光弹性实验中的光学基础

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1、第二章光弹性实验中的光学基础知识光的本性自然光和偏振光白光和单色光折射及双折射光波的叠加与干涉光弹性仪器的光学元件光学简介一、光学发展的概况人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有90％以上通过眼睛;光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科;激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科。几何光学中最基本的概念是光线，即光是由一束束的光线组成。对于光的本质，虽有Newton的微粒说和Huygens的波动说，但都缺少实验依据。因而，尽管尝试测量光的传播速度，但无法从理论上说明光是如何传播的。即无法从理论上导出光速的概念。《墨经》，

2、成书于公元前4~3世纪，其中已有对于小孔成象的描述，亦有关于镜面反射文字，其中已包含了光线及其沿直线传播思想。但由于没有对光的本质进行深入的思考，里面并没有物理学的思想。这是中国传统文化的一大缺憾。《光学》，前3~2世纪，Euclid著，已指出光在平面上反射时，入射角等于反射角。其后研究了光的折射等成像规律，并制成各种光学元件。墨翟（公元前468—前376）墨翟人们尊称墨子。他是战国初年的鲁国人，大约生于公元前468年，死于公元前376年。   墨子出身于下层，少年时代曾经“学儒者之业，受孔子之术”，后来觉得儒家的礼过于烦扰，妨碍生计，所以撇弃

3、儒学，并进而创立了墨家学说，成了儒家的反对派。他有弟子三百人，结成有组织有纪律的墨家学派团体。    墨子和他的弟子流传下来的著作只有《墨子》一书。全书原有七十一篇，现存五十三篇。这本书主要包括数学、力学、声学、光学等方面，主要保存在《墨经》中，《墨经》是《墨子》的一部分。1．在力学方面，墨家给“力”下了符合科学的定义。2．在光学方面，墨家研究得更多。他们做了世界上最早的小孔成像实验。此外，墨家对飞鸟的影子、物体的本影和半影、凹面镜和凸面镜的成像现象等，也都作了许多研究。欧几里得(Euclid）公元前330—前275年。古希腊雅典人。柏拉图的

4、学生。他曾长期在亚历山大里亚教书，并在那里创办过一所学校，建立了以他为首的数学学派。是古代最有名望的学者之一，是几何学的鼻祖。公元前300年左右，他所著《几何原本》13卷，是世界上最早公理化的数学著作。他主张光的直线性观点。对于人眼观察物体的解释，他认为是由于人眼发出的光线遇到物体所致。　　欧几里得的著作较多，如《数据》、《图形分割》、《论数学的伪结论》、《光学之书》、《反射光学之书》等。1672年，Newton分光实验，白光中包含不同颜色的光。1678年，Huygens提出波动说。1704年，Newton提出微粒说。以上为几何光学时期。在这

5、一时期人们做了大量研究，试图知道光是什么。代表性的观点有Newton的微粒说和Huygens的波动说。Newton在1672年成功地进行了分光实验，一束白光经三棱镜折射后，不同颜色的光沿不同角度出射，形成彩色光带。1704年Newton在其《光学》一书中提出微粒说，人为光是由一个个粒子组成的，每个粒子可看做一个质点，遵守质点运动的规律。而Huygens在1678年所出版的《论光》中提出了波动说。人为光以波的形式存在和传播，遵循波动的规律。微粒说和波动说都能解释几何光学的一些现象，但由于缺少有力的实验依据，都不能彻底否定对方。在这一时期，许多人试图

6、测量光速，事件排列如下：1607年，伽利略（Galieo）1676年，罗默（O.Romer），天文学方法,c=215,000km/s。1849年，斐索（Fizeau），在实验室中，用齿轮法，c=315,000km/s。1851年，弗科（Foucault)，用旋转棱镜法，298,000+500km/s,且发现在水中光的传播速度比真空（空气）中低。1801年，T．Young在光通过双孔的实验中，首次观察到了与水波的干涉现象相似的光的干涉现象，光经过双孔后，由于干涉，光能量在空间重新分布。这一实验称为杨氏干涉。杨氏干涉明了光的波动性。五个时期一、萌芽时

7、期公元前500年~公元1500年经历大约2000年面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现二、几何光学时期1500~1800，大约300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4、对折射定律的解释是错误的三、波动光学时期1800~1900，近100年1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度6

8、、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的微粒说四、量子光学时期1900~1950，近50年1、1900年普朗克提出了量子假说，