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1、透过历史看光学【摘要】本文为读者介绍了波动光学的发展历史。通过对不同时期不同物理学家的不同学说的讲解将波动光学的发展历史串联起来，使大家对波动光学的理论发展有了一个较为全面的认识和了解。接着对波动光学的基本理论进行了简要的介绍，并配以图像进行说明，使读者有一个更加形象生动的认识。最后，指出了现存的波动光学理论的局限性，简要介绍了光的量子理论，呼吁大家共同为光学的发展做贡献。【关键词】波动光学 历史 理论 光的量子理论这学期我们的大学物理这门课程主要学习了热学、振动、波动、光学以及量子物理学。经过了一个学期的学习，我对于以上几方面的物理知识都有了一定的了解和认识。其中，最令我感兴趣的就是波动光学
2、了。光的反射、折射、干涉、衍射等等都会引起许多奇妙的现象，令我惊异不已。学习了波动光学我才发现，原来生活中许多神奇的光学现象都是可以用理论知识来解释的，这也使得我更愿意去观察生活中的各种光学现象，并努力用学过的理论知识去思考和解释它们。因此，在这里，我想通过光学发展的历史带着大家共同感悟光学的美丽和奇妙，并为大家介绍光学的基本知识。下面我就先为大家介绍波动光学理论的发展历史。17世纪，胡克和惠更斯创立了光的波动说。惠更斯应该是较早提出光的波动性理论的科学家。惠更斯原理认为：对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。这
3、个原理预言了干涉、衍射现象的存在。惠更斯曾利用波前概念正确解释了光的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。这一时期，人们还发现了一些与光的波动性有关的光学现象，例如胡克和玻意耳分别观察到了牛顿环的干涉现象。这些发现成为波动光学发展史的起点。然而17世纪以后的一百多年间，光的微粒说基本上一直占统治地位，波动说并不被多数人接受，直到进入19世纪后，光的波动理论才得到了迅速的发展。1800年，杨第一次提出了干涉这个术语，并分析了水波和声波叠加后产生的干涉现象。最终在1801年最先用双缝演示了光的干涉现象，并成功地测量了光波波长。他还用干涉原理解释了白光照射下薄膜呈现的颜色。1809年马吕斯发现了反
4、射时的偏振现象，随后菲涅耳和阿拉戈又利用杨氏实验装置完成了线偏振光的叠加实验，杨和菲涅耳借助于光为横波的假设成功地解释了这个实验。1815年，菲涅耳建立了惠更斯-菲涅耳原理，他用这个原理计算了各种类型的孔和直边的衍射图样，很好地解释了衍射现象。至此，用光的波动理论解释光的干涉、衍射和偏振等现象时都获得了巨大的成功，波动理论也为更多人所接受。19世纪60年代，麦克斯韦建立了统一电磁场理论，预言了电磁波的存在并给出了电磁波的波速公式。此后，马吕斯、菲涅耳、阿拉戈利都对波动光学理论及实验做了发展。直到19世纪60年代，麦克斯韦、赫兹对电磁理论的发现，确定了光是电磁波的一种。光与电磁现象的一致性使人们
5、确信光是电磁波的一种，从而产生了光的电磁理论。19世纪末，洛伦兹创立了电子论。20世纪50年代开始，特别是在激光器问世后，波动光学又派生出了傅里叶光学、纤维光学和非线性光学等新分支，大大地扩展了波动光学的研究和应用范围。 上述就是波动光学的大致发展历史，接下来我就向大家简要介绍光的波动性的证明过程。首先证明了光的波动性的实验是杨氏双缝实验。在双缝干涉实验中，利用光源前的单缝形成线光源，再利用双缝形成振动情况相同的相干光源，从而在观察屏上得到了干涉条纹。由此可见，光子通过缝隙时产生了类波动的行为，是光的波动性的明证。 k=0,1,2其中 D 为双缝到观察屏距离，d 为双缝间距离， 为光的波长。从
6、而得到了相邻明纹的间距：杨就是借助这个公式历史上第一次测出了光波的波长，但是杨当时的日子并不好过。在光的微粒说仍然一统天下的年代，杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺。在近20年间竟然无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，却无处发表，只好印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。另外一个证明了光的波动性的实验就是夫琅和费衍射实验。在单缝衍射实验中，值得注意的是，费涅耳利用光的波动性将波面分成若干个半波带，分割由于相邻两个半波带发出的衍射光相消，所以除中央明纹外，分成偶数个半波带,，P 点为暗纹；分割成奇数个半波带, P 点为明纹。 这样光的波动性便得到了证明。然而，尽管波动光学不仅能完全解释干
7、涉、衍射、偏振等现象、在与电磁理论结合后又能解释光的吸收、色散和散射等分子光学现象。但波动光学并不是十全十美的，关于光与物质相互作用的问题，则必须用量子理论才能得到彻底的解决。光的量子理论在本学期的学习中并没有占到很大的比重，我就简要概括下吧。1905年，爱因斯坦提出了光子假设，成功地解释了光电效应。他认为光子不仅具有能量，而且与普通实物粒子一样具有质量和动量。1923年，康普顿利用光子与自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验。与此同时，通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致了量子力学的建立。 经过科学家们的实验，干涉，衍射和偏振等都表明光是一种波，光电效应又用无可辩驳的事实表
8、明光是一种粒子，因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指它的不连续性，是一份能量。以上就是波动光学的简要发展历史。本学期我们学习的内容主要也是以光学为主。上述只是我对光学历史的简单总结和概括，光学的内容远比上述所说的要博大精深很多。通过这一个学期的学习，我深深地喜欢上了光学，也学到了很多关于光学的知识。同时，也逐渐开始能自己用所学的知识解释日常生活中的一些光学现象了。每当自己弄明白了一种现象或者原理时，心中就有一丝成就感，从而也就对光学更加感兴趣了。总之，我希望自己的上述总结和概括能够让大家简单地了解波动光学的一些基本知识，激发大家对光学的兴趣,并对大家以后的学习有所帮助。【参考文献】1 张三慧. 波动与光学.清华大学出版社.2002.01 2 赵达尊. 波动光学.宇航出版社.1988 3 马科斯玻恩. 光学原理.电子工艺出版社.2005.084 叶玉堂. 光学教程.清华大学出版社.2005.08