11绪论 波的叠加11.docx

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11绪论波的叠加11

1-1绪论波的叠加（1-1）

物物理系教案按教学单元撰写，一般一次独立教学内容（2节课）为一个单元周次第周，第次课备注章节名称绪论第一章光的干涉本次内容绪论1.1-1.3光的电磁理论由单色波叠加所形成的干涉花样授课方式理论课教学目的及要求了解光学的学习内容和学习方法；了解光学的发展过程和特点。

了解光的电磁理论，理解光波的独立性、叠加性和相干性。

掌握光程、光程差和位相差以及相干条件，理解光波的干涉现象及相干光源。

教学重点与难点重点：

波的相干性，。

难点：

光程、光程差和位相差以及相干条件。

课堂讨论光程与路程的区别外语要求本章专业英语术语讲解教学手段讲解、自学、练习与多媒体结合教学内容及课外训练（作业）绪论一、光学的研究内容和方法1研究内容：

光的发射、传播和接收等规律，光和其它物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化学和生理效应等），光的本性问题以及光在生产和社会生活中的应用。

分为几何光学、波动光学、量子光学和现代光学四大部分2研究方法：

实验假说理论实验在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析、抽象与综合，提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。

二、光学的学习方法1、光学的学习相对较容易，不需很深的数学，自成体系。

2、光学是当今热门学科，具有很强的发展潜力。

4、习题易做三、光学发展简史光学的发展大致可以分为下列五个时期：

1、萌芽时期（公元前400年~16世纪初）①墨翟（公元前468~376年），《墨经》，光的直线传播（影的形成和针孔成象等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射等现象。

②希腊数学家欧几里德（公元前330~275年）所著的《光学》一书中，研究了平面镜成象问题，指出反射角等于入射角的反射定律，但他却同时提出了将光当作类似触须的投射学说。

③克莱门德（公元50年）和托勒密（公元90~168年）研究了光的折射现象，最早测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。

④罗马哲学家塞涅卡（公元前3年~公元65年）指出充满水的玻璃泡具有放大性能。

⑤从阿拉伯的巴斯拉来到埃及的学者阿尔哈曾（公元965~1038年）反对欧几里德和托勒密关于眼睛发出光线才能观察物体的学说，认为光线来自所观察的物体，而光是以球面形式从光源发出的；反射线和入射线共面且入射面垂直于界面；他研究过球面镜和抛物面镜，并详细描述了人眼的构造；他首先发明了凸透镜，并对凸透镜进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。

⑥公元十一世纪，我国宋朝的沈括（1031~1095年）在《梦溪笔谈》中记载了极为丰富的几何光学知识，他不仅总结了前人研究的成果，而且对凹面镜、凸面镜的成象规律，测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面都又创造性的阐述。

⑦培根（公元1214~1294年）提出用透镜矫正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性，并描述过透镜焦点的位置。

⑧阿拉蒂（公元1299年）发明了眼镜。

⑨波特（公元1535~1615年）研究了成象暗箱，并在1589年的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜的组合。

⑩综上所述，到十五世纪末和十六世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已经相继出现。

2、几何光学时期（16世纪初~17世纪中叶）这一时期可以称为光学发展史上的转折点。

在这时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。

第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明使生物学的研究有了强有力的工具。

①荷兰李普塞（1587~1619）在1608年发明了第一架望远镜。

②十七世纪初延森和冯特纳（1580~1656）最早制作了复合显微镜。

③1610年，伽利略（1564~1642）用自己制造的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼的日心说提供了强有力的证据。

④开普勒（1571~1630）汇集了前人的光学知识，于1611年发表了他的自学著作《折光学》，无论在形式上和内容上，该书都可以与现代集合光学教本媲美。

他提出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离的平方成反比的照度定律。

他还设计了几种新型的望远镜，特别使用两块凸透镜构成的开普勒天文望远镜。

他还发现当光以小角度入射到界面时，入射角和折射角近似地成正比关系。

⑤斯涅耳（1591~1626年）和笛卡儿（1596~1650年）提出折射定律的精确公式。

1621年斯涅耳在他的一篇未发表的论文中中指出，入射角的余割和折射角的余割之比使常数，而笛卡儿大约在1630年的《折光学》中给出了我们现在熟悉的用正弦函数表书的折射定律。

⑥费马（1601~1665年）在1657年首先指出光在介质中传播时所走的路程取极值的原理，并根据这个原理推出了光的反射定律和折射定律。

综上所述，到十七世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。

早先关于光的本性的概念，是以光的直线传播观念为基础的。

但是从十七世纪开始，就发现有与光的直线传播不完全符合的事实。

意大利人格里马第（1618~1663年）首先观察到光的衍射现象，他发现在点光源的情况下，一根直竿投出的影子要比假定光以直线传播所应有的宽度稍微大一点。

也就是说光并不严格按直线传播，而会绕过障碍物前进。

接着，1672~1675年间，胡克（1635~1703年）也观察到衍射现象，并且和波义耳（1627~1691年）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，所有这些都是光的波动理论的萌芽。

十七世纪下半页，牛顿（1642~1727年）和惠更斯（1629~1695年）等把光的研究引向进一步发展的道路。

在光学发展的早期，对颜色的解释显得特别困难。

1672年牛顿发现白光通过三棱镜时，会在光屏上形成安一定次序排列的彩色光谱带光谱。

于是他认为白光由各种色光复合而成，各色光在玻璃中受到不同程度的折射而被分解成许多组成部分。

反之，把各种组成部分复合起来会重新得到原来的白光。

进一步的实验还指出，把第一棱镜所分离出的某种色光从光谱中分离出来，便不能被第二棱镜再分解，这些简单的色光特征，可用棱镜的形状和折射率来定量地描述。

因此牛顿的白光实验，使对颜色的解释摆脱了主观视觉的印象而上升到客观量度的科学高度。

此外，牛顿还仔细观察了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色条纹牛顿环，从而首次认识了颜色和空气层厚度之间的关系。

但最早发现牛顿环的却是胡克。

在发现这些现象的同时，牛顿于公元1704年出版的《光学》一书中，根据光的直线传播性质，提出了光的微粒流理论。

他认为这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内，由于惯性而作匀速直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。

然而在解释牛顿环时，却遇到了困难。

同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。

惠更斯反对光的微粒说，1678年他在《论光》中从生和光的某些现象的相似性出发，认为光是在以太中传播的波。

所谓以太则是一种假想的弹性介质，充满整个宇宙空间，光的传播取决于以太的弹性和密度。

运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了发射和折射定律，还解释了方解石地双折射现象。

但是惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，没有指出光现象的周期性，没有提出波长的概念。

他的次波包络面成为新的波面的理论，没有考虑到它们是由波动按一定的位相叠加所造成的。

归根到底，仍旧摆脱不了几何光学的观念，因此不能由此说明光的的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象。

与次相反，坚持微粒说的牛顿，却从他发现的牛顿环现象中确信光是周期性的。

综上所述，这一时期中，在以牛顿位代表的微粒说占统治地位的同时，由于相继发现了光的干涉、衍射和偏振等光的波动现象，以惠更斯位代表的波动说也初步提出来了。

因而，这个时期也可以说是几何光学向波动光学过度的时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。

光的理论在十八世纪实际上没有什么进展。

多数科学家采纳了光的微粒说，不过瑞士的笛卡儿学派的欧拉（1707~1783年）和伯努利（1700~1782年）却捍卫并发展了以太的波动理论。

3、波动光学时期（19世纪初~19世纪末）①托马斯杨（1773~1829），1801年杨氏最先用干涉原理另人满意地解释了白光照射下薄膜颜色地由来和用双缝显示了光的干涉现象，并第一次成功地测定了光的波长。

②菲涅耳（1788~1827年），1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理。

运用这个原理不仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播，而且还能解释光通过障碍物时所发生的衍射现象。

因此，它成为波动光学的一个重要原理。

③1808年马吕斯（1775~1812年）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。

④菲涅耳和阿拉果（1786~1853年）对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。

⑤1845年法拉第（1791~1867年）发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。

⑥1856年韦伯（1804~1891年）和柯尔劳斯（1809~1858年）在莱比锡作的电学实验结果，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。

从这些发现中人们得到了启示，即在研究光学现象时，必须和其它物理现象联系起来考虑。

⑦⑨麦克斯韦（1831~1879年）在1865年的理论研究中指出，电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值的速度传播，即电磁波以光速传播。

这说明光是一种电磁波。

⑧这个理论在1888年被赫兹（1857~1894年）的实验所证实。

他直接从频率和波长来测定电磁波的传播速度，发现它恰好等于光速。

至此，光的电磁理论就确立了。

光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它指出光和电磁现象的一致性，实现了物理学的又一次统一，再一次证实了物理学统一的思想，同时也使人们在认识光的本性方面向前迈进了一大步。

4、量子光学时期（19世纪末~20世纪初）十九世纪末到二十世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机制中。

光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量按波长分布的问题，①特别是1887年赫兹发现的光电效应。

②1900年普朗克（1858~1947年）提出了辐射的量子论，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的乘积，成功地解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期。

③1905年爱因斯坦（1879~1955年）发展了普朗克地能量子理论，把量子论贯穿到整个电磁波的辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应，并为后来的许多实验如康普顿效应所证实。

但这里所说的光子不同于牛顿微粒说中的粒子，光子是和光的频率（波动性）联系着的，因此光子同时具有粒子和波动两种特性。

④至此，人们一方面从光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面从黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性。

如何将有关光的本性的两个完全不同的概念统一，人们进行了大量的探索工作。

1924年，德布罗意（1892~1987年）创立了物质波学说，他大胆地设想所有物质粒子都和一定的波相联系。

⑤这一假设在1927年为戴维孙（1881~1958年）和革末（1896~1971年）的电子衍射实验证实。

事实上，不仅光具有波动性和粒子性，也就是所谓的波粒二象性，而且一切习惯概念上的实物粒子同样具有这种二重性。

也就是说，微观物质所共有的属性。

⑥1925年，波恩（1882~1970年）提出了波粒二象性的几