物理學史——第四章光學的建立與發(fā)展

1、光學的發(fā)展史五個時期：五個時期：1、萌芽時期：、萌芽時期：1600年以前年以前2、幾何光學時期：、幾何光學時期：1718世紀世紀折射定律、色散、望遠鏡、顯微鏡、微粒說折射定律、色散、望遠鏡、顯微鏡、微粒說3、波動光學時期：、波動光學時期：18001905年年波動說波動說4、量子光學時期：、量子光學時期：19世紀末世紀末-20世紀中葉世紀中葉波粒二象性波粒二象性5、現(xiàn)代光學時期：、現(xiàn)代光學時期：20世紀世紀50年代以來年代以來激光激光第第四四章章 經(jīng)典光學經(jīng)典光學的建立的建立 1.1.幾何光學幾何光學 2.2.光的波動說和微粒說光的波動說和微粒說 3.3.光速的測定光速的測定 4.4.光譜的研究

2、（略）光譜的研究（略） 附：激光器的發(fā)明（略）與全息術(shù)附：激光器的發(fā)明（略）與全息術(shù)一一.早期光學早期光學二二.折射定律的建立折射定律的建立三三.光學儀器的研制光學儀器的研制四四.牛頓對光的色散的研究牛頓對光的色散的研究1.幾何光學幾何光學幾何光學的建立和發(fā)展幾何光學的建立和發(fā)展光學是物理學眾多學科中最古老的學科之一。在古代，人們除光學是物理學眾多學科中最古老的學科之一。在古代，人們除了認識到光的直線傳播、反射定律和不完全的折射定律外，對了認識到光的直線傳播、反射定律和不完全的折射定律外，對光學知識再沒有什么深入的認識。近代光學史是從十七世紀初光學知識再沒有什么深入的認識。近代光學史是從十七世

3、紀初開普勒的光學研究開始的，以望遠鏡和顯微鏡的發(fā)明為轉(zhuǎn)折而開普勒的光學研究開始的，以望遠鏡和顯微鏡的發(fā)明為轉(zhuǎn)折而發(fā)展起來。發(fā)展起來。一一.早期光學早期光學歐幾里得歐幾里得光的反射光的反射阿勒阿勒.哈增哈增光的折射光的折射西奧多里克西奧多里克彩虹現(xiàn)象彩虹現(xiàn)象達芬奇達芬奇針孔照相機針孔照相機光學真正形成一門科學，應(yīng)該從建立反射定律和折射定光學真正形成一門科學，應(yīng)該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎(chǔ)。律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎(chǔ)。1717世紀，望遠鏡和顯微鏡的應(yīng)用大大促進了幾何光學的發(fā)世紀，望遠鏡和顯微鏡的應(yīng)用大大促進了幾何光學的發(fā)展。展。二二 折射定

4、律的建立折射定律的建立1 1 開普勒的工作：開普勒的工作：16111611年寫了年寫了折光學折光學，記載了兩個，記載了兩個實驗。實驗。第一個實驗第一個實驗是比較入射角和折射角：如圖，日光是比較入射角和折射角：如圖，日光LMNLMN斜射到器壁斜射到器壁DBCDBC上，上，BCBC邊沿的影子投射到底座于邊沿的影子投射到底座于HKHK；另一部；另一部分從分從DBDB射進一玻璃立方體射進一玻璃立方體ADBEFADBEF內(nèi)，陰影的邊沿形成于內(nèi)，陰影的邊沿形成于IGIG。 根據(jù)屏高根據(jù)屏高BEBE和兩陰和兩陰影的長度影的長度EHEH和和EGEG，就可，就可算出立方體的入射角和算出立方體的入射角和出射角之比

5、。出射角之比。第二個實驗是：第二個實驗是：用一個圓柱性玻璃，令光線沿用一個圓柱性玻璃，令光線沿S S1 1和和S S2 2入射，入射，通過圓柱中心的光線通過圓柱中心的光線S S1 1方向不變，和圓柱邊沿相切的光線方向不變，和圓柱邊沿相切的光線S S2 2偏折最大，并發(fā)現(xiàn)最大偏折角約為偏折最大，并發(fā)現(xiàn)最大偏折角約為42420 0。 全反射的發(fā)現(xiàn)：全反射的發(fā)現(xiàn)： 令令A(yù)BAB為玻璃與空氣的分界面，如圖。光線從空氣進入玻為玻璃與空氣的分界面，如圖。光線從空氣進入玻璃發(fā)生折射，由于最大偏折角為璃發(fā)生折射，由于最大偏折角為42420 0，所以進入玻璃的，所以進入玻璃的光線將構(gòu)成一個夾角為光線將構(gòu)成一個夾

6、角為42420 02=842=840 0的錐形的錐形MONMON。若有一束光若有一束光從玻璃從玻璃射向空氣，當入射角射向空氣，當入射角大于大于42420 0時，則到達時，則到達O點后，將既不能進點后，將既不能進入空氣，也不能進入入空氣，也不能進入MON錐形區(qū)域，必錐形區(qū)域，必定反射為定反射為。利用光線是可逆的可推出：利用光線是可逆的可推出：2 斯涅耳斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：的工作： 荷蘭人，荷蘭人，16211621年年從實驗得到準確的折射定律從實驗得到準確的折射定律 。方。方法和開普勒基本相同，但斯涅耳發(fā)現(xiàn)，比值法和開普勒基本相同，但斯涅耳發(fā)現(xiàn)，比值OS /OSOS

7、 /OS恒恒為常數(shù)，并由此導(dǎo)出圖中所示式子。為常數(shù)，并由此導(dǎo)出圖中所示式子。3 笛卡兒的工作：笛卡兒的工作：4 費馬的工作：費馬的工作： 1661年費馬用最短時間原理推出了折射定律：年費馬用最短時間原理推出了折射定律：同時證明了光從光疏媒質(zhì)進入光密媒質(zhì)時向法線方向偏折。同時證明了光從光疏媒質(zhì)進入光密媒質(zhì)時向法線方向偏折。1.1.12991299年由意大利人年由意大利人阿瑪?shù)侔數(shù)侔l(fā)明并發(fā)明并制造了眼鏡。制造了眼鏡。2.2.16081608年，年，荷蘭人荷蘭人李普塞李普塞（Hans Hans Lippershey)Lippershey)制成第一臺望遠鏡制成第一臺望遠鏡: :凸透鏡作物鏡，凹透鏡作

8、目鏡凸透鏡作物鏡，凹透鏡作目鏡3.3.伽利略伽利略改進成放大改進成放大3232倍，隨后又倍，隨后又制成放大制成放大10001000倍的望遠鏡倍的望遠鏡。三三.光學儀器的研制光學儀器的研制5 5. .16681668年，年，牛頓牛頓設(shè)計并制設(shè)計并制造了第一架小型造了第一架小型反射式反射式望遠鏡望遠鏡。反射式望遠鏡可以避免因透鏡折射引起的像差反射式望遠鏡可以避免因透鏡折射引起的像差4.4.16111611年年開普勒開普勒設(shè)計設(shè)計了用兩了用兩個凸透鏡構(gòu)成的天文望個凸透鏡構(gòu)成的天文望遠鏡，即遠鏡，即開普勒望遠鏡開普勒望遠鏡。 第一臺開普勒望遠第一臺開普勒望遠鏡由天文學家鏡由天文學家沙伊納沙伊納于于16

9、13161316171617年制造。年制造。6 6. .幾乎與望遠鏡同時，幾乎與望遠鏡同時，荷蘭人荷蘭人詹森詹森(Janssen)(Janssen)發(fā)明制造了顯微鏡發(fā)明制造了顯微鏡。7 7. .16651665年，年，胡克胡克出版顯出版顯微圖象，并制造了一個微圖象，并制造了一個帶聚光鏡帶聚光鏡的顯微鏡：用兩的顯微鏡：用兩個平凸透鏡分別作物鏡和個平凸透鏡分別作物鏡和目鏡，用一球形聚光器來目鏡，用一球形聚光器來照亮待觀察的物體。照亮待觀察的物體。胡克用顯微鏡觀察軟木結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了細胞組織，成為用顯微鏡研究生物學的先驅(qū)四四 牛頓的色散研究牛頓的色散研究1、牛頓之前（1 1）笛卡爾的研究）笛卡爾的研究（

10、2 2）馬爾西的研究）馬爾西的研究（3 3）胡克和玻意耳的研究）胡克和玻意耳的研究胡克胡克玻意耳玻意耳2.牛頓的色散實驗牛頓的色散實驗。 如圖在一張黑紙上畫一條線如圖在一張黑紙上畫一條線abcabc，半邊，半邊abab為紅色，半邊為紅色，半邊bcbc為蘭色，經(jīng)過棱鏡觀看，只見這根線好象折斷了似為蘭色，經(jīng)過棱鏡觀看，只見這根線好象折斷了似的，分界處正是紅蘭之交，蘭色部分比紅色部分更靠的，分界處正是紅蘭之交，蘭色部分比紅色部分更靠近棱鏡?？梢娞m色光比紅色光折射更厲害。近棱鏡?？梢娞m色光比紅色光折射更厲害。疑問：疑問： 色散是不是由于光色散是不是由于光和棱鏡和棱鏡相互相互作用作用，或是，或是由于其他

11、原因由于其他原因？比如：比如：由于棱鏡的不平或其他由于棱鏡的不平或其他偶然的不規(guī)則性？偶然的不規(guī)則性？牛頓牛頓又作了以下實驗：又作了以下實驗：他拿三個棱鏡作實驗，三個棱鏡完全相同，只是放置方他拿三個棱鏡作實驗，三個棱鏡完全相同，只是放置方式不同，如下圖。式不同，如下圖。如果色散是由于光線和棱鏡的作用如果色散是由于光線和棱鏡的作用引起的，經(jīng)過第二和第三棱鏡后，這種色散現(xiàn)象應(yīng)進引起的，經(jīng)過第二和第三棱鏡后，這種色散現(xiàn)象應(yīng)進一步加強。一步加強。顯然實驗結(jié)果不支持這一觀點。顯然實驗結(jié)果不支持這一觀點。判決性實驗判決性實驗 他用兩塊木版各開一小孔他用兩塊木版各開一小孔F F和和G G，并分別放于三棱鏡兩

12、側(cè)，并分別放于三棱鏡兩側(cè)，光從光從S S 處平行射入處平行射入F F后，經(jīng)棱鏡折射穿過小孔后，經(jīng)棱鏡折射穿過小孔G G，到達另一，到達另一塊木版塊木版dede上，投過小孔上，投過小孔g g的光再經(jīng)棱鏡的光再經(jīng)棱鏡abc的折射后，抵達的折射后，抵達墻壁墻壁MN。使第一個棱鏡使第一個棱鏡ABCABC緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣第二塊這樣第二塊木版上不同顏色的光相繼穿過小孔木版上不同顏色的光相繼穿過小孔g g到達三棱鏡到達三棱鏡abcabc。實驗。實驗結(jié)果是：被第一個三棱鏡折射最厲害的紫光，經(jīng)過第二個結(jié)果是：被第一個三棱鏡折射最厲害的紫光，經(jīng)過第二個三棱鏡時也偏折的最多。結(jié)論：白光是由折射性

13、能不同的三棱鏡時也偏折的最多。結(jié)論：白光是由折射性能不同的各種顏色的光組成。各種顏色的光組成。1.光線隨其折射率不同，顏色也不同。色是光線固有的屬性。光線隨其折射率不同，顏色也不同。色是光線固有的屬性。2.同一顏色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。同一顏色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。3.色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、反色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、反射或其它任何原因而改變。射或其它任何原因而改變。4.必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是由原始的顏色復(fù)合而成的色。由原始的顏色復(fù)合而成

14、的色。5.本身是白色的光線是沒有的，白色是由所有色的光線岸適本身是白色的光線是沒有的，白色是由所有色的光線岸適當比例混合而成。當比例混合而成。6.自然物質(zhì)的色是由于對某種光的反射大與其它光的反射的自然物質(zhì)的色是由于對某種光的反射大與其它光的反射的緣故。緣故。7.把光看成實體有充分依據(jù)。把光看成實體有充分依據(jù)。8.由此可解釋棱鏡色散和虹。由此可解釋棱鏡色散和虹。在色散實驗的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出以下幾條規(guī)律：在色散實驗的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出以下幾條規(guī)律：一一.光的光的早期早期微粒說微粒說二二.光的早期波動說光的早期波動說三三.波動說的復(fù)興波動說的復(fù)興四四.光應(yīng)具有波粒二相性光應(yīng)具有波粒二相性2.光的波

15、動說和微粒說光的波動說和微粒說一一 光的微粒說：光的微粒說： 微粒說認為：微粒說認為：光是由一顆顆像小彈丸一樣的機械微粒所光是由一顆顆像小彈丸一樣的機械微粒所組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進入人的眼睛，沖擊視線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺。網(wǎng)膜，就引起了視覺。 微粒說還認為，光在水中的傳播速度比在空氣中的快。微粒說還認為，光在水中的傳播速度比在空氣中的快。 缺陷缺陷：無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互

16、不干擾地獨立前時，為什么光線并不是永遠走直線，而是可不干擾地獨立前時，為什么光線并不是永遠走直線，而是可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播等現(xiàn)象。以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播等現(xiàn)象。二二 早期的波動說早期的波動說1.1.光的波動說最初是由光的波動說最初是由意大利人格里馬第意大利人格里馬第( (F. M. Grimaldi，1618-1663）提出的。在他死后不久（）提出的。在他死后不久（1665 1665 年）出版的著作年）出版的著作發(fā)光、顏色和虹彩的物理數(shù)學中，記錄了衍射現(xiàn)象的發(fā)發(fā)光、顏色和虹彩的物理數(shù)學中，記錄了衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并提出光是一種作波狀運動的流體的猜測?，F(xiàn)，并提出光是一種作波狀運動的流體

17、的猜測。2 2. .胡克胡克：胡克主張光是一種振動，是類似水波的某種快速脈沖。胡克主張光是一種振動，是類似水波的某種快速脈沖。3 3. .惠更斯惠更斯：荷蘭物理學家惠更斯發(fā)展了胡克的思想（縱波）。荷蘭物理學家惠更斯發(fā)展了胡克的思想（縱波）。 由于由于波動說波動說缺乏數(shù)學的嚴密性，缺乏數(shù)學的嚴密性，理論尚未完善理論尚未完善縱波觀點縱波觀點和未考慮波面上各點之間的相互干涉，和未考慮波面上各點之間的相互干涉，再加上牛頓力學節(jié)節(jié)再加上牛頓力學節(jié)節(jié)勝利，以符合力學規(guī)律的粒子行為來描述光學規(guī)象被認為是勝利，以符合力學規(guī)律的粒子行為來描述光學規(guī)象被認為是惟一合理的理論惟一合理的理論。18 18 世紀世紀微粒

18、說占了上風微粒說占了上風。三三 波動說波動說的復(fù)興的復(fù)興1919世紀初光的波動說迎來了復(fù)興的春世紀初光的波動說迎來了復(fù)興的春天，這首先歸功于英國科學家托馬天，這首先歸功于英國科學家托馬斯斯 楊（楊（T. Young，1773-1829）。）。 托馬斯托馬斯 楊楊( (Thomas Young, 17731829 ) ) 英國物理學家、考古學家（曾破譯了古埃及石碑上的文英國物理學家、考古學家（曾破譯了古埃及石碑上的文字）、醫(yī)生。光的波動說的奠基人之一。字）、醫(yī)生。光的波動說的奠基人之一。17731773年年6 6月月1313日生于日生于米菲爾頓，自幼天資過人，兩歲就學會了看書，米菲爾頓，自幼天資

19、過人，兩歲就學會了看書，4 4歲時就已將歲時就已將圣經(jīng)通讀了兩遍。曾在倫敦大學、愛丁堡大學和格丁根圣經(jīng)通讀了兩遍。曾在倫敦大學、愛丁堡大學和格丁根大學學習，倫敦皇家學會會員，巴黎科學院院士。大學學習，倫敦皇家學會會員，巴黎科學院院士。18291829年年5 5月月1010日在倫敦逝世。日在倫敦逝世。1. 1. 托馬斯托馬斯楊的楊的研究研究楊聲明，相干疊加的兩束光必須是發(fā)自同一光源楊聲明，相干疊加的兩束光必須是發(fā)自同一光源楊氏雙縫實驗楊氏雙縫實驗2. 2. 菲涅耳的衍射理論菲涅耳的衍射理論 菲涅耳菲涅耳 （Augustin-Jean Fresnel 1788-1827）是法國物理學家和鐵路工程師

20、。是法國物理學家和鐵路工程師。 17881788年年5 5月月1010日生日生于諾曼底省，于諾曼底省，18061806年畢業(yè)于巴黎工藝學院，年畢業(yè)于巴黎工藝學院，18091809年年又畢業(yè)于巴黎橋梁與公路學校。又畢業(yè)于巴黎橋梁與公路學校。19231923年當選為法國年當選為法國科學院院士，科學院院士，18251825年被選為英國皇家學會會員。年被選為英國皇家學會會員。18271827年年7 7月月1414日因肺病醫(yī)治無效而逝世，終年僅日因肺病醫(yī)治無效而逝世，終年僅3939歲。歲。 菲涅耳具有卓越的數(shù)學才能，他隨后考慮把波動的周期性相菲涅耳具有卓越的數(shù)學才能，他隨后考慮把波動的周期性相位變化同惠

21、更斯原理結(jié)合起來，并用解析的形式進行精確的表位變化同惠更斯原理結(jié)合起來，并用解析的形式進行精確的表達。他考慮的是，達。他考慮的是，在給定時刻，從任何部位傳到指定地點的所在給定時刻，從任何部位傳到指定地點的所有振動的疊加。有振動的疊加。這就是所謂的惠更斯這就是所謂的惠更斯- -菲涅耳原理。應(yīng)用該原理，菲涅耳原理。應(yīng)用該原理，菲涅耳對衍射問題進行了精確的計算。菲涅耳對衍射問題進行了精確的計算。1821 1821 到到18221822年，菲涅耳公開提出了光的橫波理論年，菲涅耳公開提出了光的橫波理論3. 光速的測定光速的測定 關(guān)于光是否以有限的速度傳播，在伽利略以前的人們一直有關(guān)于光是否以有限的速度傳

22、播，在伽利略以前的人們一直有不同的看法。伽利略第一個堅持光速有限且可以測定。不同的看法。伽利略第一個堅持光速有限且可以測定。16071607年年, ,他和他的助手曾分別站在兩個山頭上，用燈閃光方法測定光速，他和他的助手曾分別站在兩個山頭上，用燈閃光方法測定光速，但實驗沒有成功。但實驗沒有成功。 光速是物理學中最重要的基本常數(shù)之一，在光學和物理學光速是物理學中最重要的基本常數(shù)之一，在光學和物理學的發(fā)展歷史上，光速的測定，一直是許多科學家為之探索的課的發(fā)展歷史上，光速的測定，一直是許多科學家為之探索的課題。許多光速測量方法那巧妙的構(gòu)思、高超的實驗設(shè)計一直在題。許多光速測量方法那巧妙的構(gòu)思、高超的實

23、驗設(shè)計一直在啟迪著后人的物理學研究。啟迪著后人的物理學研究。一、一、 伽利略測量光速的方法伽利略測量光速的方法二二. .天文學方法天文學方法1.1.羅末羅末由木衛(wèi)蝕測量光速由木衛(wèi)蝕測量光速 由丹麥人奧羅斯由丹麥人奧羅斯羅末羅末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提出。木星年提出。木星有有1313個衛(wèi)星，個衛(wèi)星，I I0 0（木衛(wèi)一）是木星的一顆衛(wèi)星，繞木星旋轉(zhuǎn)（木衛(wèi)一）是木星的一顆衛(wèi)星，繞木星旋轉(zhuǎn)一周的時間約一周的時間約4242小時小時2828分分1616秒，因此在地球上看秒，因此在地球上看I I0 0蝕也應(yīng)是蝕也應(yīng)是4242小時小時2828分分1616秒一次，但

24、他在觀測木衛(wèi)秒一次，但他在觀測木衛(wèi)I I0 0的隱食周期時發(fā)現(xiàn)：的隱食周期時發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時期，它們的周期有所不同；在一年的不同時期，它們的周期有所不同； 惠更斯據(jù)此觀察計算出了光的傳播速度：惠更斯據(jù)此觀察計算出了光的傳播速度：214000千米千米/秒。秒。 現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是298000千米千米/秒，秒，利用木星蝕測量光速圖：利用木星蝕測量光速圖：意義：意義：揭示了光的傳播需要時間，即光速有限。揭示了光的傳播需要時間，即光速有限。2.2.由光行差測量光速由光行差測量光速 17251728年間，年間，英國英國天文學家天文學家

25、布拉德雷布拉德雷（Bradley)Bradley) 在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在繞橢圓軌道運行一都在繞橢圓軌道運行一周他認為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生周他認為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間，而在面時需要一定的時間，而在此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化。發(fā)生了位置的變化。 如右圖，若當?shù)厍蛉缬覉D，若當?shù)厍?人人)從從B點運點運動到動到A點時，恒星發(fā)出的光線從點時，恒星發(fā)出的光線從C點點傳播到傳播到A，則光

26、速和地球的公轉(zhuǎn)速，則光速和地球的公轉(zhuǎn)速度之比為：度之比為： vctgcv 由此測得光速為：由此測得光速為：C=299930千米千米/秒秒18491849年，法國人年，法國人菲索菲索（1819-18961819-1896）用齒輪旋轉(zhuǎn)）用齒輪旋轉(zhuǎn)法測得光速為法測得光速為3.153.1510108 8米米/ /秒。他是第一個首次證明秒。他是第一個首次證明光速可以在實驗中測得的人。另外，法國人光速可以在實驗中測得的人。另外，法國人傅科傅科、美、美國人國人紐克姆紐克姆等都對光速測定做過貢獻。等都對光速測定做過貢獻。三三. 光速的地面測定方法光速的地面測定方法 在地面上首先成功測出光速的是法國物理學家斐索

27、（在地面上首先成功測出光速的是法國物理學家斐索（A. Fizeau，1819-1896）。他于）。他于18491849年創(chuàng)造了旋轉(zhuǎn)齒輪法，即巧妙年創(chuàng)造了旋轉(zhuǎn)齒輪法，即巧妙地利用旋轉(zhuǎn)齒輪作為遮光測時設(shè)備，確定光傳播時間，再通過地利用旋轉(zhuǎn)齒輪作為遮光測時設(shè)備，確定光傳播時間，再通過光程計算光速。光程計算光速。1、 斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法他的實驗數(shù)據(jù)為：他的實驗數(shù)據(jù)為：L（齒輪和平面鏡間的距離）（齒輪和平面鏡間的距離）= 8.633 = 8.633 公里，公里，N N（齒輪齒數(shù)）（齒輪齒數(shù)）=720=720，Z（齒輪轉(zhuǎn)數(shù)）（齒輪轉(zhuǎn)數(shù)）=12.67/=12.67/秒。秒。利用公式利用公式c=

28、2L/t，t=1/2NZ，則可算出，則可算出c= =315014315014公里公里/ /秒秒?？紤]到他所利用儀器的局限，這個結(jié)果已經(jīng)相當精確了?？紤]到他所利用儀器的局限，這個結(jié)果已經(jīng)相當精確了。 1850 1850 年，斐索的朋友和合作者傅科（年，斐索的朋友和合作者傅科（J. L. Foucault，1819-1868）設(shè)計了測量光速的另一種方法：）設(shè)計了測量光速的另一種方法：“轉(zhuǎn)動平面鏡方法轉(zhuǎn)動平面鏡方法”。傅科使用快速旋轉(zhuǎn)的鏡片替代了斐索的齒輪，快速旋轉(zhuǎn)的鏡片傅科使用快速旋轉(zhuǎn)的鏡片替代了斐索的齒輪，快速旋轉(zhuǎn)的鏡片會使出射光線偏轉(zhuǎn)一個角度會使出射光線偏轉(zhuǎn)一個角度，18621862年傅科的測

29、量結(jié)果是年傅科的測量結(jié)果是29.829.8萬公里萬公里/ /秒。秒。2、 傅科的旋轉(zhuǎn)平面鏡法傅科的旋轉(zhuǎn)平面鏡法 后人對光速的測定大多基于傅科的方法，并不斷有所改進，后人對光速的測定大多基于傅科的方法，并不斷有所改進，使得測定的光速值的準確度越來越高。最著名的是美國著名物使得測定的光速值的準確度越來越高。最著名的是美國著名物理學家理學家邁克耳遜（邁克耳遜（A. A. Michelson，1852-1931）。）。從從18791879年年至至1926 1926 年，他從事測定光速年，他從事測定光速5050年不間斷，對實驗設(shè)備和技術(shù)年不間斷，對實驗設(shè)備和技術(shù)作了很大的改進，在傅科設(shè)計的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)了旋

30、轉(zhuǎn)棱鏡法，即作了很大的改進，在傅科設(shè)計的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)了旋轉(zhuǎn)棱鏡法，即用一個正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了轉(zhuǎn)動平面鏡，延長了光路，減小用一個正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了轉(zhuǎn)動平面鏡，延長了光路，減小了誤差。了誤差。1926 1926 年他發(fā)表的最后一個測定值為：年他發(fā)表的最后一個測定值為：C=C=299796 299796 公里公里/ /秒。這是當時最精確的數(shù)值，同傅科的最初結(jié)果相比，精確秒。這是當時最精確的數(shù)值，同傅科的最初結(jié)果相比，精確度提高了度提高了100 100 倍。倍。3 3、 邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)棱鏡法邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)棱鏡法 假設(shè)鏡子不轉(zhuǎn)動，并且假設(shè)鏡子不轉(zhuǎn)動，并且處在如圖的位置，光恰好可處在如圖的位置，光恰好可

31、以被觀察者看到。當多面鏡以被觀察者看到。當多面鏡旋轉(zhuǎn)起來，并且旋轉(zhuǎn)速度不旋轉(zhuǎn)起來，并且旋轉(zhuǎn)速度不快時，多面鏡將不能使光束快時，多面鏡將不能使光束被反射到觀察者的眼睛里。被反射到觀察者的眼睛里。逐漸加快多面鏡旋轉(zhuǎn)速度，逐漸加快多面鏡旋轉(zhuǎn)速度，并恰好當入射光線返回時，并恰好當入射光線返回時，使相鄰鏡面處于前一個鏡面使相鄰鏡面處于前一個鏡面原先的位置時，即多面鏡轉(zhuǎn)原先的位置時，即多面鏡轉(zhuǎn)了了1/81/8圈時，觀察者將可重圈時，觀察者將可重新看到被反射的光束。新看到被反射的光束。 邁克爾遜邁克爾遜19261926年的測量結(jié)果是年的測量結(jié)果是299796299796公里公里/ /秒，誤差不超過秒，誤差不

32、超過4 4公里公里/ /秒。這是當時的最佳結(jié)果。秒。這是當時的最佳結(jié)果。 4 4 其他方法其他方法-試驗室方法試驗室方法克爾盒法：克爾盒法：克爾盒能使光束以極高頻率做周期性變化。克爾盒能使光束以極高頻率做周期性變化。19281928年，年，卡婁拉斯卡婁拉斯和和米太斯塔德米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測首先提出利用克爾盒法來測定光速。定光速。微波諧振腔法：微波諧振腔法：19501950年年埃文森埃文森最先采用測定微波波長和頻最先采用測定微波波長和頻率的方法來確定光速率的方法來確定光速激光測速法：激光測速法：19701970年美國國家標準局和美國國立物理實驗?zāi)昝绹鴩覙藴示趾兔绹鴩⑽锢韺嶒炇易?/p>

33、先運用激光測定光速室最先運用激光測定光速 等等。等等。光速測量一覽表光速測量一覽表4. 光譜的研究光譜的研究（略）（略） 1665 1665年，牛頓進行太陽光的實驗，它用三棱鏡把太陽光分年，牛頓進行太陽光的實驗，它用三棱鏡把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布的光分布光譜。牛頓的發(fā)現(xiàn)不僅為顏色理論奠定了基礎(chǔ)，光譜。牛頓的發(fā)現(xiàn)不僅為顏色理論奠定了基礎(chǔ)，而且為光譜學的發(fā)展開辟了道路。不過牛頓沒有觀測到光譜譜而且為光譜學的發(fā)展開辟了道路。不過牛頓沒有觀測到光譜譜線，因為他當時不是用狹縫，而是用圓孔作光闌，再加上他

34、使線，因為他當時不是用狹縫，而是用圓孔作光闌，再加上他使用的棱鏡的分辨本領(lǐng)很低。用的棱鏡的分辨本領(lǐng)很低。( (一一) ) 光譜的觀測光譜的觀測 1748-1749 1748-1749 年間，英國人梅耳維爾（年間，英國人梅耳維爾（T. Melvill）用棱鏡觀察了多）用棱鏡觀察了多種材料的火焰光譜，其中包括鈉的黃線。但他的論文一直被忽視，沒種材料的火焰光譜，其中包括鈉的黃線。但他的論文一直被忽視，沒有引起人們的重視。有引起人們的重視。 1802 1802 年英國化學家沃拉斯頓（年英國化學家沃拉斯頓（W. H. Wollaston, 1766-1828）研究了）研究了通過細長狹縫的太陽光的光譜，發(fā)

35、現(xiàn)它被幾條暗線所分開。他首次觀通過細長狹縫的太陽光的光譜，發(fā)現(xiàn)它被幾條暗線所分開。他首次觀察到了太陽光譜的不連續(xù)性，但誤以為那些暗線是顏色的分界線。后察到了太陽光譜的不連續(xù)性，但誤以為那些暗線是顏色的分界線。后來他又研究了火焰的光譜，發(fā)現(xiàn)它由五條亮線組成。他的這些發(fā)現(xiàn)并來他又研究了火焰的光譜，發(fā)現(xiàn)它由五條亮線組成。他的這些發(fā)現(xiàn)并未引起人們的注意，他自己也沒有進一步去追究。未引起人們的注意，他自己也沒有進一步去追究。 線光譜的研究基礎(chǔ)是由德國物理學家夫瑯和費（線光譜的研究基礎(chǔ)是由德國物理學家夫瑯和費（J. Fraunhofer，1787-1826）奠定的。）奠定的。18151815年，通過縱向狹

36、縫的太陽光射入火石玻璃年，通過縱向狹縫的太陽光射入火石玻璃三棱鏡，用小望遠鏡對它進行觀察，他發(fā)現(xiàn)光譜被若干條暗線所分三棱鏡，用小望遠鏡對它進行觀察，他發(fā)現(xiàn)光譜被若干條暗線所分開，并對其中開，并對其中8 8條特別顯著的暗線以條特別顯著的暗線以A、B、.H 等字母命名（人稱等字母命名（人稱夫瑯和費線）。這些暗線后來成為比較不同玻璃材料色散率的標準，夫瑯和費線）。這些暗線后來成為比較不同玻璃材料色散率的標準，為光譜的精確測量提供了基礎(chǔ)。為光譜的精確測量提供了基礎(chǔ)。 赫歇耳生前考察了幾種物質(zhì)的明線光譜，并在赫歇耳生前考察了幾種物質(zhì)的明線光譜，并在1823 1823 年出版年出版的著作的著作論光論光中指

37、出：每種化學元素只要能變成炙熱的氣體，中指出：每種化學元素只要能變成炙熱的氣體，就能產(chǎn)生自己獨有的線狀光譜，利用這些譜線就可以檢驗?zāi)撤N就能產(chǎn)生自己獨有的線狀光譜，利用這些譜線就可以檢驗?zāi)撤N金屬元素的存在。金屬元素的存在。 把光譜分析系統(tǒng)、完善、透徹的是德國物理學家基爾霍夫把光譜分析系統(tǒng)、完善、透徹的是德國物理學家基爾霍夫（G. R. Kirchhoff，1824-1887）。）。1859-1862 1859-1862 年期間，他對光年期間，他對光譜的吸收和發(fā)射之間的關(guān)系作了深入的研究。譜的吸收和發(fā)射之間的關(guān)系作了深入的研究。 基爾霍夫的這一結(jié)果，引起他在兩個方向上作深入的研究?；鶢柣舴虻倪@一結(jié)

38、果，引起他在兩個方向上作深入的研究。一方面是對光譜反轉(zhuǎn)作理論上的說明，提出了基爾霍夫輻射定一方面是對光譜反轉(zhuǎn)作理論上的說明，提出了基爾霍夫輻射定律，接下去發(fā)展到量子論的誕生。另一方面，他根據(jù)這一理論律，接下去發(fā)展到量子論的誕生。另一方面，他根據(jù)這一理論說明作出結(jié)論：太陽光譜中的暗線只不過是表示，發(fā)出與此暗說明作出結(jié)論：太陽光譜中的暗線只不過是表示，發(fā)出與此暗線同樣波長的亮線的物質(zhì)的溫度較低的蒸汽包圍著溫度較高的線同樣波長的亮線的物質(zhì)的溫度較低的蒸汽包圍著溫度較高的太陽本體。他斷定在太陽大氣中存在有鈉、鎂、銅、鋅、鋇、太陽本體。他斷定在太陽大氣中存在有鈉、鎂、銅、鋅、鋇、鎳。這個結(jié)論宣告了天文學的新紀元鎳。這個結(jié)論宣告了天文學的新紀元天體物理學的誕生。天體物理學的誕生。( (二二) ) 光譜分析的創(chuàng)立光譜分析的創(chuàng)立 基爾霍夫和本生（基爾霍夫和本生（R. W. Bunsen