第三章熱和光第三節光一、幾何光學的研究（一）幾何光學的發展對幾何光學最早進行研究并推動幾何光學初期發展的是古希臘物理學家歐幾里得。在15世紀和16世紀初，各種面鏡與透鏡及暗箱等光學元件和儀器的出現，為幾何光學的深入研究提供了實驗工具，有力推動了幾何光學的發展。（二）折射定律的建立公元二世紀，希臘人托勒密通過實驗研究了光的折射現象，他測定了光從空氣向水中折射時入射角與折射角的對應關系，托勒密通過數據分析得出結論：折射角和入射角成正比關系。今天我們知道這個結論是不正確的，它只有在入射角很小的情況下才近似成立，但他是第一個通過實驗定量研究折射規律的人。德國人開普勒在匯集前人光學知識的基礎上，斷定托勒密關于折射規律的結論是不正確的。于是他開始便想通過實驗發現折射定律，但實驗最后沒有成功，他便轉向從理論上加以探索。開普勒關于折射定律的研究和修正比托勒密前進了一步，但還沒能給出正確的折射定律1621年，荷蘭物理學家斯涅耳通過實驗精確確定了入射角與折射角的余割之比為一常數的規律，即cscθi/cscθt=常數，故折射定律又稱斯涅耳定律。由于余割和正弦成反比，所以這個敘述等價于現代折射定律的表達式。法國物理學家笛卡兒以媒質中球的運動作類比說明折射定律。1637年,笛卡兒在《折光學》一書中首次公布了具有現代形式正弦之比的規律。法國數學家費馬于1657年從理論上得到費馬原理（光在任意介質中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播，又稱最小時間原理或極短光程原理。），并于1661年運用費馬原理成功推導出了折射定律。6.折射定律（斯涅爾定律）現代表述光從一種介質射向另一種介質的平滑界面時，一部分光被界面反射，另一部分光透過界面在另一種介質中折射，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比，即比例為常數，稱為第二介質對第一介質的相對折射率。魚在哪兒？生活中常見的折射現象岸上看水里物體變淺水里看岸上物體變高海市蜃樓：是一種幻景，是地球上物體反射的光經大氣折射而形成的虛像。隔著玻璃看物體等海市蜃樓光從光速大的介質（光疏介質）進入光速小的介質（光密介質）中時，折射角小于入射角；從光速小的介質進入光速大的介質中時，折射角大于入射角。全反射光由光密介質進入光疏介質發生折射，當入射角θ增加到某情形時，折射角為90°，該入射角θ稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無折射，光線全部反射回光密介質，此現象稱為全反射。當光線由光疏介質射到光密介質時，不會發生全反射。全反射的應用——光導纖維光導纖維（光纖）利用的就是全反射的原理習題1.光從空氣斜射入水中或其他介質中時，（1）

與

、

在同一平面上；（2）折射光線和入射光線分居

兩側；（3）折射角

入射角；（4）入射角增大時，折射角

；（5）光路；當光線垂直射向介質表面時，傳播方向。可逆不改變2、在下列現象中，屬于光的折射現象的是()A、人看到平面鏡中自己的像B、斜插入水中的直尺看起來變彎折C、日食和月食D、小孔成像3．在下列四個現象中，能用光的折射規律解釋的是()A．放大的字B．水中倒影C．手影D．森林中的太陽光BA4.物理老師在實驗室用某種方法在長方形玻璃缸內配制了一些白糖水。兩天后，同學們來到實驗室上課，一位同學用激光筆從玻璃缸的外側將光線斜向上射入白糖水，發現了一個奇特的現象：白糖水中的光路不是直線，而是一條向下彎曲的曲線，如圖所示。關于對這個現象的解釋，同學們提出了以下猜想，其中能合理解釋該現象的猜想是要()A．玻璃缸的折射作用B．激光筆發出的光線木絕對平行C．白糖水的密度不是均勻的，越深密度越大D．激光筆發出的各種顏色的光發生了色散C5.下列四幅圖中，能真實反映光通過玻璃膜墻進入室內傳播途徑的是（）A.B.C.D.B二、光本性的探索（一）光的波動說1.光的波動現象：干涉、衍射和冰洲石晶體的雙折射現象2.波動說的建立（二）光的微粒說1.早期的微粒說2.牛頓的微粒說三、光的本質17世紀以前，人們對光的本性討論很少，隨著對一些光學現象研究的日趨深入，關于光的本性問題被提了出來，并逐漸形成兩種不同的觀點：一是以惠更斯為代表的波動說；另一是以牛頓為代表的微粒說。（一）楊氏雙縫（干涉）實驗1801年，英國物理學家托馬斯·楊提出了光的干涉原理并首先做了雙縫干涉實驗，通過實驗成功觀察到了光的干涉現象：兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象。在1807年，托馬斯·楊總結出版了他的《自然哲學講義》，里面綜合整理了他在光學方面的工作，并在里面第一次描述了雙縫實驗。從實驗觀測到的干涉圖案給予光的粒子觀致命的打擊。因為經典的粒子理論無法滿意地解釋實驗的干涉圖案。大多數的科學家從此接受了光的波動觀。（二）馬呂斯對雙折射現象的研究雙折射是指光束入射到各向異性的晶體，分解為兩束光而沿不同方向折射的現象。將一塊冰洲石(方解石)放在書上看，它下面的線條都變成雙影。光的干涉證明了光具有波動性。（三）菲涅爾和光衍射光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面傳播的現象，叫光的衍射。光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。小孔衍射障礙物衍射（四）光的電磁說光的干涉和衍射現象證明了光是一種波，到19世紀中葉，光的波動說已經得到公認，但光的本質問題一直沒有解決。19世紀60年代，麥克斯韋預言了電磁波的存在，并且從理論上得出，電磁波在真空中的傳播速度應為3.11×108m/s，而當時實驗測得的光速為3.15×108m/s，兩個數值非常接近。麥克斯韋認為這不是一種巧合，它表明光與電磁現象之間有本質的聯系，由此他提出光在本質上是一種電磁波，這就是光的電磁說。1886年，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，并且測出了實驗中的電磁波的頻率和波長，從而計算出了電磁波的傳播速度，發現電磁波的速度確實與光速相同，這樣就證明了光的電磁說的正確性。（五）愛因斯坦的光量子假說普朗克提出量子假說后，愛因斯坦從中得到了重要啟示：在現有的物理理論中，物體是由一個一個原子組成的，是不連續的，而光（電磁波）卻是連續的。在原子的不連續性和光波的連續性之間有深刻的矛盾。光量子假說1905年愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎上提出了光量子假說：光和原子電子一樣也具有粒子性，光就是以光速運動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。光的波動說無法解釋光電效應由赫茲和勒納德發現，當波長較短的紫外線照射金屬表面時，金屬中有電子逸出，被稱為光電效應。實驗表明：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強的紅光卻不能打出電子，說明光電效應的產生只取決于光的頻率而與光的強度無關。這個現象用光的波動說是解釋不了的，因為光的波動說認為光是一種波，它的能量是連續的，如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來，則很強的紅光應更能打出電子來，而事實卻與此相反。光量子假說可以圓滿解釋光電效應按照光量子假說，光是由光量子組成的，光的能量是不連續的，每個光量子的能量要達到一定數值才能從金屬表面打出電子來。微弱的紫光光量子數目比較少，但每個光量子的能量卻足夠大，所以能從金屬表面打出電子來；很強的紅光，光量子的數目雖然很多，但每個光量子的能量不足以使電子的逸出，所以不能打出電子來。