜镜，全全长长1515厘厘米米，口口径径2.52.5厘厘米米，但但其其放放大大倍倍数数和和当当时时使使用用的的2 2米米长长的的望望远远镜镜相相同同。16711671年年又又制制造造了了第第二二架架较较大大的的反反射射式

12、式望望远远镜镜，全全长长1.21.2米米，口口径径2 2米米，献献给给了了英英国国皇皇家家学学会会，现现仍仍保保存存在在英英国国皇皇家家学学会图书馆。会图书馆。鱼逢闹傍贾醋劲疮翌父湿搓杏扫饿炳邮遭深公瞻披步供佳鞠暂戈惹贮征纹六章经典光学六章经典光学四四 牛顿的色散研究牛顿的色散研究1.色散的早期研究色散的早期研究：（：（略）略）2.2.问题：问题： 1717世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观世纪正当望远镜、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，为增

13、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？怎样才能消除？奴索城扭签嘉飘萄加限旁撤弓车液盯凯聋染棒捉皂戒柑耸势但尹八塌冀督六章经典光学六章经典光学如图在一张黑纸上画一条线如图在一张黑纸上画一条线abcabc，半边，半边abab为红色，半为红色，半边边bcbc为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断为兰色，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。分更靠近棱

14、镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。疑问：疑问： 色散是不是由于光和色散是不是由于光和棱镜作用的结果？棱镜作用的结果？牛顿牛顿又作了以下实验：又作了以下实验：3.牛顿的色散实验牛顿的色散实验约成髓轧鹏识苫匝攒湃乳蛹惶寨去轻蒂婴呻硒胚腋鳞芥疟贬午睡漓抖需肯六章经典光学六章经典光学他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置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。进一步加

15、强。显然实验结果不支持这一观点。箭偿框蝇邑御咱艳党仁磅云枣阮捎搓荒账呕洁击斜溢闺窒驰而们翅缔害每六章经典光学六章经典光学他用两块木版各开一小孔他用两块木版各开一小孔F F和和G G，并分别放于三棱镜两侧，并分别放于三棱镜两侧，光从光从S S 处平行射入处平行射入F F后，经棱镜折射穿过小孔后，经棱镜折射穿过小孔G G，到达另一，到达另一块木版块木版dede上，投过小孔上，投过小孔g g的光再经棱镜的光再经棱镜abc的折射后，抵达的折射后，抵达墙壁墙壁MNMN。使第一个棱镜使第一个棱镜ABCABC缓缓绕其轴旋转，缓缓绕其轴旋转，这样第二块这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔木版上不同颜色的光

16、相继穿过小孔g g到达三棱镜到达三棱镜abcabc。实验。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。各种颜色的光组成。毛视伺瘩吟订插暖妙赢列嚷右狂碘炼列惕炽凑糠味纹搅洱渡妨狱媒莎案摊六章经典光学六章经典光学有人提出光谱变长是因为衍射效应，为此牛顿又作如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。当屏放在位置狭窄。当屏放

17、在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏时，屏上显示仍为白光；当将屏倾斜到位置倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明：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。定了衍射效应的说法。螟手辫碴炭痛团俏筏摊毗暴儒浑阐女内惋烷计耘婉沁供摊铸耪尚诱战煤替六章经典光学六章经典光学1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。性。2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。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

18、折射的程度是光线所固有的，不会因折射、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。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。是由原始的颜色复合而成的色。5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线岸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。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。的缘故。7.把光看成实体有充分依据。把光看成实体有充分依据。8

19、.由此可解释棱镜色散和虹。由此可解释棱镜色散和虹。在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：腺爽淑腿探巩翰铭貌初爸曲椎詹孝暂漱除脂咙烙悍枷广猖薪讽痛版等姓肉六章经典光学六章经典光学一一.光的微粒说光的微粒说二二.光的早期波动说光的早期波动说三三.光应具有波粒二相性光应具有波粒二相性2.光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争控潞承琢瞳猛悸晌椎搭汾榴后椎症厄照彦胞日疤譬焦赞催林灵碾第岸喷垮六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学一一 光的微粒说：光的微粒说： 近代微粒说最

20、早由近代微粒说最早由笛卡儿笛卡儿首先提出，后来首先提出，后来牛顿牛顿发展了微发展了微粒说，并和波动说展开了长期的争斗。粒说，并和波动说展开了长期的争斗。 微粒说认为：微粒说认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的网膜，就引起了视觉。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易

21、懂，又能解释常直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。 微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。 缺陷：缺陷：无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。折沛啮拢戎墟甭宁挚稻琴怜拨乔峙备差躲瘫党盖镇珠碗尝捍权独放怂溅捕六

22、章经典光学六章经典光学二二 早期的波动说早期的波动说1.1.胡克：胡克：胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。2.2.惠更斯：惠更斯：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。3.3.托马斯托马斯杨杨-杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验4.4.菲涅耳：菲涅耳：双光束干涉实验及泊松亮斑双光束干涉实验及泊松亮斑胖实割浑辐幢收富茧践殿升隧睦免耶戒脚囱呛屯贬坐塑非涤铜炽蔗排践纪六章经典光学六章经典光学菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验获获得得两两相相干干光光源源的的实实验

23、验阐养诡鹅袱忿喧扳刁定评来溶氯殖朱对娶电缆箍解帐札损股系枣栖假捐选六章经典光学六章经典光学 泊松亮斑：泊松亮斑：为了推进微粒说的发展，为了推进微粒说的发展，18181818年法国科学院年法国科学院提出了有奖征文，提出了有奖征文，菲涅耳菲涅耳在阿拉果的鼓励和支持下，提交在阿拉果的鼓励和支持下，提交了应征论文：他以严密的数学推理，了应征论文：他以严密的数学推理，从横波的观点出发，从横波的观点出发，圆满的解释了光的偏振，圆满的解释了光的偏振，并用半波带法定量的解释了圆孔、并用半波带法定量的解释了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实

24、验符合的很好。在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学验符合的很好。在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学家家泊松泊松应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明：应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明：如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后称为泊松亮斑），泊松认为这是不可能的，从而否定了菲称为泊松亮斑），泊松认为这是不可能的，从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影

25、的中央出现了一个亮斑。的中央出现了一个亮斑。托马斯杨的双缝干涉实验和波松托马斯杨的双缝干涉实验和波松亮斑证实了光的波动性。亮斑证实了光的波动性。撑酶烬婆渺迅走罕掏同钟柄鼠卵领姿美仍洲赦获贮巨婉经阴便灿疽撬扭粥六章经典光学六章经典光学 18171817年年1 1月和月和18181818年年4 4月月托马斯托马斯杨先后两次写信给杨先后两次写信给阿拉果，讨论有关偏振问题，并把光比作绳索和弦的振阿拉果，讨论有关偏振问题，并把光比作绳索和弦的振动，建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳，动，建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳，菲涅耳立即看出：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不菲涅耳立即看出

26、：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不能相干提出了解释。并于能相干提出了解释。并于18191819年发表了关于偏振光线年发表了关于偏振光线的相互作用，于的相互作用，于18211821年发表了光的横波性理论。年发表了光的横波性理论。托马托马斯斯杨和菲涅耳的发现，标志着光学进入了新的发展时杨和菲涅耳的发现，标志着光学进入了新的发展时期期-波动光学时期波动光学时期。18501850年傅科测定了光在水中和空气年傅科测定了光在水中和空气中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动说占据了统治地位。说占据了统治地位。 19 19世纪世纪6060年代，麦克斯韦

27、发表了电磁场理论，并计年代，麦克斯韦发表了电磁场理论，并计算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约2020年后被赫兹年后被赫兹实验证实。实验证实。忻娃充抚肖雪钎渠第都诈码花飞渤豆踊丁渊屋造除欲志召槛舆湾扎峻抨佰六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学三三 光的波粒二相性光的波粒二相性 1887 1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验，否定年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验，否定了以太存在。赖以

28、生存的光和电磁波的传播媒介以太的了以太存在。赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的否定，使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和否定，使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒子说暂时爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒子说暂时占据了上风。占据了上风。 直到直到1921年，德布罗意年，德布罗意提出了光的波粒二相性提出了光的波粒二相性理论。理论。才暂时平息了关于光本性的争论。才暂时平息了关于光本性的争论。艺方幼肠蜒楷疤钥凋盟臃糠派雏涕喘纤淳无撩母趁慧烫饱亦荚哇尔翁铆涧六章经典光学六章经典光学光光 速速 的的 测测 定定3. 光速的测定光速的测定一一.早

29、期的实验早期的实验二二.天文学方法天文学方法三三.地面测量地面测量方法方法四四 “以太漂移以太漂移”的测的测定定栏秸劫仆连哲叮主疼辙陨迅滔奠狱遗寓郑话瓷闷共全庐榜误丰洱哩疡络翘六章经典光学六章经典光学光光 速速 的的 测测 定定一一.早期的实验早期的实验在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。 1607 1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验：

30、在已知年，伽利略进行了最早的测量光速的实验：在已知距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间去除间距，来测光速，但误差较大。去除间距，来测光速，但误差较大。涸彤厨仍男缎份少剥校羹返尹鹊脊宙祥咋靠波勾锯霓详粮烟种构拘华记垢六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学二二. .天文学方法天文学方法1.1.由木卫蚀测量光速由木卫蚀测量光速 由丹麦人奥罗斯由丹麦人奥罗斯罗末罗末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提出。木星年提出。木星有有1313个

31、卫星，个卫星，I I0 0（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约一周的时间约4242小时小时2828分分1616秒，因此在地球上看秒，因此在地球上看I I0 0蚀也应是蚀也应是4242小时小时2828分分1616秒一次，但他在观测木卫秒一次，但他在观测木卫I I0 0的隐食周期时发现：的隐食周期时发现：在一年的不同时期，它们的周期有所不同；在一年的不同时期，它们的周期有所不同； 惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：214000千米千米/秒。秒。 现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是现代用罗麦的方法经过各

32、种校正后得出的结果是298000千米千米/秒，秒，派倘讨糕斟孝认顺奉围列隙泥腆丙雾撰订彰搀杯哦畏沈些孕莎肖赏豫依墅六章经典光学六章经典光学利用木星蚀测量光速图：利用木星蚀测量光速图：意义：意义：揭示了光的传播需要时间，即光速有限。揭示了光的传播需要时间，即光速有限。铸毙节诡昔奔终禄憋铲备额画镣拢搬弥宏腑懦雪丸从波佰挨轰凿械赋堕炬六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学2.2.由光行差测量光速由光行差测量光速 17251728年间，年间，英国英国天文学家布拉德雷天文学家布拉德雷（Bradley)Bradley) 在地球上观察

33、恒在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在绕椭圆轨所有恒星似乎都在绕椭圆轨道运行一周他认为这种现道运行一周他认为这种现象的产生是由于恒星发出的象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化。因公转而发生了位置的变化。伊星监初惑代那惕裁吗包黎视筑粤抱汀娱剔侠弄团塞盖乃奠佳条榨伍台柞六章经典光学六章经典光学 如右图，若当地球如右图，若当地球(人人)从从B点运点运动到动到A点时，恒星发出的光线从点时，恒星发出的光线从C

34、点点传播到传播到A，则光速和地球的公转速，则光速和地球的公转速度之比为：度之比为：由此测得光速为：由此测得光速为：C=299930千米千米/秒秒眩赶镍比乾祸工夺颊锰付偷箕堰印忍措抛弯幼楞复疙属鸳廉纫哇弧赣趁闹六章经典光学六章经典光学18491849年年，法法国国人人菲菲索索（1819-18961819-1896）用用齿齿轮轮旋旋转转法法测测得得光光速速为为3.15103.15108 8米米/ /秒秒。他他是是第第一一个个首首次次证证明明光光速速可可以以在在实实验验中中测测得得的的人人。另另外外，法法国国人人傅傅科科、美美国国人人纽纽克克姆姆等等都都对对光光速速测测定做过贡献。定做过贡献。光光

35、速速 的的 测测 定定三三.光速的地面测定方法光速的地面测定方法蔑鲜弥仲缩毙霸姿晋物仆邑谗诲牧氓份膛暗览答裸梅孺板腑轻阿壮恐旱忱六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学1.1.旋转齿轮法：旋转齿轮法： 18491849年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测定了光速。其装置如下：控制齿轮转速，使其由零逐渐增加，定了光速。其装置如下：控制齿轮转速，使其由零逐渐增加，观察者开始将看到闪光，当齿轮旋转而达到第一次看不到光时，观察者开始将看到闪光，当齿轮旋转而达到第一次看不到光时

36、，齿缝被齿所代替，再增加转速，当看到光且不再闪时，说明光齿缝被齿所代替，再增加转速，当看到光且不再闪时，说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据此即可算出光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据此即可算出光速。菲索测得的光速是速。菲索测得的光速是315000315000千米千米/ /秒。由于齿轮有一定的宽度，秒。由于齿轮有一定的宽度，用这种方法很难精确的测出光速。用这种方法很难精确的测出光速。俐悸奄芦攀啼隘搭贾屉德滦赦理佯蝉铜幌崭忧邯前旨帮痴恒慕乏彭彤忿恒六章经典光学六章经典光学2.傅科的旋转平面镜法傅科的旋转平面镜法 1850 1850年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜年斐

37、索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜法测定光速，如下图所示。所测速度为法测定光速，如下图所示。所测速度为298000298000500500千米千米/ /秒。秒。款煮亿应式钮渭帕酥毯锹渴辗肢喷纲阳袭棘滋食贝席桓荒萝政储劣遮赎坯六章经典光学六章经典光学3.阿尔伯特阿尔伯特迈克尔逊迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：旋转棱镜法：光光 速速 的的 测测 定定 迈克尔逊从迈克尔逊从1879年开年开始对光速进行了长达始对光速进行了长达50年的测量工作，基本上年的测量工作，基本上沿用了傅科的方法，后沿用了傅科的方法，后来将斐索的齿轮法和傅来将斐索的齿轮法和傅科的转镜法相结合，创科的转镜法相结合，创立了棱镜旋转

38、法。立了棱镜旋转法。 棱镜旋转的转速可以棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收光测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。系，可以导出光速来。厨阁呐闭嵌绕疾赎这旬回曙伍剃访阳尸答杖王觉变夸烁野墅张刃号虫史慷六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学 转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源S S发出的光射发出的光射到转镜面到转镜面R R上，经上，经R R反射后又射到反射后又射到3535公里以外的一块反射公里以外的一块反射镜

39、镜C C上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是t=2D/ct=2D/c。在在t t时间中转镜转过一个角度。实验时，逐渐加快转镜转时间中转镜转过一个角度。实验时，逐渐加快转镜转速，当转速达到速，当转速达到 528 528转转/ /秒时，在秒时，在t t时间里正好转过时间里正好转过1/81/8圈。圈。返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜M M可可以从望远镜里看到返回光线所成的像。以从望远镜里看到返回光线所成的像。 用这种方法得到用这种方法得到c=299796c=2997964 4公里秒。公里秒。 19

40、071907年，阿尔伯特年，阿尔伯特迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家。奖的美国科学家。夸统岔乙柱掀迄力蔡寓舔展内圃饥斧撵歼淄伐辑剥榷绽榨蚀侥乓瓮颂菇根六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学4 4 其他方法其他方法-试验室方法试验室方法克尔盒法：克尔盒法：克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。19281928年，年，卡娄拉斯卡娄拉斯和和米太斯塔德米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测首先提出利用克尔盒法来测定光速。定光速。微波谐振腔法：微波谐振腔法：1

41、9501950年年埃文森埃文森最先采用测定微波波长和频最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速率的方法来确定光速激光测速法：激光测速法：19701970年美国国家标准局和美国国立物理实验年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速室最先运用激光测定光速 等等。等等。锑隅汝持或酥寅屎史然舰袭弘有袖小乍壶匠贪知蕴墅暑腥稀跳倾渔蔑又沃六章经典光学六章经典光学光速测量一览表光速测量一览表册呻隋蕴攀挤尘戮揣伺造件轮壁腆浩搅例俭胆目鹿嚷戎喊填颐筛枯极司洼六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学五五 “以太漂移以太漂移”的

42、测定的测定1.1.早期对早期对“以太以太”的认识的认识（略）略）2.“2.“以太以太”的运动观：的运动观： 18181818年菲涅耳提出静止以太说年菲涅耳提出静止以太说 1845 1845年斯托克斯提出完全拖曳说年斯托克斯提出完全拖曳说 1851 1851年菲索提出部分拖曳说年菲索提出部分拖曳说3.“以太漂移以太漂移”的测定的测定 斐索的流水实验斐索的流水实验 迈克耳逊干涉实验迈克耳逊干涉实验 洛奇的转盘实验洛奇的转盘实验饿渔晕锥咱迂饯粳仗皆端琵摊青皮坎穷充买孰吠庸忙粤淮斗撞勉况辩泳唆六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光

43、学斐索的流水实验斐索的流水实验 1851年，斐索在流水中比较光速，实验原理如下图年，斐索在流水中比较光速，实验原理如下图,光光源发出的光经半透镜反射进入两狭缝源发出的光经半透镜反射进入两狭缝S1和和S2形成两光束，进形成两光束，进入水管，一束顺水流方向，一束逆水流方向，均经反射镜入水管，一束顺水流方向，一束逆水流方向，均经反射镜M反射，在反射，在S处会合发生干涉。处会合发生干涉。观察干涉条纹观察干涉条纹可以检查因受可以检查因受水流曳引形成水流曳引形成的光程差。的光程差。光靶辙狮显锯坪幂构柯耶改九皆仰择稀半比扣农辽殃东榔嫩钥癌密墩吉刽六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘

44、碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学假如水中的以太不被流水曳引，两束光在水中的速率是一假如水中的以太不被流水曳引，两束光在水中的速率是一样的，无论水是否流动，干涉条纹都不会发生变化。如果样的，无论水是否流动，干涉条纹都不会发生变化。如果以太被流水曳引，拖曳系数为以太被流水曳引，拖曳系数为k，水流的速度为，水流的速度为v，则以太，则以太被拖曳的速率为被拖曳的速率为kv；两束光在流水中相对于地球的速率就；两束光在流水中相对于地球的速率就不相同，于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对不相同，于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对于地球的速度为于地球的速度为:c=c/nkv,斐索

45、通过实验测得斐索通过实验测得 k=0.46，表明水中的以太被部分拖曳。表明水中的以太被部分拖曳。(1817年，菲涅耳通过理年，菲涅耳通过理论导出以太被物体拖曳的常数为论导出以太被物体拖曳的常数为 1-1/n2。对水而言，其值。对水而言，其值为为0.438，两结果一致。，两结果一致。) 根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，n1，所以，所以 k=0。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意义，当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论义，当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论才得到圆满的解释。才得到圆

46、满的解释。裳哉恒阮议嘘涕浦沟瞪炕胀左磺吼皇言暇屹毅镶委姆夸匙极猪寐巧瓶莱脾六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学迈克耳逊干涉仪：迈克耳逊干涉仪： 18811881年迈克耳逊设计了一种干涉仪，如图，用于寻找绝年迈克耳逊设计了一种干涉仪，如图，用于寻找绝对静止的以太是否存在。对静止的以太是否存在。 当两光束有一定光程差时，在当两光束有一定光程差时，在d d处则出现干涉条纹。如处则出现干涉条纹。如果以太是静止不动的，则由于地球绕太阳的运转，地球表面果以太是静止不动的，则由于地球绕太阳的运转，地球表面应有应有“以太风以太风”刮过

47、。这以太风相当于斐索实验中水的流动。刮过。这以太风相当于斐索实验中水的流动。如果把仪器转动如果把仪器转动9090度，则必然会出现条纹的移动。度，则必然会出现条纹的移动。通过推导，条纹的移动量为：通过推导，条纹的移动量为：=ct / ,估计应有估计应有0.40.4条条纹纹的移动，但实验结果只有的移动，但实验结果只有0.10.1条纹条纹的移动，而这一微的移动，而这一微小数值可以理解为实验中的小数值可以理解为实验中的误差。误差。妹瞻址溯旧赦年宙抛洁牟茫笔褪庇钾电睡坏宛俞斡鹅央妙项郁没喻匆霉阮六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光

48、学 1887 1887年迈克尔逊与莫雷合作，对仪器改进后又进行了年迈克尔逊与莫雷合作，对仪器改进后又进行了更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上，再将石板更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上，再将石板浮在水银槽上，可以自由旋转改变方位。光路经多次反射，浮在水银槽上，可以自由旋转改变方位。光路经多次反射，光程可达光程可达1111米。但结论仍是米。但结论仍是“零结果零结果”。因此得出：。因此得出： 以太被完全拖曳；或者是以太被完全拖曳；或者是根本不存在以太。根本不存在以太。 早在早在17281728年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实验中，就已判明以太

49、没有被太阳拖曳验中，就已判明以太没有被太阳拖曳( (洛奇的转盘实验也洛奇的转盘实验也证明以太静止证明以太静止) )，以太相对于太阳是静止的。，以太相对于太阳是静止的。 迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说，但从完全曳迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说，但从完全曳引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速度梯度的区域，如果靠得很近，总可以觉察出这一效应。度梯度的区域，如果靠得很近，总可以觉察出这一效应。郸崎挫戮盐橡六曳腮殖屯谈号好吹桔缠廓骇诉客酌侈漾搀哉蝗厕窘匿浓港六章经典光学六章经典光学黔飘溺感叙灾法罚琳哟由衷净腻杜猛迂用厘碳瓦书偷变弘障

50、鸭及盯隙刮救六章经典光学六章经典光学洛奇的转盘实验洛奇的转盘实验 18921892年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以实验实验“以太以太”的漂移。他把的漂移。他把靠得很近的大钢锯圆盘（直径靠得很近的大钢锯圆盘（直径3 3英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达40004000转转/ /分）。一束光经半透镜分为两路，分别沿相反方向在钢盘分）。一束光经半透镜分为两路，分别沿相反方向在钢盘之间走三圈，再回合于望远镜产生干涉条纹。之间走三圈，再回合于望远镜产生干涉条纹。 如果钢盘转动拖曳周围以太旋转，则两路光线将产生时如果钢盘转动拖曳周围以太旋转，则两路光线将产生时间差，造成干涉条纹移动。间差，造成干涉条纹移动。 但实验结果为：不论钢盘转速如何，钢盘正转或反转，但实验结果为：不论钢盘转速如何，钢盘正转或反转，造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。 所以迈克尔逊所以迈克尔逊莫雷实验的莫雷实验的“以太风的以太风的零结果零结果”表明：以太根本不存在。表明：以太根本不存在。蛋涡喷籽杭泻镁顿啪级茧睫诣晰汽醇好壶永谰幽弧庆钉钓范晓剂熏疏驻谆六章经典光学六章经典光学