经典光学的建立.ppt

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1、1,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究（略）4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究（略）,2,4.1 光学的历史概述光学的发展，大体可分为五个时期；1.萌芽时期：春秋战国时期1600年2.几何光学时期：1718世纪3.波动光学时期：181905年4.量子光学时期：19世纪末20世纪中叶（半经典理论、全量子理论）5.现代光学时期：20世纪50年代以来（傅里叶光学、光全息、导波光学）,3,4.2 早期光学（略）,墨经光学八条，公元前四百多年.,亚里士多德，古希腊，

2、公元前两百多年,4,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究（略）4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究（略）,5,1 开普勒的工作：1611年写了折光学，记载了两个实验。第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光LMN斜射到器壁DBC上，BC边沿的影子投射到底座于HK；另一部分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内，阴影的边沿形成于IG。,根据屏高BE和两阴影的长度EH和EG，就可算出立方体的入射角和出射角之比。,4.3 折射定律的建立,6,第二个实验是：用一个圆柱型

3、玻璃，令光线沿S1和S2入射，通过圆柱中心的光线S1方向不变，和圆柱边沿相切的光线S2偏折最大，并发现最大偏折角约为420。,7,全反射的发现：开普勒虽然没有找到正确的折射定律表达式，但通过这些实验发现了全反射。他是这样思考的：令AB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420，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为4202=840的锥形MON。,若有一束光从玻璃射向空气，当入射角大于420时，则到达O点后，将既不能进入空气，也不能进入MON锥形区域，必定反射为。,8,开普勒的论证方法很巧妙，他利用光的可逆性，从反面倒推得出结论。这是科学论证中常用的一种很有说服力

4、的方法。,9,2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：,折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳在1621 年从实验得到的。,斯涅耳,10,1621年他从实验得到准确的折射定律。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳发现，比值OS/OS恒为常数，并由此导出图中所示式子。,11,3 笛卡儿的工作：,现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的方法论中提出的。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，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，但平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i=vrsin r，所以有：sin i/sin

5、r=vr/vi=常数,这正是折射定律的正弦表达式。但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相等是错误的，为使理论与实验数据相符，必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。,12,从笛卡儿的公式可以看出：1他用球的运动来阐述光的折射，而球的运动服从力学规律。可见，他采用的是微粒说。2他假设光在两种媒质中的速度不一样，把折射现象归因于光速不同。3他假设平行于媒质交界面的光速分量不变。,13,4 费马的工作：1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：笛卡儿的推导受到了他的同国人费马的批评。1661年，费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。

6、这就是著名的最短时间原理。,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。,14,折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动，因为天文观测总是会受大气折射的影响，后来 又加上光学仪器制造的需要，所以到了 17 世纪，许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律，几何光学理论很快得到了发展。,15,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究（略）4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究（略）,16,1.1299年由意大利人

7、阿玛蒂发明并制造了眼镜。2.1608年，荷兰人李普塞（Hans Lippershey)制成第一台望远镜:他用一个凸透镜作为物镜，用一个凹透镜作为目镜组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。3.伽利略知道后很快改进成放大32倍，随后又制成放大1000倍的望远镜，并用它对天体进行了观察，于1610年写出了星界信使的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。4.1611年开普勒出版了屈光学，解释了荷兰望远镜和显微镜所涉及到的光学原理。并设计了一种用两个凸透镜构成的天文望远镜，即开普勒望远镜。这种望远镜很快就取代了荷兰望远镜(因为它视野宽)。第一台开普勒望远镜由天文学家沙伊纳于16131617年制造。,光

8、学 的 历 史 概 述,4.4 光学仪器的研制,17,5.几乎与望远镜同时，荷兰人发明制造了显微镜，由眼镜制造师詹森(Janssen)发明：由一双凸透镜作物镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。后来，意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。,6.1665年，胡克出版显微图象，并制造了一个带聚光镜的显微镜：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。,18,7.1668年，牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜，全长15厘米，口径2.5厘米，但其放大倍数和当时使用的2米长的望远镜相同。1671年又制造了第二架较大的反射式望远镜，全长1.2米，口径2

9、米，献给了英国皇家学会，现仍保存在英国皇家学会图书馆。,19,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究（略）4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究（略）,20,4.5 牛顿的色散研究,1.色散的早期研究：（略）,牛顿是一位科学巨匠。他不仅在力学上有伟大的成就，在数学、天 文学、化学以至光学上都有杰出的贡献。单就光学方面的工作，就足以 被后人敬为科学上的伟人。和力学方面的综合工作不同，牛顿在光学方 面的工作多是奠基性的实验研究，其中尤以色散的研究最为突出。色散也是一个

10、古老的课题，最引人注目的是彩虹现象。早在 13 世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨。德国的传教士西奥多里克、笛卡尔、布拉格的马尔西都研究过彩虹现象。,21,2.问题：17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，当放大倍数增大时，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？怎样才能消除？这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗，对光学很有研究。牛顿听过他讲光学，还帮他编写光学讲义。牛顿很喜欢做光学实验，还亲自动 手磨制透镜，想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望

11、激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。,22,牛顿对色散现象的思考 牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过：“运 动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害，”胡克描述过肥皂泡的颜色 变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色 是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这些 说法的合理成分，同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问和思考，例如，他问道：如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？为什么水比水蒸汽更清晰？为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？.牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，就自己动手做 起了一系

12、列实验,23,3.牛顿的色散实验 牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约 60 厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到 1 米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为 67 米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。,24,这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验。,25,如图在一张黑纸上画一条线abc，半边ab为红色，

13、半边bc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，兰色部分比红色部分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。,疑问：色散是不是由于光和棱镜作用的结果？牛顿又作了以下实验：,26,为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其 它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性 牛顿又做了一个实验。他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不一样，如图 所示。倘若颜色的分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性，那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性。,27,可是实验结果是，原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜后又还原成白光，形状和原来一样。再经过第三个棱

14、镜，又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性。,28,牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。他预料会遭到科学界的反对，于是又做了一个很有说服力的实验。牛顿把这个实验称为“判决性实验”，如下图所示。,29,他用两块木版各开一小孔F和G，并分别放于三棱镜两侧，光从S 处平行射入F后，经棱镜折射穿过小孔G，到达另一块木版de上，投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后，抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块木版上不同颜色的光相继

15、穿过小孔g到达三棱镜abc。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。,30,在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：1.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。2.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。4.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。5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。6.自然物质的色是由于对某种光的反射大于其它光的反射的缘故。7.

16、把光看成实体有充分依据。8.由此可解释棱镜色散和虹。,31,牛顿的这些结论相当全面，而且论据充分。但是当时人们难以接受，因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。牛顿对这个问题并没有作出判决，但是他的结论与光的本性密切相关。牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太新奇了，怀疑和攻击不断对牛顿袭来。有人认为牛顿的光谱实验没有考虑到太阳本身的张角，有人主张光谱变长是一种衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛顿挑剔得最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理论也可说明，而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。,32,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究（略）4.3

17、 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究（略）,33,1 光的微粒说2 光的早期波动说3 光应具有波粒二相性,4.6 光的波动说和微粒说的论争,34,1 光的微粒说：近代微粒说最早由笛卡儿首先提出，后来牛顿发展了微粒说，并和波动说展开了长期的争斗。微粒说认为：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直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又

18、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。微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。缺陷：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进时，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。,35,2 早期的波动说 胡克：胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。惠更斯：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。,惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就是著名的惠更斯原理光在任何时刻的波阵面上的每一点都可以作为次波的波源，各自发出球面次波，在以后的任意时刻，所有这些次波的波阵面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。1690

19、年惠更斯论光一书出版。,36,托马斯杨杨氏双缝干涉实验 托马斯杨是英国人，从小聪慧过 人，博览群书，多才多艺，17 岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作。他是医生，但对物理学也有很深造诣，在学医时，研究过眼睛的构造和 其光学特性。就是在涉及眼睛接受不同颜色的光这一类问题时，对光的 波动性有了进一步认识，导致他对牛顿做过的光学实验和有关学说进行 深入的思考和审查。,托马斯杨,37,1801 年，托马斯杨发展了惠更斯的波动理论，成 功地解释了干涉现象。上图 是他在论文中用于说明干涉现象的插图。他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光

20、线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同 的。”,38,39,托马斯杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一 光源。这是他用实验成功地演示干涉现象的关键。许多人想尝试这类实验往往都因用的是两个不同的光源而失败。在 1807 年托马斯杨的论文中描述了他的双缝实验，他写道：“使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射。在这种情况下，当新形成的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条暗带。图形的中心则总是亮的。”“比较各次实验，看

21、来空气中极红端的波的宽度约为三万六千分之一英寸，而极紫端则为六万分之一英寸。”托马斯杨所谓“波的宽度”，就是波长，这些结果与近代的精确值近似相等。,40,1809年，法国的马吕斯（1775-1812）发现偏振现象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动性理论与事实矛盾。然而，托马斯杨并没动摇自己观点。给马吕斯回信说：“您的实验证明我的理论有不足之处，但这些实验并没有证明它是虚伪的。”经过几年的研究，托马斯 杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而这正是菲涅耳继续发展光的波动理论的出发点。,41,菲涅耳：双光束干涉实验及泊松亮斑 菲涅耳是法国的一位工程师，对光学很感兴趣，曾发明一种用于灯塔的螺纹

22、透镜，人称菲涅耳透镜。他精通数学，因此有条件在光学的数学理论方面作出特殊的贡献。,。,菲涅耳,42,1817 年 1 月 12 日，托马斯杨写信给阿拉果，告诉他已找到了用波动理论解释偏振的线索，说：“用这个理论也可以解释沿半径方向以相等速度传播的横向振动，其粒子的运动是在相对于半径的某个恒定的方向。这就是偏振。”1818 年 4 月 29 日，托马斯杨再次写信给阿拉果，又提到偏振问题，他把光比之于绳索的振动。阿拉果把这封信给菲涅耳看，菲涅耳立即看出这一比喻为互相垂直的两束偏 振光之所以不能相干提供了真正的解释，而这一不相干性正可作为杨氏假说的极好佐证。阿拉果和菲涅耳合作研究光学多年，互相垂直的

23、两束偏振光的相干 性是他们共同研究的课题，就这个课题已进行了多次实验得到了重要 成果。菲涅耳的实验研究：,43,菲涅耳双棱镜实验,菲涅耳双面镜实验,获得两相干光源的实验,44,菲涅耳对光学的研究与法国科学院1818年的悬奖征文活动有一些联系。竞赛题目为：“利用精密的实验确定光线的衍射效应。根据实验用数学归纳法推导出光线通过物体附近时的运动情况。”主持这项活动的著名科学家有：比奥、拉普拉斯和泊松。他们鼓励用微粒说解释衍射现象。但是，菲涅耳用严密的数学推导，从横波观点出发，圆满解释了光的偏振，并用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，理论与实验符合很好。如：泊松亮斑等。,4

24、5,在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学家泊松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，从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影的中央出现了一个亮斑。托马斯杨的双缝干涉实验和泊松亮斑证实了光的波动性。,46,1817年1月和1818年4月托马斯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能相干提出了解释。并于1819年

25、发表了关于偏振光线的相互作用，于1821年发表了光的横波性理论。托马斯杨和菲涅耳的发现，标志着光学进入了新的发展时期-波动光学时期。1850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，从此光的波动说占据了统治地位。19世纪60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，明确提出光是一种电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约20年后被赫兹实验证实。,47,3 光的波粒二相性 1887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爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒

26、子说暂时占据了上风。直到1921年，德布罗意提出了光的波粒二相性理论。才暂时平息了关于光本性的争论。,48,第四章 经典光学,4.1 历史概述 4.2 早期的光学研究（略）4.3 折射定律的建立 4.4 光学仪器的研制 4.5 牛顿对光的色散的研究 4.6 光的波动说和微粒说的论争 4.7 光速的测定 4.8 光谱的研究（略）,49,光 速 的 测 定,4.7 光速的测定,1 早期的实验2 天文学方法3 地面测量方法4“以太漂移”的测定,50,光 速 的 测 定,1.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

27、播得很快，但却是可以测定的。1607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去除间距，来测光速，但误差较大。,51,2 天文学方法 由木卫蚀测量光速 由丹麦人奥罗斯罗末(1644-1710)于1675年提出。木星有13个卫星，I0（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约42小时28分16秒，因此在地球上看I0蚀也应是42小时28分16秒一次，但他在观测木卫I0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；经过仔细推算，他证明这是由于地球运行在轨道的不同部位，光从木星卫星传到地球的时间有差异的缘故。1676惠更斯据此观察计

28、算出了光的传播速度：214000千米/秒。现代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒，,52,1676年9月罗默向巴黎的法国科学院宣布，预计在11月9 日5 时25 分45 秒发生的木星卫星蚀将推迟10分钟。巴黎天文台的天文学家，莫不嗤之以鼻。等到那一天，众人守在天文望远镜旁，想看罗默的笑话。哪里想到，卫蚀不迟不早，正好推迟十分钟。,53,利用木卫蚀测量光速图：,意义：揭示了光的传播需要时间，即光速有限。,54,由光行差测量光速,17251728年间，英国天文学家布拉德雷（Bradley)在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在绕椭圆轨

29、道运行一周他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化。,55,如右图，若当地球(人)从B点运动到A点时，恒星发出的光线从C点传播到A，则光速和地球的公转速度之比为：,由此测得光速为：C=299930千米/秒,56,1849年，法国人菲索28次（1819-1896）用齿轮旋转法测得光速的平均值为3.15108米/秒。他是第一个首次证明光速可以在实验中测得的人。另外，法国人傅科、美国人纽克姆等都对光速测定做过贡献。,光 速 的 测 定,3.光速的地面测定方法,57,旋转齿轮法：1849年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测定

30、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，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。据此即可算出光速。菲索测得的光速是315000千米/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。,58,傅科的旋转平面镜法,1850年斐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298000500千米/秒。,59,阿尔伯特迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：,光 速 的 测 定,迈克尔逊从1879年开始对光速进行了长达50年的测量工作，基本上沿用了傅科的方法，

31、后来将斐索的齿轮法和傅科的转镜法相结合，创立了棱镜旋转法。棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。,60,转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源S发出的光射到转镜面R上，经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是t=2D/c。在t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 528转/秒时，在t时间里正好转过1/8圈。返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像。,用这种方法得到c=2997964公里秒。,1907年，阿尔伯特迈克尔逊是第一位获诺贝

32、尔物理奖的美国科学家。,61,其他方法-试验室方法 克尔盒法：克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。微波谐振腔法：1950年埃文森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速 激光测速法：1970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 等等。,62,现在实验室测量光速方法：光拍法。,现在的方法,例如,63,光速是基本物理常数之一。它的测定花费了好几代物理学家的心血，方法不断改进，测试结果越来越精，特别是由于激光的应用，光速已成为最精确的基本常数之一。1973 年国际标准值c=299 792 458 米秒。1983

33、年第十七届国际计量大会决定，将光在真空中在1/299 792 458 秒的时间隔内运行路程的长度作为“米”的新定义。1986 年，国际科技数据委员会又规定1973 年的光速国际标准值为精确值。也就是说，从此光在真空中的速度不再变动了，人们就认定它精确地等于这一国际标准值。,64,光速的测定在历史上起了重要作用。对微粒说和波动说作出判决，只是其历史意义的一例。第3 章曾经讲到，麦克斯韦在研究电磁理论时，当他发现理论推出的电磁波速度正是光速时，他抓住了一个最有说服力的证据，说明光就是电磁波。爱因斯坦也跟光速有特殊的缘分，他正是从光速不变的假设出发，提出了狭义相对论。可见，光速测定的丰硕成果既反映科

34、学技术的进步，又推动了科学理论进一步发展。,65,光速测量一览表,66,4“以太漂移”的测定 早期对“以太”的认识（略）“以太”的运动观：1818年菲涅耳提出静止以太说 1845年斯托克斯提出完全拖曳说 1851年斐索提出部分拖曳说“以太漂移”的测定 斐索的流水实验 迈克耳逊干涉实验 洛奇的转盘实验,67,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,光源发出的光经半透镜反射进入两狭缝S1和S2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M反射，在S处会合发生干涉。,观察干涉条纹可以检查因受水流曳引形成的光程差。,68,假如水中的以太不被流水曳引，两束光

35、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。如果以太被流水曳引，拖曳系数为k，水流的速度为v，则以太被拖曳的速率为kv；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。光在流水中相对于地球的速度为:c=c/nkv,斐索通过实验测得 k=0.46，表明水中的以太被部分拖曳。(1817年，菲涅耳通过理论导出以太被物体拖曳的常数为 1-1/n2。对水而言，其值为0.438，两结果一致。)根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，n1，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。,69,迈

36、克耳逊干涉仪：1881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。当两光束有一定光程差时，在d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，地球表面应有“以太风”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90度，则必然会出现条纹的移动。,通过推导，条纹的移动量为：=ct/,估计应有0.4条纹的移动，但实验结果只有0.1条纹的移动，而这一微小数值可以理解为实验中的误差。,70,1887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11米。但

37、结论仍是“零结果”。因此得出：以太被完全拖曳；或者是根本不存在以太。早在1728年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实验中，就已判明以太没有被太阳拖曳(洛奇的转盘实验也证明以太静止)，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。,71,洛奇的转盘实验 1892年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以实验“以太”的漂移。他把靠得很近的大钢锯圆盘（直径3英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达4000转/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。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。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。所以迈克尔逊莫雷实验的“以太风的零结果”表明：以太根本不存在。,72,附录：量子光学介绍,量子光学 激光与物质作用的半经典理论，全量子理论。量子信息量子计算量子成像,73,附录：现代光学介绍,傅里叶光学光全息导波光学,